微電子工藝基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和晶圓制備課件

1第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備本章（4學(xué)時）目標(biāo)：1、摻雜半導(dǎo)體的兩種特性2、三種主要的半導(dǎo)體材料及其優(yōu)缺點3、N型和P型半導(dǎo)體材料在組成＆電性能方面的不同4、多晶和單晶的不同5、兩種重要的晶圓晶向示意圖6、常見晶體生長的方法7、晶圓制備的工藝流程1第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備本章（4學(xué)時）目標(biāo)：1、摻2第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料二、晶圓制備2第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體是人們將物質(zhì)按電學(xué)性質(zhì)進行分類時所賦予的一個名稱。我們通常把導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。常見的半導(dǎo)體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化硅等等。第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體是八月234第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*本征半導(dǎo)體2、**摻雜半導(dǎo)體3、***半導(dǎo)體材料八月234第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*5第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料1、本征半導(dǎo)體有兩類本征半導(dǎo)體：半導(dǎo)體元素硅和鍺化合物材料砷化鎵和磷化鎵定義：處于純凈的狀態(tài)而不是摻雜了其他物質(zhì)的半導(dǎo)體。5第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備6第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*本征半導(dǎo)體2、**摻雜半導(dǎo)體

（1）摻雜半導(dǎo)體的來源 （2）摻雜半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的區(qū)別 （3）載流子的遷移率3、***半導(dǎo)體材料6第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*本征半導(dǎo)體7第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料2、摻雜半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料在其本征狀態(tài)是不能用于固態(tài)元件的。解決辦法：摻雜工藝，把特定的元素引入到本征半導(dǎo)體材料中效果：提高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（1）摻雜半導(dǎo)體的來源7第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備8第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料2、摻雜半導(dǎo)體金屬：電阻率固定，改變電阻只有改變其形狀。只能通過電子的移動來導(dǎo)電，金屬永遠(yuǎn)是N型的。摻雜半導(dǎo)體的特性：A：通過摻雜濃度精確控制電阻率B：通過摻雜元素的選擇控制導(dǎo)電類型（電子N型或空穴P型導(dǎo)電）（2）摻雜半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的區(qū)別8第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備9第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料2、摻雜半導(dǎo)體（2）摻雜半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電的區(qū)別acceptor

donor9第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備微電子工藝基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和晶圓制備ppt課件11第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料2、摻雜半導(dǎo)體（3）載流子的遷移率從圖中可以看出：隨著摻雜濃度的提高，電阻率降低。移動一個電子或空穴所需的能量不同。由此推出：電子的遷移率比空穴的遷移率要高一些。11第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備12第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*本征半導(dǎo)體2、**摻雜半導(dǎo)體3、***半導(dǎo)體材料

（1）硅和鍺（兩種重要的半導(dǎo)體） （2）砷化鎵 （3）硅作為電子材料的優(yōu)勢12第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料1、*本征半導(dǎo)八月2313第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體材料（1）硅和鍺（兩種重要的半導(dǎo)體）雖然第一個晶體管使用Ge材料，但是Ge材料在工藝和性能上有一定的問題：Si材料很好的解決了上述問題：A：熔點相對比較低，937℃的熔點限制了某些高溫工藝B：缺少自然形成的氧化物，易漏電A：熔點1415℃，允許更高溫工藝B：二氧化硅薄膜很好的解決了漏電問題八月2313第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備14第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體材料（1）硅和鍺（兩種重要的半導(dǎo)體）

硅是微電子工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，占整個電子材料的95%左右，人們對它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是使用硅材料。14第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備15第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體材料（3）硅作為電子材料的優(yōu)勢A:原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；B:機械強度高；

C:比重小，密度只有2.33g/cm3；D:pn結(jié)表面易于生長ＳiＯ2，對結(jié)起到保護作用；G:導(dǎo)熱性好E:制備的單晶缺陷小；F:能夠制造大尺寸基片，硅片直徑已達16英寸；15第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備16第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體材料（2）砷化鎵常見到的半導(dǎo)體化合物有砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）以及磷砷化鎵（GaAsP），其中GaAs最常用的化合物半導(dǎo)體材料。A：GaAs的載流子遷移率高，適合于做超過吉赫茲的高速IC。例如：飛機控制和超高速計算機。B：對輻射所造成的漏電具有抵抗性，即GaAs是天然輻射硬化的。C：GaAs是半絕緣的。使臨近器件的漏電最小化，允許更高的封裝密度。16第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備17第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

