《微電子制造工藝技術(shù)》課件第4章

4.1晶體和晶圓質(zhì)量4.2晶體成長4.3晶圓制備復(fù)習(xí)思考題襯底是器件制造的基礎(chǔ)。襯底材料和襯底加工質(zhì)量對器件參數(shù)和器件制造工藝質(zhì)量具有重要的影響。襯底材料的種類很多，并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，還會不斷出現(xiàn)新的材料。目前，在生產(chǎn)、應(yīng)用方面主要有三種類型：一是元素半導(dǎo)體，如硅和鍺；二是化合物半導(dǎo)體，如Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體；三是絕緣體，如藍寶石和尖晶石。其中以硅應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大。4.1晶體和晶圓質(zhì)量4.1.1對襯底材料的要求

用于襯底的材料，由于它們的結(jié)構(gòu)、組成、獲得方法和難易程度，以及作用各有不同，加上雜質(zhì)、缺陷對器件制作工藝質(zhì)量的不同影響，對它們的要求也不完全相同，對于硅、鍺、砷化鎵這些半導(dǎo)體材料，選用的主要要求有：

(1)導(dǎo)電類型，N型或P型。根據(jù)不同的場合選擇不同導(dǎo)電類型的襯底材料。

(2)電阻率，一般要求在0.001～100000Ω·cm之間，但不同器件對電阻率的要求不同，如不同擊穿電壓的器件所要求的硅單晶體電阻率(見表4-1)。電阻率要均勻、可靠。電阻率均勻性包括縱向、橫向及微區(qū)電阻率均勻度，它直接影響器件參數(shù)的一致性、擊穿特性和成品率。大規(guī)模集成電路對電阻率微區(qū)均勻性要求更高。電阻率可靠性是指在器件加工過程中，具有較好的穩(wěn)定性和真實性，它與摻雜技術(shù)、補償度、氧和氫含量等有關(guān)。表4-1不同器件所要求的硅單晶電阻率*注：1≤n≤10

(3)壽命，它是反映單晶中重金屬雜質(zhì)和晶格缺陷對載流子作用的一個重要參數(shù)，與器件放大系數(shù)、反向電流、正向電壓、頻率和開關(guān)特性密切相關(guān)，一般要求在幾至幾千微秒。晶體管一般要求長壽命，開關(guān)器件要求短壽命(一般用摻入雜質(zhì)金來獲得)，整流器、晶體管要求少子壽命值為n×10μs，可控硅要求壽命值為n×10～n×102μs。

(4)晶格完整性，要求無位錯、低位錯(小于1000個/cm2)。對無位錯排和小角度晶界的要求尤其嚴格。其他缺陷要極少，特別是微缺陷。

(5)純度高，微量雜質(zhì)對半導(dǎo)體材料性能影響很大，作用靈敏。微量雜質(zhì)主要有受主、施主、重金屬、堿金屬及非金屬雜質(zhì)等，其影響各不相同。例如：P、B決定著硅材料的類型、電阻率、補償度等電學(xué)性能；銅、鐵等金屬雜質(zhì)，會使單晶硅少子壽命降低，電阻率變化，并與缺陷相互作用，硅中的氧在熱處理時產(chǎn)生熱施主，使材料電阻率變化甚至變形，并與重金屬雜質(zhì)結(jié)合形成材料的假壽命，使器件的放大系數(shù)減小，噪聲系數(shù)增大，擊穿電壓降低，漏電流增大，出現(xiàn)軟擊穿、低擊穿等現(xiàn)象。

(6)晶向，對于雙極型硅器件，一般要求<111>晶向，MOS硅器件為<100>晶向，砷化鎵常用<100>晶向。

(7)要求一定的直徑和均勻性，并給出主次定位面。

除此以外，禁帶寬度要適中，遷移率要高，雜質(zhì)補償度低等。對于砷化鎵材料，由于雜質(zhì)和缺陷的種類、數(shù)量，以及它們在材料中的行為及其對器件性能的影響比鍺、硅單晶更復(fù)雜和顯得更重要，因此幾乎所有的砷化鎵材料都是采用外延層作工作層，而體單晶只用來制作襯底。至于藍寶石和尖晶石，通常是作為硅外延的絕緣襯底，主要要求它與硅外延層的晶格匹配要好，晶格失配率盡可能小，純度高，晶格缺陷少，對外延層的污染盡可能少。4.1.2晶體的缺陷

