半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料制備

Chapter8Semiconductor

第八章

半導(dǎo)體材料制備

半導(dǎo)體器件和集成電路的基本結(jié)構(gòu)是各種半導(dǎo)體薄層材料所形成的pn結(jié)。薄層pn結(jié)是在用一定規(guī)格的單晶加工成具有一定厚度和加工質(zhì)量的單晶襯底上采用外延（或離子注入等）技術(shù)制備的。制作襯底的單晶（在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上尺度較大）叫做體單晶。質(zhì)量參數(shù)：晶向、導(dǎo)電類型、直徑、載流子濃度和遷移率、缺陷密度平整度、彎曲度、表面光潔度半導(dǎo)體材料制備的基本問題是晶體生長(zhǎng)問題。Chapter8Semiconductor

主要內(nèi)容8.1體單晶生長(zhǎng)8.2晶片加工8.3擴(kuò)散、離子注入和外延生長(zhǎng)Chapter8Semiconductor

8.1體單晶生長(zhǎng)一、熔體生長(zhǎng)過程熔體生長(zhǎng)過程是一種液相—固相的相變過程。在這一過程中，原子（或分子）由隨即堆積的排列（無(wú)序）直接轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕?。系統(tǒng)放出結(jié)晶潛熱L以降低系統(tǒng)自由能，兩相自由能差值為結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力。1、結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力△G：兩相自由能差Tc：液、固相平衡溫度△T=Tc-T（實(shí)際溫度）：熔體過冷度L：結(jié)晶潛熱，通過晶體向周圍傳輸或輻射而導(dǎo)走，以維持一定過冷度，否則△T越來(lái)越小，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力越來(lái)越小。2.雜質(zhì)的分凝效應(yīng)單晶生長(zhǎng)過程中，雜質(zhì)（溶質(zhì)）在液、固兩相中的濃度不同，這就是分凝效應(yīng)。平衡分凝系數(shù)：固相雜質(zhì)濃度液相雜質(zhì)濃度k0﹤1時(shí)，雜質(zhì)向熔體富集；k0＞1，耗盡P310半導(dǎo)體晶體中雜質(zhì)的分凝系數(shù)Si中：B0.8Al0.003P0.35As0.3Ge中：B17.2Al0.73P0.08As0.02可進(jìn)行區(qū)熔提純材料的電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系：正常凝固的雜質(zhì)分布：如果要拉w克單晶，則所需加入雜質(zhì)量m為：

d密度No阿伏伽德羅常數(shù)A摩爾質(zhì)量K分凝系數(shù)g=1/23.組分過冷重?fù)诫s情況下，且K＜1，生長(zhǎng)過程中雜質(zhì)不斷“排”向熔體，使熔體中雜質(zhì)濃度越來(lái)越高，從而造成熔體內(nèi)部的過冷度大于擴(kuò)散層附近熔體過冷度，，而且離固液界面越遠(yuǎn)，過冷度越大，這將使固液界面不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致枝蔓生長(zhǎng)。降低雜質(zhì)濃度，提高溫度梯度，降低結(jié)晶速度，防止發(fā)生組分過冷由砂即（二氧化硅）開始，經(jīng)由電弧爐的提煉還原成

冶煉級(jí)的硅，再經(jīng)由鹽酸氯化，產(chǎn)生三氯化硅，經(jīng)蒸餾純化后，透過慢速分

解過程，制成棒狀或粒狀的多晶硅。4、多晶硅5、生長(zhǎng)方式Chapter8Semiconductor

垂直水平直拉法（CZ）磁控直拉法（MCZ）液體覆蓋蓋直拉法（LEC）蒸氣控制直拉法（VCZ）懸浮區(qū)熔法（FZ）垂直梯度凝固法（FZ）垂直布里奇曼法（VB）水平布里奇曼法（HB）Chapter8Semiconductor

二、直拉法又稱提拉法（CZ），切克勞斯基法。波蘭科學(xué)家切克勞斯基于1918年發(fā)明?；驹碜丫U及其傳動(dòng)組件；坩堝桿及其傳動(dòng)組件；進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)；功率加熱系統(tǒng)；直徑自動(dòng)控制系統(tǒng)。Chapter8Semiconductor