一、半導(dǎo)體材料3、半導(dǎo)體材料（2）砷化鎵砷化鎵不會取代硅成為主流的半導(dǎo)體材料。原因：A：大多數(shù)產(chǎn)品不必太快。B：砷化鎵同Ge一樣沒有天然的氧化物，必須淀積多層絕緣層

工藝時間加長。C：GaAs含有對人類有害的砷元素，處理增加成本。D：砷化鎵的生產(chǎn)工藝比硅落后17第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備18第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料二、晶圓制備18第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備一、半導(dǎo)體材料19第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備二、晶圓制備1、*結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)

（1）概述 （2）晶體缺陷 （3）晶向2、***晶圓制備19第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備二、晶圓制備1、*結(jié)晶學(xué)和晶20第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)微電子業(yè)常用單晶硅（如硅片、外延層）和多晶硅（如薄膜）。硅片是高度完美的單晶，但也存在缺陷。晶體缺陷對微電子工藝有多方面的影響硅是四族元素，金剛石結(jié)構(gòu)。在本征半導(dǎo)體中晶胞是不規(guī)則排列的，稱為多晶，晶胞間整潔而規(guī)則的排列才是單晶結(jié)構(gòu)（1）概述20第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生硅晶體結(jié)構(gòu)的特點

晶胞一、基本概念晶格：晶體中原子的周期性排列稱為晶格。晶胞：晶體中的原子周期性排列的最小單元，用來代表整個晶格，將此晶胞向晶體的四面八方連續(xù)延伸，即可產(chǎn)生整個晶格。硅晶體結(jié)構(gòu)的特點晶胞一、基本概念晶格：晶體中原子的周期性晶格常數(shù)：晶胞與晶格的關(guān)系可用三個向量a、b及c來表示，它們彼此之間不需要正交，而且在長度上不一定相同，稱為晶格常數(shù)。單晶體：整個晶體由單一的晶格連續(xù)組成的晶體。多晶體：由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無規(guī)則地堆積而成的晶體。晶格常數(shù)：晶胞與晶格的關(guān)系單晶體：整個晶體由單一的晶格連簡單立方晶格：在立方晶格的每一個角落，都有一個原子，且每個原子都有六個等距的鄰近原子。長度a稱為晶格常數(shù)。在周期表中只有钚(polonium)屬于簡單立方晶格。體心立方晶格：除了角落的八個原子外,在晶體中心還有一個原子。在體心立方晶格中，每一個原子有八個最鄰近原子。鈉(sodium)及鎢(tungsten)屬于體心立方結(jié)構(gòu)。xzyxz二、三種立方晶體原胞簡單立方晶格：在立方晶格的每一個角落，都有一個原子，且xzy面心立方晶格:除了八個角落的原子外，另外還有六個原子在六個面的中心。在此結(jié)構(gòu)中，每個原子有12個最鄰近原子。很多元素具有面心立方結(jié)構(gòu)，包括鋁(aluminum)、銅(copper)、金(gold)及鉑(platinum)。z面心立方晶格:除了八個角落的原子外，另外還有六個原子在z