晶體可以是天然的，也可以由人工培養(yǎng)出來。晶體物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臈l件下，能自然地發(fā)展成為一個凸多面體的單晶體。從前面章節(jié)的學(xué)習(xí)我們知道，發(fā)育良好的單晶體外形上最顯著的特征是晶面有規(guī)則的配置。晶面本身的大小形狀，是受結(jié)晶生長時外界條件影響的，不是晶體品種的特征因素，而晶面間的夾角卻是晶體結(jié)構(gòu)的特征因素。理論和實踐證明，晶體中的原子、離子、分子等質(zhì)點還在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布，這些質(zhì)點的總體稱為空間點陣。點陣中的質(zhì)點所在的位置稱為結(jié)點。通過點陣中結(jié)點，可以作許多平行的直線族和平行的晶面族，這樣，點陣就成為一些網(wǎng)格，稱為晶格。晶格是原子的規(guī)則排列，具有周期可重復(fù)性。這種周期重復(fù)性的單元稱為晶胞，從晶胞的角度看，由無數(shù)個晶胞互相平行緊密地結(jié)合成的晶體叫做單晶體。由無數(shù)個小單晶體作無規(guī)則排列組成的晶體稱為多晶體。硅、鍺等元素半導(dǎo)體屬金剛石結(jié)構(gòu)，砷化鎵等化合物屬閃鋅礦結(jié)構(gòu)，兩者的幾何結(jié)構(gòu)相同，所不同的是閃鋅礦由兩種不同的原子組成。

晶格中的結(jié)點在各個不同方向，都是嚴格按照平行直線排列。我們來畫一個平面圖描繪結(jié)點的規(guī)則排列。由圖4-1可以看出，結(jié)點沿兩個不同方向(實線和虛線)都是按平行直線成行排列，這些平行的直線把所有的結(jié)點包括無遺。在一個平面中，相鄰直線之間的距離相等，此外，通過每一個結(jié)點可以有無限多族的平行直線。當(dāng)然，晶格中的結(jié)點并不是在一個平面上，而是規(guī)則地排列在立體空間中，利用晶向指數(shù)來區(qū)分它們在空間的不同

方向。圖4-1結(jié)點的規(guī)則排列半導(dǎo)體器件需要高度的晶體完美。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。在晶體中一些局部區(qū)域原子的規(guī)則排列被破壞，這種情況統(tǒng)稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對晶體的性能有很大的影響。

按照缺陷在空間分布的情況，可以把晶體結(jié)構(gòu)中存在的缺陷分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。在完成的器件中，晶體缺陷會導(dǎo)致器件在正常電壓下不工作。重要的晶體缺陷分為點缺陷、位錯和原生缺陷三類。

1.點缺陷

空位、間隙原子和外來雜質(zhì)原子在晶體中都能引起晶格結(jié)點附近發(fā)生畸變，破壞其完整性，是一種約占一個原子尺度范圍的缺陷，稱為點缺陷。

點缺陷的來源有兩類，一類是空位和間隙原子，另一類來自于雜質(zhì)缺陷。

1)空位和間隙原子

(1)空位。晶體的原子離開其正常點陣位置后，在晶格中形成的空格點稱為空位。

離位原子轉(zhuǎn)移到晶體表面的正常位置后，在晶格內(nèi)部留下的空格點稱為肖特基空位，如圖4-2(a)所示；離位原子轉(zhuǎn)移到晶格的間隙位置留下的空位稱為弗侖克爾空位，如圖4-2(b)所示。形成弗侖克爾空位時，間隙原子和空位總是成對出現(xiàn)，故稱弗侖克爾對。空位可以由熱激發(fā)產(chǎn)生，它的濃度取決于溫度，在一定的溫度下，晶體內(nèi)存在一定的平衡濃度。這類點缺陷稱為熱缺陷。空位也可以由高能粒子轟出產(chǎn)生，并同時出現(xiàn)間隙原子。圖4-2硅中空位示意圖在平衡時，空位濃度由下式?jīng)Q定：式中，Nv為單位體積的空位濃度；N為單位體積晶體中的格點數(shù)；Ev為形成一個空位的內(nèi)能增量，其典型值約為幾千電子伏，在1000K時Nv/N約為10-5；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。