盛于（石英）坩堝中多晶硅被（電阻）加熱熔化，待其溫度在熔點(diǎn)附近并穩(wěn)定后，將籽晶浸入熔體，并與其熔接好后以一定速度向上提拉籽晶（同時(shí)旋轉(zhuǎn)）引出晶體（即引晶）。生長(zhǎng)一定長(zhǎng)度的細(xì)頸（細(xì)頸以防籽晶中位錯(cuò)延伸到晶體中），經(jīng)過“放肩”，“轉(zhuǎn)肩”（晶體逐漸長(zhǎng)大到所需直徑），等（直）徑生長(zhǎng)，收尾，降溫，就完成一根單晶錠的拉制。熔化引晶放晶轉(zhuǎn)晶Chapter8Semiconductor

最大生長(zhǎng)速度L：結(jié)晶潛熱ρ：晶體密度ks：晶體熱導(dǎo)率：晶體中縱向溫度梯度溫度梯度↑，fmax↑，生產(chǎn)效率↑；溫度梯度↑，晶體內(nèi)熱應(yīng)力↑，位錯(cuò)↑；實(shí)際采用的生長(zhǎng)速度低于最大生長(zhǎng)速度。單晶生長(zhǎng)中的基本問題：熔體中的對(duì)流A：晶轉(zhuǎn)引起的對(duì)流；B：坩堝引起的對(duì)流；C：浮力引起的對(duì)流；鍋壁與熔體中心的溫差所造成。CBBA在生產(chǎn)實(shí)踐中，晶轉(zhuǎn)的速度比鍋轉(zhuǎn)快1-3倍，這種反向轉(zhuǎn)動(dòng)使熔體中心區(qū)與外圍區(qū)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在固液界面下形成“泰勒柱”區(qū)域，它阻礙熔體中雜質(zhì)擴(kuò)散，形成一相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，有利于晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)。所生長(zhǎng)的晶體的直徑越大，坩堝越大，對(duì)流越強(qiáng)烈，引起湍流、溫度波動(dòng)，造成晶體局部回熔，從而導(dǎo)致晶體內(nèi)產(chǎn)生缺陷。所以大直徑單晶生長(zhǎng)，熔體中的對(duì)流對(duì)晶體質(zhì)量影響很大。生長(zhǎng)界面形狀平坦、凸向熔體、凹向熔體在引晶、放晶階段，界面凸向熔體；在單晶等徑生長(zhǎng)后，界面先變平再凹向熔體；在晶體生長(zhǎng)過程中，通過調(diào)整晶體的拉晶速度、晶轉(zhuǎn)和鍋轉(zhuǎn)速度可調(diào)整界面形狀。生長(zhǎng)過程中各階段生長(zhǎng)條件的差異整個(gè)晶錠從頭到尾經(jīng)歷不同熱歷史，頭部受熱時(shí)間最長(zhǎng)，尾部最短，造成單晶軸向、徑向雜質(zhì)分布不均勻。三、磁控直拉法（MCZ）在CZSi單晶中，氧含量及其分布（均勻性）是非常重要而又難以控制的參數(shù)，這主要是熔體中的熱對(duì)流加劇了熔體Si與石英坩堝的作用，使坩堝中的氧、硼、鋁等雜質(zhì)易于進(jìn)入熔體和晶體。熱對(duì)流還會(huì)引起固液相附近熔體中溫度波動(dòng)，導(dǎo)致晶體中缺陷形成。對(duì)熔體施加磁場(chǎng)，由于半導(dǎo)體熔體都是良導(dǎo)電性，在磁場(chǎng)作用下會(huì)受到與其運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力，于是阻礙熔體中的對(duì)流，相當(dāng)于增大熔體粘滯性。改進(jìn)：減小熔體中的溫度波動(dòng)；10℃---1℃降低單晶中的缺陷密度；減小雜質(zhì)并入，提高晶體純度；提高雜質(zhì)的縱向分布均勻性。MCZ法主要用于制備大直徑（200mm以上）硅單晶。四、液體覆蓋直拉法（LEC）用于制備多種含揮發(fā)性組員的化合物半導(dǎo)體單晶GaAs、InP。1962年梅茨發(fā)明。用一種惰性液體（覆蓋劑B2O3）覆蓋著被拉制材料的熔體，生長(zhǎng)室內(nèi)沖入惰性氣體，使其壓力大于熔體的離分壓力，以抑制熔體中揮發(fā)性組元的蒸發(fā)損失，然后按CZ拉制。覆蓋劑必須滿足的條件：密度小于所拉制材料，使之能浮于熔體表面；對(duì)人體和坩堝在化學(xué)上必須是惰性的，不能與熔體混合，但必須浸潤(rùn)晶體及坩堝；熔點(diǎn)要低于被拉制材料的熔點(diǎn)，且蒸氣壓很低；有較高純度，熔融狀態(tài)下透明。B2O3：

