第二章晶體生長(zhǎng)

1、微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理 天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系Xie_第26教學(xué)樓D區(qū)431室 謝謝 生生微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧C(jī)MOS工藝：工藝：光刻、氧化、擴(kuò)散、刻蝕等光刻、氧化、擴(kuò)散、刻蝕等硅技術(shù)的歷史變革革和硅技術(shù)的歷史變革革和未來發(fā)展趨勢(shì)：未來發(fā)展趨勢(shì)：晶體管的誕生晶體管的誕生集成電路的發(fā)明集成電路的發(fā)明平面工藝的發(fā)明平面工藝的發(fā)明CMOS技術(shù)的發(fā)明技術(shù)的發(fā)明摩爾定律（摩爾定律（Moores law）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例縮小原則等比例縮小原則ITRS：技術(shù)代：

2、技術(shù)代/節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)教學(xué)大綱教學(xué)大綱第一章第一章 概述概述第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第三章第三章 硅氧化硅氧化第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 刻蝕刻蝕第六章第六章 擴(kuò)散擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 工藝集成工藝集成補(bǔ)補(bǔ) 充充 工藝仿真工藝仿真微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)Contents Basic techniques to grow Si and GaAs single-crystal ingots Wafer-shaping steps from ingots to po

3、lished wafers Wafer characterization in terms of its electrical and mechanical properties微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)一一、硅單晶的熔體生長(zhǎng)硅單晶的熔體生長(zhǎng)1、初始原料、初始原料(1) SiO2 (s) +SiC (s) Si (s)+SiO (g)+CO (g), 冶金級(jí)冶金級(jí)硅硅:98%；(2) Si (s)+3HCl (g) SiHCl3 (g)+H2 (s)(3) 分餾、除雜：三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點(diǎn)為分餾、除雜：三氯硅烷室溫下呈液

4、態(tài)沸點(diǎn)為32，利用分餾法去除雜質(zhì)；利用分餾法去除雜質(zhì)；(4) SiHCl3 (g)+ H2 (s) Si (s)+ 3HCl (g)，EGS Si 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)多晶硅生料多晶硅生料微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)2、Czochralshi直拉法直拉法CZ 拉晶機(jī)主要構(gòu)架拉晶機(jī)主要構(gòu)架:1.熔爐熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝, 加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；2.拉晶裝置拉晶裝置籽晶夾具：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；3.環(huán)境控制系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)4.電子控制反饋系統(tǒng)電子

5、控制反饋系統(tǒng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)Kayex KX260 CZ puller Kayex KX260 Silicon Crystal Growing furnace is optimized for growing silicon ingots up to 400 mm in diameter using advanced control systems technology and complete thermal management system.OverviewPerformance( http:/ )微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)拉晶過程拉

6、晶過程（1）熔硅）熔硅 將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化；（注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）（注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)）（2）引晶）引晶 將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶； （3）收頸）收頸 在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20mm。 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)（4）放肩）放肩 縮頸工藝完成后，略降低溫度(15-40)，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“

7、放肩”。（5）等徑生長(zhǎng)）等徑生長(zhǎng) 當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速。（6）收晶）收晶 晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)拉晶過程示意圖拉晶過程示意圖微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)CZ-grown Silicon ingots微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)3、雜質(zhì)分布、雜質(zhì)分布平衡分凝系數(shù)平衡分凝系數(shù)0slCkC微電子

8、技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 若晶體生長(zhǎng)時(shí)，熔體中的初始重量M0，初始摻雜濃度C0 (w%),當(dāng)生長(zhǎng)出重量為M的晶體時(shí)，熔體剩余重量為S, 若晶體增加量為dM，晶體中的雜質(zhì)濃度為Cs (w%)，則熔體中的雜質(zhì)減少量sdSC dM熔體的雜質(zhì)濃度Cl (w%)0lSCMM0slCkC00dSdMkSMM 積分00000SMC MdSdMkSMM010001ksMCk CM微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 在晶體生長(zhǎng)過程中，若在晶體生長(zhǎng)過程中，若晶體中的初始雜質(zhì)濃度為晶體中的初始雜質(zhì)濃度為k0C0，則，則 （1）若）若k01，晶體中的，晶體中的雜質(zhì)濃度持續(xù)降低；雜質(zhì)濃度

9、持續(xù)降低； （3）若）若k01，晶體中的，晶體中的雜質(zhì)濃度均勻分布。雜質(zhì)濃度均勻分布。晶體的歸一化雜質(zhì)濃度與固化分?jǐn)?shù)間的函數(shù)關(guān)系晶體的歸一化雜質(zhì)濃度與固化分?jǐn)?shù)間的函數(shù)關(guān)系微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)有效分凝系數(shù)有效分凝系數(shù)selCkC 當(dāng)結(jié)晶速度大于雜質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散速度時(shí)，雜質(zhì)在界面附近熔體中堆積，形成濃度梯度 按照平衡分凝系數(shù)定義：0(0)slCkC 由于Cl(0)未知，為了描述界面附近雜質(zhì)濃度偏離對(duì)固相中的雜質(zhì)濃度的影響，引入有效分凝系數(shù)ke有效分凝系數(shù)有效分凝系數(shù)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 考慮熔

10、體表面存在一個(gè)厚度為的薄滯留層(只有拉出晶體才產(chǎn)生流動(dòng)),滯留層外雜質(zhì)濃度為Cl。滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度可用穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程描述22( )( )0d C xdC xDvdxdx(/)12( )evx DC xAA邊界條件：邊界條件：1、2、雜質(zhì)總量守恒，即界面處雜質(zhì)總流量為零。0( )(0)xlC xC0( )(0)0lsxdC xDCC vdx( )xlC xC微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)/(0)vDlslsCCeCC0/00(1)sevDlCkkCkk e實(shí)現(xiàn)均勻摻雜的方法實(shí)現(xiàn)均勻摻雜的方法:1、采用高拉晶速率、低旋轉(zhuǎn)速度生長(zhǎng)單晶：當(dāng)生長(zhǎng)參數(shù) 的值較大時(shí)，ke的值比k0大，甚