(2)間隙原子：處于點陣間隙位置的原子稱為間隙原子。當(dāng)其為晶格本身的原子時，則稱為自間隙原子，它可以由熱激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)形成弗侖克爾空位的同時，也形成自間隙原子，二者濃度相等。在化合物半導(dǎo)體中，形成間隙原子的幾率與組成化合物的原子半徑密切相關(guān)，離子半徑越大，形成間隙原子的幾率越小。間隙原子也可以由外來雜質(zhì)形成，可以是受主型的，也可以是施主型的。

2)雜質(zhì)缺陷

晶體中因雜質(zhì)存在，雜質(zhì)原子周圍受到張力，壓力使晶格發(fā)生畸變而造成的缺陷稱為雜質(zhì)缺陷。

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)有的是由于制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠帶來的，有的是半導(dǎo)體晶體制備過程中沾污的，有的是器件制造過程中沾污的，有的是為了控制半導(dǎo)體的物理性質(zhì)而人為摻入的。根據(jù)這些雜質(zhì)在晶體中所處的位置可分成兩類：間隙式雜質(zhì)和代位式雜質(zhì)。

間隙式雜質(zhì)在晶體中占據(jù)著原子間的空隙位置。間隙式雜質(zhì)一般比較小，因為只有這樣才能擠到間隙中去，如Li+，其半徑只有0.68×10-10m，所以，鋰在硅中是間隙雜質(zhì)。圖4-3硅中雜質(zhì)原子示意圖代位雜質(zhì)在晶體中取代了基本原子的位置。一般形成代位雜質(zhì)時，要求代位雜質(zhì)的大小與被取代的基本原子大小比較接近，價電子數(shù)比較接近，兩者的性質(zhì)相差并不多，所以B、AL、Ga、In等Ⅲ族元素和P、As、Sb、Bi等Ⅴ族元素在硅和鍺中都是代位雜質(zhì)。

3)點缺陷對晶體性質(zhì)的影響

空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等點缺陷存在于晶體中，會引起晶格的規(guī)則結(jié)構(gòu)遭到不同程度的破壞，直接影響到微觀粒子電子或空穴在晶體中的運動狀態(tài)，所以，對材料制備提出無缺陷、高純度的要求。

這里，我們著重敘述一些缺陷，尤其是雜質(zhì)缺陷對晶體性質(zhì)的影響。在高溫下，晶體中存在較高濃度的空位。當(dāng)溫度降低后，如果這些空位來不及擴散到表面或與間隙原子相復(fù)合而消失，則會聚集成團。這些空位團的線度很小(約為10-4cm左右)，形成“微缺陷”。雜質(zhì)碳是形成微缺陷的因素之一，這些有關(guān)“微缺陷”對晶體性質(zhì)和對器件的影響在微缺陷一節(jié)內(nèi)容中再作介紹。

雜質(zhì)缺陷存在于晶體中能形成雜質(zhì)散射、雜質(zhì)補償，雜質(zhì)電離復(fù)合中心，改變晶體的性質(zhì)，使半導(dǎo)體中載流子的遷移率下降。雜質(zhì)能夠引起晶體內(nèi)出現(xiàn)局部的附加電勢。雜質(zhì)電離后形成正電中心或負電中心，當(dāng)載流子運動到電中心附近時，就會受到它們的靜電作用。這個靜電作用力將改變載流子原有運動速度的方向和大小，這就是雜質(zhì)散射。總之，雜質(zhì)缺陷的存在能影響到晶體的電阻率、少子的壽命及在某種條件能形成微缺陷和位錯(晶體生長過程中由雜質(zhì)分凝可產(chǎn)生位錯)。

2.位錯

位錯是晶體中的線缺陷，即在一維方向具有宏觀尺寸的缺陷。

晶體中的一部分相對于另一部分，在一定的晶面上沿一定方向產(chǎn)生部分滑移，滑移面邊界的畸變區(qū)稱為位錯線，簡稱位錯，也就是晶體中已滑移和未滑移面上的分界線。晶面上局部發(fā)生滑移，在分界線周圍原子的相互位置發(fā)生了畸變，形成了位錯線。