共價四面體一、硅的晶胞

處在立方體頂角和面心的原子構(gòu)成一套面心立方格子，處在體對角線上的原子也構(gòu)成一套面心立方格子。因此可以認(rèn)為硅晶體是由兩套面心立方格子沿體對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成的。這種晶胞稱為金剛石型結(jié)構(gòu)的立方晶胞，如下圖所示。共價四面體一、硅的晶胞處在立方體頂角和面心的金剛石型結(jié)構(gòu)特點：每個原子周圍都有四個最近鄰的原子，組成一個正四面體結(jié)構(gòu)。這四個原子分別處在正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻一個價電子為該兩個原子所共有，組成四個共價鍵，它們之間具有相同的夾角（鍵角）109°28′。二、共價四面體金剛石型結(jié)構(gòu)特點：二、共價四面體金剛石型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞是立方對稱的晶胞，可以看成是兩個面心立方晶胞沿立方體的空間對角線互相位移了1／4的空間對角線長度套構(gòu)而成的。原子在晶胞中排列的情況是：八個原子位于立方體的八個角頂上，六個原子位于六個面中心上，晶胞內(nèi)部有四個原子。立方體頂角和面心上的原子與這四個原子周圍情況不同，所以它是由相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格。晶格常數(shù)

Si：a=5.65754?

Ge：a=5.43089?金剛石型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞晶格常數(shù)例題：

硅在300K時的晶格常數(shù)a為5.43?。請計算出每立方厘米體積中的硅原子數(shù)及常溫下的硅原子密度。解：每個晶胞中有8個原子，晶胞體積為a3，每個原子所占的空間體積為，因此每立方厘米體積中的硅原子數(shù)為：1/a3/8=8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（個原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子數(shù)×每摩爾原子質(zhì)量/阿伏伽德羅常數(shù)=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3

原子密度例題：解：每個晶胞中有8個原子，晶胞體積為a3，每個原子所例題:

假使將圓球放入一體心立方晶格中，并使中心圓球與立方體八個角落的圓球緊密接觸，試計算出這些圓球占此體心立方晶胞的空間比率。

圓球半徑定義為晶體中最小原子間距的一半，即。yxz

晶體內(nèi)部的空隙解：球的體積為：每個硅原子在晶體內(nèi)所占的空間體積為：則空間利用率為：空隙為66%

例題:假使將圓球放入一體心立方晶格中，并使中心圓球與立方體晶向、晶面和堆積模型晶向一、晶列晶體晶格中的原子被看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。同一晶體中存在許多取向不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情況一般是不同的。二、晶向

1.定義：表示一族晶列所指的方向。晶向、晶面和堆積模型晶向一、晶列晶體晶格中的原子被看2.晶向指數(shù)

以簡單立方晶格原胞的三個邊作為基矢x，y，z，并以任一格點作為原點，則其它所有格點的位置可由矢量：給出，其中l(wèi)1、l2、l3為任意整數(shù)。而任何一個晶列的方向可由連接晶列中相鄰格點的矢量：的方向來標(biāo)記，其中m1、m2、m3必為互質(zhì)的整數(shù)。若m1、m2、m3不為互質(zhì)，那么這兩個格點之間一定還包含有格點。對于任何一個確定的晶格來說，x，y，z是確定的，實際上只用這三個互質(zhì)的整數(shù)m1、m2、m3來標(biāo)記晶向，一般寫作[m1、m2、m3]，稱為晶向指數(shù)。2.晶向指數(shù)以簡單立方晶格原胞的三個邊作為基矢x3.硅晶體不同晶向上的原子分布情況3.硅晶體不同晶向上的原子分布情況

晶面一、定義晶體晶格中的原子被看作是處在一系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為晶面。通過任何一個晶列都存在許多取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情況一般是不同的。二、米勒指數(shù)

用相鄰的兩個平行晶面在矢量x，y，z的截距來標(biāo)記，它們可以表示為x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3為互質(zhì)的整數(shù)或負(fù)整數(shù)。通常就用h1、h2、h3來標(biāo)記晶面，稱它們?yōu)榫嬷笖?shù)(或米勒指數(shù))。晶面一、定義晶體晶格中的原子被看作是處在一系列彼此關(guān)于米勒指數(shù)的一些其他規(guī)定：()：代表在x軸上截距為負(fù)的平面，如{hkl}：代表相對稱的平面群，如在立方對稱平面中，可用{100}表示(100)，(010)，(001)，，，六個平面。[hkl]：代表一晶體的方向，如[100]方向定義為垂直于(100)平面的方向，即表示x軸方向。而[111]則表示垂直于(111)平面的方向。<hkl>：代表等效方向的所有方向組，如<100>代表[100]、[010]、[001]、