11、至能夠接近1。2、持續(xù)加入多晶硅生料，保持初始摻雜濃度不變。/vD微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)直拉法直拉法(CZ法法)生長(zhǎng)單晶的特點(diǎn)生長(zhǎng)單晶的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：所生長(zhǎng)單晶的直徑較大成本相對(duì)較低; 通過熱場(chǎng)調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化， 可較好控制電阻率徑向均勻性缺點(diǎn)：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的 影響，易引入氧碳雜質(zhì)，不易生長(zhǎng)高電阻率單晶 （含氧量通常10-40ppm)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)改進(jìn)直拉生長(zhǎng)法改進(jìn)直拉生長(zhǎng)法磁控直拉技術(shù)磁控直拉技術(shù)原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)坩堝內(nèi)的熔體施加磁 場(chǎng)，由于半導(dǎo)體熔體是良導(dǎo)體，在磁

12、場(chǎng)作用下受到與其運(yùn) 動(dòng)方向相反作用力，于是熔體的熱對(duì)流受到抑制。因而除 磁體外，主體設(shè)備如單晶爐等并無大的差別。優(yōu)點(diǎn)：1、減少溫度波動(dòng)； 2、減輕熔硅硅與坩堝作用； 3、使粘滯層厚度增大； 4、降低了缺陷密度和氧含量； 5、提高電阻分布的均勻性。 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)二二、懸浮區(qū)熔法（懸浮區(qū)熔法（FZ法）法）方法：方法： 依靠熔體的表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長(zhǎng)出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動(dòng)而進(jìn)行提純和生長(zhǎng)單晶。1、可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶，單晶純度較CZ 法高；2、無需坩堝、石墨托，污染少；3、FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：?jiǎn)尉е睆?/p>

13、不及CZ法微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)摻雜分布摻雜分布0edk SdSCAdxdxL 若多晶硅棒初始摻雜濃度為C0（w%），沿晶棒x處熔區(qū)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，晶體截面為A，硅比重為d，S為熔融內(nèi)的雜質(zhì)量。當(dāng)熔區(qū)移動(dòng)dx距離時(shí)，熔區(qū)頂端新增的雜質(zhì)量為C0 dAdx，晶體中的雜質(zhì)量為ke(Sdx/L)，則熔區(qū)中雜質(zhì)的變化量/01 (1)ek x LseCCk e000 xSdeSdSdxCAk S L整理、積分整理、積分微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)Float-zone processCzochralski process微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)

14、Czochralski processFloat-zone process微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)大面積高壓晶閘管：高阻、高均勻性晶片Step 1: 選用平均摻雜濃度遠(yuǎn)低于所需摻雜量的區(qū)熔硅片；Step 2: 用熱中子輻照處理303131141415SinSiP 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)1、初始材料三三、GaAs晶體生長(zhǎng)技術(shù)晶體生長(zhǎng)技術(shù)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)2、晶體生長(zhǎng)技術(shù)u 液封直拉法(Czochralski法) 熔融B2O3液封，高壓 (1atm)，石墨坩堝u Bridgman法（雙溫區(qū)閉管法）微電子技術(shù)工藝原理第二

15、章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)四、材料特征四、材料特征1、晶片整形、晶片整形u 去除仔晶和錠尾去除仔晶和錠尾u 外形研磨，確定晶錠直徑外形研磨，確定晶錠直徑u 研磨標(biāo)識(shí)面或槽，去頂晶錠的晶向和導(dǎo)電類型研磨標(biāo)識(shí)面或槽，去頂晶錠的晶向和導(dǎo)電類型u 切片切片u 晶片研磨晶片研磨u 晶片拋光晶片拋光u 清洗清洗u 裝入片盒裝入片盒微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)徑向研磨定位面研磨微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)晶面定向與晶面標(biāo)識(shí)晶面定向與晶面標(biāo)識(shí) 由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學(xué)性質(zhì)都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進(jìn)行切割，如雙極器件：111面; MOS器件

16、：100面。8” 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導(dǎo)電類型。（1）主參考面（主定位面，主標(biāo)志面） 作為器件與晶體取向關(guān)系的參考； 作為機(jī)械設(shè)備自動(dòng)加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；（2）次參考面（次定位面，次標(biāo)志面） 識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)8 ” (200mm) 以下以下Wafer8 ” (200mm)以上以上Wafer微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)(1) 切片切片 將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。切片決定了晶片的晶向、厚度、錐度、彎曲度4個(gè)參數(shù)，切片損耗占1/3。(2) 磨片磨片（

17、 Al2O3 和甘油混合物） 去除刀痕與凹凸不平；改善平整度；使硅片厚度一致(2m)；(3) 拋光拋光（機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光） 消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。切片、磨片、拋光切片、磨片、拋光微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)2、晶體表征、晶體表征缺陷的含義缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列

18、。實(shí)際晶體實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷晶體缺陷晶體缺陷微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)線缺陷（位錯(cuò)）線缺陷（位錯(cuò)） 在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二

19、維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò):在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 螺位錯(cuò)螺位錯(cuò):將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個(gè)類似于樓梯一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個(gè)類似于樓梯 拐角處拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在“剪開線剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò)附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò) 微電子技術(shù)工藝原理第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)面缺陷面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、