關(guān)于位錯的起源，要追溯到晶體最初形成與晶體生長過程。硅晶體生長過程中，產(chǎn)生位錯的因素很多，主要有以下幾方面：

(1)籽晶體內(nèi)原有位錯。拉制單晶時所用的籽晶內(nèi)原來即存在位錯，在晶體生長時原存在的位錯不斷延伸，使新生長的晶體產(chǎn)生位錯。

(2)籽晶表面損傷。籽晶表面的損傷，如機械磨損、裂痕等，使表面晶格破壞，高溫時，在熱應(yīng)力作用下，這種不規(guī)則的晶格向體內(nèi)傳播而造成大量位錯。

(3)位錯倍增。由于外界的振動、外加應(yīng)力、熱起伏等而使籽晶或單晶中位錯倍增。這些倍增了的位錯與原有位錯具有同樣性質(zhì)，并在固液交界面處不斷延伸，使新生長的晶體產(chǎn)生位錯。

(4)晶體的不良取向。在晶體生長過程中，固-液交界面附近溫度太低時，會使新凝固的晶體不完全按籽晶軸方向排列，局部地區(qū)造成一些攣晶面，這稱為晶體的不良取向。這些不良取向?qū)嶋H上是大密度的位錯，會向以后生長的晶體內(nèi)傳播。若熔液表面懸浮著雜質(zhì)或熔液中存在一些固態(tài)微粒，也可產(chǎn)生不良取向，使位錯在晶體中傳播。

(5)雜質(zhì)分凝。雜質(zhì)分凝也可產(chǎn)生位錯，如果雜質(zhì)在鍺、硅中的含量在最大溶解度范圍內(nèi)，則雜質(zhì)分凝對位錯是沒有影響的，但往往拉晶快終了時，熔液中的雜質(zhì)愈來愈多，超出了最大溶解度，在凝結(jié)或冷卻時產(chǎn)生肋應(yīng)力而使位錯大量倍增。位錯有很多種類型，位錯線與滑動方向(即柏氏矢量)垂直的位錯稱為刃形位錯(如圖4-4所示)。從晶格的排列情況看，就如在滑移面上部插進了一片原子，位錯的位置正好在插入的一片原子的刃上。這種位錯，在位錯線之上的晶格受到壓縮，在它之下的晶格是伸長的。

位錯線與滑動方向平行的位錯稱為螺型位錯，這種位錯的特點是垂直于位錯的晶面被扭成螺旋面，晶體上表面本來是平面，而形成螺型位錯后，如果圍繞位錯的回路走一周．則晶面就升高一層，形成一個螺旋面的特點，螺旋位錯的名稱就是從這里來的。位錯線與滑動方向既不平行又不垂直的位錯稱為混合型位錯，此時柏氏矢量可以分解為刃型分量和螺型分量。此外，因排列形式之不同，常見的還有位錯排、星形結(jié)構(gòu)、小角晶界和系屬結(jié)構(gòu)等。

位錯在晶圓里的發(fā)生，是由于晶體生長條件和晶體內(nèi)的晶格應(yīng)力，也可能是由于制造過程中的物理損壞，碎片或崩邊成為晶格應(yīng)力的交會點，產(chǎn)生一條位錯線，隨著高溫工藝擴散到晶圓內(nèi)部。圖4-4刃形位錯示意圖在應(yīng)力的作用下，位錯會發(fā)生運動。運動可分為滑移運動和攀移運動。位錯在一個滑移面內(nèi)運動稱之為滑移運動；若在應(yīng)力的作用下位錯能夠從一個滑移面上移到另一個滑移面上去，則稱之為攀移運動。這種位錯的運動會引起位錯線附近產(chǎn)生空位，造成雜質(zhì)沿位錯線增強擴散。在晶體管中形成管道(雜質(zhì)管道)型擊穿。實踐證明這種E-C管道(發(fā)射區(qū)到集電區(qū))嚴重影響雙極型大規(guī)模集成電路成品率和集成度的提高。從以上的內(nèi)容可以看出，位錯是一種線缺陷，但它不是幾何學(xué)上定義的線，而是有一定寬度的管道：位錯在晶體中可以形成封閉的環(huán)形，或終止在晶體的表面，或終止在晶粒間界上(不能終止在晶體內(nèi)部)；在位錯處形成一個應(yīng)力場。原子的平均能量比其它區(qū)域的原子大得多，位錯應(yīng)力場與點缺陷引起的晶格畸變的應(yīng)力場相互作用，使位錯能有效地吸除點缺陷。由于位錯具有這些性質(zhì)，這就對半導(dǎo)體材料主要性能產(chǎn)生影響。我們經(jīng)常用位錯密度(每平方厘米的位錯數(shù))來描述晶體內(nèi)位錯線的多少，以反映晶體的性質(zhì)。測量位錯的方法有多種，常用的是把晶體表面經(jīng)過拋光腐蝕后，數(shù)腐蝕坑的數(shù)目。位錯與晶體表面交界處，由于晶格不完整，因此特別容易被腐蝕。實際上，位錯密度未必等于每平方厘米的腐蝕坑數(shù)，因為并非在每個位錯線上都能腐蝕出一個腐蝕坑。但是，一般來說，用合適的腐蝕液進行適當(dāng)腐蝕后，我們可以認為，腐蝕坑密度反映了位錯密度。