、

、

六個等效方向的族群。

關(guān)于米勒指數(shù)的一些其他規(guī)定：三、立方晶系的幾種主要晶面三、立方晶系的幾種主要晶面四、硅的常用晶面上的原子分布四、硅的常用晶面上的原子分布37第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（2）晶體缺陷*①定義②晶體缺陷的影響半導(dǎo)體器件需要高度完美的晶體，但是，即使使用了最成熟的技術(shù)，完美的晶體還是得不到的。不完美叫做晶體缺陷。A：生長出不均勻的二氧化硅膜B：淀積的外延膜質(zhì)量差C：摻雜層不均勻D：在完成的器件中引起有害的漏電流，導(dǎo)致器件不能正常工作。37第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生38第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（2）晶體缺陷*③3類重要的晶體缺陷A：點缺陷形成原因—晶體里雜質(zhì)原子擠壓晶體結(jié)構(gòu)引起的應(yīng)力所致B：位錯（單晶里一組晶胞排錯位置）形成原因—晶體生長條件、晶體內(nèi)的晶格應(yīng)力、制造過程中的物理損壞本征堆垛層錯非本征堆垛層錯替位雜質(zhì)空位Frenkel填隙雜質(zhì)38第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生39第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（2）晶體缺陷*③3類重要的晶體缺陷C：原生缺陷常見有滑移（晶體平面產(chǎn)生的晶體滑移）和攣晶（同一界面生長出兩種不同方向的晶體），二者是晶體報廢的主要原因。39第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生40第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（2）晶體缺陷*④缺陷的去除器件有源區(qū)的缺陷（晶體管所在位置）影響器件性能，必須設(shè)法減少：單晶生長時的工藝控制；非本征吸雜，在無源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)來吸雜；本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中氧淀積有吸雜作用，是一種本征吸雜。40第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生41第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（3）晶向（用密勒指數(shù)表示）****A：硅晶圓中最常使用的晶向是<100>和<111><100>晶向的晶圓用來制造MOS器件和電路<111>晶向的晶圓用來制造雙極性器件和電路砷化鎵晶體只能沿<100>晶向進行切割41第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生42第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生長和晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)（3）晶向（用密勒指數(shù)表示）****B：當(dāng)晶圓沿晶向破碎時42第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、單晶的生43第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備二、晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)2、晶圓制備

（1）獲取多晶 （2）晶體生長（3）硅片制備43第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備二、晶圓制備1、結(jié)晶學(xué)和晶體44第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備硅晶圓制備的四個階段（對應(yīng)于芯片制造的前兩個階段）A：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變（石英砂冶煉制粗硅）B：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變（拉單晶、晶體生長）

D：晶棒到晶圓的制備

芯片制造的第一階段：材料準(zhǔn)備芯片制造的第二階段：晶體生長和晶圓制備44第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備45第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（1）獲取多晶①冶煉SiO2+C→Si+CO↑得到的是冶金級硅，主要雜質(zhì)：Fe、Al、C、B、P、Cu要進一步提純。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。45第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備46第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（1）獲取多晶③精餾提純將酸洗過的硅轉(zhuǎn)化為SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好處：常溫下SiHCl3

與SiCl4都是氣態(tài)，SiHCl3的沸點僅為31℃精餾獲得高純的SiHCl3或SiCl446第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備47第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（1）獲取多晶④還原

多用H2來還原SiHCl3或SiCl4得到半導(dǎo)體純度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氫氣易于凈化，且在Si中溶解度極低47第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備48第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長定義:把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。按制備時有無使用坩堝分為兩類：有坩堝的：直拉法、磁控直拉法液體掩蓋直拉法；無坩堝的：懸浮區(qū)熔法。48第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備49第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長①直拉法—Czochralski法（CZ法）方法在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，用一個夾頭夾住一塊適當(dāng)晶向的籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時在液-固界面經(jīng)過逐漸冷凝就形成了單晶。起源1918年由Czochralski（恰克拉斯基法