密度1.8g/cm2、軟化點(diǎn)450℃、

1300℃時(shí)蒸氣壓13Pa、透明度好、粘滯性好五、懸浮區(qū)熔技術(shù)（FZ）用于提純和生長(zhǎng)硅單晶。依靠熔體的表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶硅棒與下方生長(zhǎng)出的單晶之間，通過熔區(qū)向上移動(dòng)而進(jìn)行提純和生長(zhǎng)單晶。無(wú)坩堝生長(zhǎng)技術(shù)P-319六、水平布里奇曼技術(shù)（HB）用于大批量生產(chǎn)光電器件用低組率GaAs單晶。高溫區(qū)：高于GaAs熔點(diǎn)，維持熔融狀態(tài)；低溫區(qū)：防止As揮發(fā)損失；中溫區(qū)：調(diào)整固液界面附件溫度梯度，并抑制石英舟污染合格的單晶錠要成為制備外延材料（或離子注入）的襯底，必須經(jīng)過一系列化學(xué)機(jī)械加工。加工質(zhì)量決定單晶錠使用價(jià)值。晶片加工時(shí)半導(dǎo)體制備中的重要環(huán)節(jié)。其主要工序有：8.2晶片加工單晶錠（確）定（晶）向外圓研磨（滾圓）、

磨出參考面清洗、腐蝕磨片倒角清洗切片拋光清洗、擦片檢驗(yàn)、包裝一、切片切片要按所要求的晶片的晶向用X射線衍射或光圖定向法對(duì)晶錠準(zhǔn)確“定向”，對(duì)晶體進(jìn)行外圓研磨，即精整晶錠外形，使其成為更等徑的圓柱體，并同時(shí)磨出參考面。切片方法有內(nèi)圓切片和線切割法。二、倒角經(jīng)切片加工所的晶片四周與側(cè)面成直角，易于在其后的工序中產(chǎn)生崩邊、破裂；必須將其邊緣磨圓成一定的曲面，即倒角。三、磨片磨片的目的是磨去晶片表面的切割刀痕好切割損傷層，提高晶片表面的平整度好兩面的平行度以及同一批次晶片厚度的一致性。四、腐蝕腐蝕可除去磨片時(shí)造成的表面損傷層，減小晶片表面的拋光量，暴露出磨片過程中造成的表面劃痕等缺陷。Si常用酸性腐蝕劑：HNO3+HF常用堿性腐蝕劑：KOH水溶液五、拋光拋光是晶片加工中一道非常關(guān)鍵的工序。一般采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)使晶片成為表面平整、無(wú)損傷的鏡片。晶片被貼在（用蠟或不用蠟）拋光鉈上，欲拋光的表面與拋光布接觸，采用堿性（NaOH）SiO2膠體化學(xué)機(jī)械拋光，晶片表面首先與分散在拋光布上的拋光液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：六、清洗在前序過程中，由于物理或化學(xué)吸附作用，可能使晶片表面受到某些有機(jī)物、金屬離子、灰塵、顆粒的沾污，必須通過清洗，且在“超凈”環(huán)境下進(jìn)行，得到合格的拋光片。七、晶片的幾何參數(shù)和參考面幾何參數(shù)：直徑、厚度、總厚度變化、彎曲度、平整度參考面：晶錠滾圓后統(tǒng)一加工好的。半導(dǎo)體器件制造過程中的晶片自動(dòng)操作設(shè)備要依靠對(duì)“主參考面”的識(shí)別和定位獲得精確套準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)8.3擴(kuò)散、離子注入和

外延生長(zhǎng)晶圓本身的晶體質(zhì)量還是不能滿足某些器件的要求。橫向晶體管刨面圖CBENPPNPP+P+PP縱向晶體管刨面圖CBENPCBENPN+p+NPNPNPNPN晶體管刨面圖ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+一、擴(kuò)散二、離子注入1928年羅耶提出：襯底的晶體結(jié)構(gòu)延續(xù)到在它上面所生