西電集成電路制造技術(shù)第一章 襯底制備

第一章襯底制備主講：毛維西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院第一章襯底制備1.1襯底材料1.1.1襯底材料的類型1.元素半導(dǎo)體Si、Ge、C〔金剛石〕2.化合物半導(dǎo)體GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTe3.絕緣體藍(lán)寶石表1周期表中用作半導(dǎo)體的元素 Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期 Hg Pb 元素半導(dǎo)體Si：①占地殼重量20%-25%；②單晶直徑最大，目前16英吋〔400mm〕,每3年增加1英寸；③SiO2作用:掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣介質(zhì)〔多層布線〕、絕緣柵、MOS電容的介質(zhì)材料；④多晶硅〔Poly-Si〕：柵電極、雜質(zhì)擴(kuò)散源、互連線〔比鋁布線靈活〕；元素半導(dǎo)體第一章襯底制備1.1.2對(duì)襯底材料的要求1.導(dǎo)電類型：N型與P型都易制備；2.電阻率：10-3–108Ω·cm，且均勻性好〔縱向、橫向、微區(qū)〕、可靠性高〔穩(wěn)定、真實(shí)〕；3.壽命〔少數(shù)載流子〕：晶體管—長(zhǎng)壽命；開(kāi)關(guān)器件—短壽命；4.晶格完整性：無(wú)位錯(cuò)、低位錯(cuò)〔<1000個(gè)/cm2〕；第一章襯底制備1.2單晶的制備1.2.1直拉法〔CZ法〕1.拉晶儀構(gòu)成：①爐體②拉晶裝置③環(huán)境控制④電子控制及電源系統(tǒng)柴可拉斯基拉晶儀1.拉晶儀①爐體石英坩堝：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拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶〔單晶〕；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；③環(huán)境控制真空系統(tǒng)：氣路系統(tǒng)：提供惰性氣體；排氣系統(tǒng)：④電子控制及電源系統(tǒng)2.拉晶過(guò)程例，2.5及3英寸硅單晶制備①

熔硅調(diào)節(jié)坩堝位置；本卷須知：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)；②

引晶〔下種〕籽晶預(yù)熱：位置---熔硅上方；目的---防止對(duì)熱場(chǎng)的擾動(dòng)太大；與熔硅接觸：溫度太高---籽晶熔斷；溫度太低---過(guò)快結(jié)晶；適宜溫度--籽晶與熔硅可長(zhǎng)時(shí)間接觸，既不會(huì)進(jìn)一步融化，也不會(huì)生長(zhǎng)；2.拉晶過(guò)程③收頸

目的：抑制位錯(cuò)從籽晶向晶體延伸；直徑：2-3mm；長(zhǎng)度：>20mm；拉速：3.5mm/min

④放肩溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；2.拉晶過(guò)程⑤收肩當(dāng)肩部直徑比所需直徑小3-5mm時(shí)，提高拉速：拉速：2.5mm/min；⑥等徑生長(zhǎng)拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在溫度場(chǎng)保持相對(duì)固定；⑦收尾熔硅料為1.5kg時(shí)，停止坩堝跟蹤。1.2.2懸浮區(qū)熔法〔float-zoneFZ法〕1.2單晶的制備1.2單晶的制備1.2.2懸浮區(qū)熔法特點(diǎn)：

①可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶；②無(wú)需坩堝、石墨托，污染少，純度較CZ法高；③

FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點(diǎn)：

單晶直徑不及CZ法。1.2單晶的制備1.2.3水平區(qū)熔法〔布里吉曼法〕--GaAs單晶1.3襯底制備襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工。1.3.1晶體定向晶體具有各向異性器件一般制作在不同米勒指數(shù)面的晶片上，如雙極器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶體定向的方法1.光圖像定向法〔參考李乃平〕①腐蝕：要定向的晶面經(jīng)研磨、腐蝕，晶面上出現(xiàn)許多由低指數(shù)小平面圍成、與晶面具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的小腐蝕坑；②光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對(duì)稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。1.3.1晶體定向2.X射線衍射法方法：勞埃法；轉(zhuǎn)動(dòng)晶體法；原理：①入射角θ應(yīng)滿足：nλ=2dsinθ；②晶面米勒指數(shù)h、k、l應(yīng)滿足：h2+k2+l2=4n-1〔n為奇數(shù)〕；h2+k2+l2=4n〔n為偶數(shù)〕。1.3.2晶面標(biāo)識(shí)原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開(kāi)；硅單晶的解理面：{111}

；1.主參考面〔主定位面，主標(biāo)志面〕①起識(shí)別劃片方向作用；②作為硅片〔晶錠〕機(jī)械加工定位的參考面；③作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；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1.3.2晶面標(biāo)識(shí)1.3.2晶面標(biāo)識(shí)1.3.3晶片加工切片、磨片、拋光1.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。切片根本決定了晶片的晶向、平行度、彎曲度，切片損耗占1/3。1.3.3晶片加工1.3.3晶片加工2.磨片目的：①

使各片厚度一致；②

使各硅片各處厚度均勻；③

改善平整度。

磨料：①

要求：其硬度大于硅片硬度。②

種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等1.3.3晶片加工3.拋光目的：進(jìn)一步消除外表缺陷，獲得高度平整、光潔及無(wú)損層的“理想〞外表。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光〔CMP,chemical-mechanicalpolishing〕①機(jī)械拋光:與磨片工藝原理相同，磨料更細(xì)〔0.1-0.5μm〕，MgO、SiO2、ZrO；優(yōu)點(diǎn)：外表平整；缺點(diǎn)：損傷層深、速度慢。1.3.3晶片加工②化學(xué)拋光〔化學(xué)腐蝕〕a.酸性腐蝕典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O注意腐蝕溫度：t=30-50℃,外表平滑；t<25℃,外表不平滑。1.3.3晶片加工b.堿性腐蝕：KOH、NaOH特點(diǎn)：1〕適于大直徑〔>75mm〕;2〕不需攪拌；3〕外表無(wú)損傷。缺點(diǎn)：平整度差1.3.3晶片加工③化學(xué)機(jī)械拋光〔CM