）從熔融金屬中拉制細(xì)燈絲，50年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶硅，這是生長單晶硅的主流技術(shù)。49第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備50①直拉法-Czochralski法（CZ法）第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長50①直拉法-Czochralski法（CZ法）第2章半導(dǎo)51（2）晶體生長①直拉法（CZ法）三部分組成：爐體部分，有坩堝、水冷裝置和拉桿等機械傳動裝置

；加熱控溫系統(tǒng)，有光學(xué)高溫計、加熱器、隔熱裝置等；真空部分，有機械泵、擴散泵、測真空計等。

第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長51（2）晶體生長①直拉法（CZ法）三部分組成：爐體部分，有52①直拉法（CZ法）單晶爐第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長52①直拉法（CZ法）單晶爐第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備53①直拉法-Czochralski法（CZ法）CZ法工藝流程準(zhǔn)備

腐蝕清洗多晶→籽晶準(zhǔn)備→裝爐→真空操作

開爐

升溫→水冷→通氣生長

引晶→縮晶→放肩→等徑生長→收尾停爐 降溫→停氣→停止抽真空→開爐第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長53①直拉法-Czochralski法（CZ法）CZ法工藝流54①直拉法（CZ法）CZ法工藝流程——生長部分的步驟引晶

將籽晶與熔體很好的接觸?？s晶在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細(xì)部分直徑只有2-3mm，獲得完好單晶。放肩將晶體直徑放大至需要的尺寸。等徑生長拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動拉制出等徑單晶。直徑大小由拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及溫度控制。收尾結(jié)束單晶生長。第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長54①直拉法（CZ法）CZ法工藝流程——生長部分的步驟引晶55第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長①直拉法（CZ法）Si棒頭部放大55第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備微電子工藝基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和晶圓制備ppt課件57第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長②液體掩蓋直拉法（LEC法）液體掩蓋直拉法用來生長砷化鎵晶體。本質(zhì)上它和標(biāo)準(zhǔn)的直拉法（CZ）一樣，為砷化鎵做了一定改進。液體掩蓋直拉法使用一層氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發(fā)。57第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備58第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長③區(qū)熔法直拉法的一個缺點：坩堝中的氧進入晶體。對于有些器件，高水平的氧是不能接受的。懸浮區(qū)熔法是一種無坩堝的晶體生長方法，多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅連續(xù)通過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的界面處生長單晶。熔區(qū)的存在是由于融體表面張力的緣故，懸浮區(qū)熔法沒有坩堝的污染，因此能生長出無氧的，純度更高的單晶硅棒。58第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備59第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長③區(qū)熔法區(qū)熔法裝置59第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備微電子工藝基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和晶圓制備ppt課件61第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長④直拉法和區(qū)熔法的比較61第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備62第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑤硅棒舉例（北京有色金屬總院）12英寸，等徑長400mm，晶體重81Kg。62第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備微電子工藝基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料和晶圓制備ppt課件64第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑥摻雜直拉法摻雜是直接在坩堝內(nèi)加入含雜質(zhì)元素的物質(zhì)。

摻雜元素的選擇摻雜方式雜質(zhì)分布

64第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備65第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑥摻雜雜質(zhì)類型的選擇A：摻雜元素的選擇硼、磷P-型摻雜、N型摻雜65第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備66第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑥摻雜液相摻雜直接摻元素母合金摻雜氣相摻雜中子輻照（NTD）摻雜—中子嬗變摻雜技術(shù)。B：摻雜方式66第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備67第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑥摻雜將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金），再按所需的計量摻入合金。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。B2：母合金摻雜B1：直接摻雜在晶體生長時，將一定量的雜質(zhì)原子加入熔融液中，以獲得所需的摻雜濃度67第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備68第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（2）晶體生長⑥摻雜硅有三種同位素：28Si92.2%,29Si4.7%,30Si3.0%，其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象：

30Si31Si+α31Si31P+β31P是穩(wěn)定的施主雜質(zhì)，對單晶棒進行中子輻照，就能獲得均勻的n型硅。B2：中子輻照（NTD）摻雜68第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備69第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備C、摻雜分布

由于晶體是從熔融液中拉出來的，混合在單晶（固體）中的摻雜濃度和在固體-液體界面處的熔融液（液體）中是不同的。當(dāng)晶體生長時，所摻雜的雜質(zhì)會持續(xù)不斷地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比摻雜擴散或攪動而產(chǎn)生的傳送速率高時，在界面處就會有濃度梯度產(chǎn)生。分凝系數(shù)平衡分凝系數(shù)有效分凝系數(shù)69第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備70第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備

平衡分凝系數(shù)其中：和分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度。絕大多數(shù)平衡分凝系數(shù)都小于1。說明隨著晶體的生長，熔融液中的摻雜濃度會越來越高C、摻雜分布70第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備71第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備平衡分凝系數(shù)假設(shè)從一熔融液中生長晶體，熔融液的初始重量為M0，其初始摻雜濃度為C0（每克熔融液所摻雜的重量）。在生長過程中，假設(shè)已生長成晶體的重量為M，依然留在熔融液中的摻雜數(shù)量（以重量表示）為S。當(dāng)晶體增加dM的重量，對應(yīng)熔融液中所減少的摻雜重量（-dS）為此時熔融液中所剩重量為M0-M，熔融液中摻雜濃度（以重量表示）為71第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備72第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備

將代入得若初始摻雜重量為C0M0，我們可以對上式積分：解方程得：

在晶體生長過程中，晶體中初始的摻雜濃度為k0C0,如果k0<1，摻雜濃度將會持續(xù)增加；當(dāng)k0>1時，摻雜濃度將會持續(xù)減少；當(dāng)k0≈1時，可以獲得均勻的摻雜濃度分布。72第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備73第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備例題：一個用直拉法所生長的硅錠，應(yīng)在熔融液中摻入多少硼原子，才能使其每立方厘米包含1016個硼原子？假設(shè)開始在坩堝里有60kg的硅，若要達到上述摻雜濃度應(yīng)該加入多少克硼（硼的摩爾質(zhì)量為10.8g）？已知熔融硅的密度為2.53g/cm3,摻硼時的平衡分凝系數(shù)k0=0.8解：假設(shè)在整個晶體生長過程中則硼原子在熔融硅中的初始濃度為因為硼原子的濃度是如此之小，所以加料后熔融液的體積可用硅的重量來計算，因此，60kg熔融液的體積為則硼原子在熔融液中的總數(shù)為所以需摻硼的重量為73第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備74第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備有效分凝系數(shù)ke

濃度梯度產(chǎn)生與熔融液中摻雜的擴散系數(shù)D，和單晶生長速率γ有關(guān)，因此，要想使晶錠獲得均勻的摻雜分布，可通過較高的拉晶速率和較低的旋轉(zhuǎn)速率而得到（也就是使ke

0）。另一種方法是單晶生長過程中持續(xù)不斷地向熔融液中添加高純度的多晶硅，使熔融液初始的摻雜濃度維持不變（因為一般情況下，Cs<Cl）當(dāng)晶體生長時，所摻雜的雜質(zhì)會持續(xù)不斷地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比摻雜擴散或攪動而產(chǎn)生的傳送速率高時，在界面處就會有濃度梯度產(chǎn)生。74第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備75第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（3）硅片制備晶體準(zhǔn)備（直徑滾磨、晶體定向、導(dǎo)電類型檢查和電阻率檢查）→切片→研磨→化學(xué)機械拋光（CMP）→背處理→雙面拋光→邊緣倒角→拋光→檢驗→氧化或外延工藝→打包封裝硅片制備工藝流程（從晶棒到空白硅片）：75第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備76第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（3）硅片制備直徑滾磨晶體定向是由x射線衍射或平行光衍射儀來確定的76第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備77第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（3）硅片制備導(dǎo)電類型的測試：熱點測試儀＆極性儀電阻率的測量：四探針測試儀電阻率的測量要沿著晶體的軸向進行①晶體準(zhǔn)備77第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備78第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備2、晶圓制備（3）硅片制備②如何根據(jù)參考面辨別晶向和導(dǎo)電類型78第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備79第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓制備研磨→背處理→79第2章半導(dǎo)體材料和晶圓制備

二、晶圓