1)位錯對載流子遷移率的影響

以金剛石結(jié)構(gòu)類型的硅單晶為例。如果存在棱位錯，在位錯線附近，原子與完整晶體中的原子不同，只有三個原子與之構(gòu)成共價鍵，剩下有一個“懸掛鍵”，因此，往往成為受主能級。有人曾經(jīng)將N型鍺單晶彎曲，發(fā)現(xiàn)N型鍺變?yōu)镻型鍺。由此可知，棱位錯對N型半導(dǎo)體的影響較P型更為嚴重。位錯線的存在，既然形成受主能級，那么在N型半導(dǎo)體中，位錯線將俘獲電子而帶負電。這樣對載流子的散射加強，使遷移率降低，從而影響單晶材料的電阻率。一般情況下，位錯對載流子濃度影響不大，只有當(dāng)位錯密度(單位面積上的位錯數(shù)稱為面位錯密度)較高時，由于它們與雜質(zhì)間存在補償作用，會使含有淺施主雜質(zhì)的N型硅的載流子濃度降低，對P型則不是這樣。

在通常情況下，螺型位錯不帶有不成對的鍵，因此，在晶體的電學(xué)特性方面它們影響是不重要的。

2)位錯對非平衡少子壽命的影響

位錯對非平衡少子壽命的影響有兩方面的原因：首先，因為在位錯的周圍，晶格會發(fā)生伸張或壓縮(棱位錯周圍一邊是壓縮，一邊是伸張)，在晶格收縮區(qū)域禁帶寬度增大：而在伸張區(qū)域內(nèi)禁帶寬度減小。其次，由于電子有處在導(dǎo)帶最小能量位置的趨勢，因此在晶體的伸張區(qū)域中有最大的復(fù)合率，使壽命減小。

位錯的受主能級還起著復(fù)合中心的作用，因位錯使占據(jù)受主能級的電子俘獲過?？昭?，對高純度半導(dǎo)體材料的載流子壽命有很大影響。但也有人認為，位錯對少子壽命不起作用，能對少子壽命起作用是因為有雜質(zhì)重金屬沉淀在那里的緣故。

位錯除了對材料的基本電特性有較大影響外，對器件性能和成品率也有較大的影響，主要有兩個方面：一是雜質(zhì)沿位錯的沉積，形成雜質(zhì)管道，破壞P-N結(jié)特性；二是雜質(zhì)沿位錯線的擴散增強，發(fā)射區(qū)的磷原子沿著位錯線增強擴散，以致穿通基區(qū)，形成連通發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的N+管道，簡稱E-C管道。

位錯能通過表面的一種特殊腐蝕顯示出來，腐蝕出的位錯出現(xiàn)在晶圓的表面上，形狀代表了它們的晶向。<111>晶圓腐蝕出三角形的位錯，<100>的晶圓腐蝕出方形的腐蝕坑。

3.層錯

由原子型層排列錯亂引起的一種大范圍的缺陷叫做層錯。層錯是一種面缺陷，是一種二維缺陷。

晶體中常形成許多具有一定結(jié)晶學(xué)取向差異的微小區(qū)域。當(dāng)這些區(qū)域的直徑很小，約為500～5000單位晶胞，且取向差異小于10°時，稱此晶體具有晶粒鑲嵌間界(小角晶界)。這種晶界可以看成由一系列等距離的刃型位錯陳列構(gòu)成。由于原子層的正常堆垛次序發(fā)生差錯而產(chǎn)生的缺陷稱為堆垛層錯。

在晶體生長中，一定的條件會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，有一種叫滑移，即沿著晶體平面產(chǎn)生的晶體滑移。另一個問題是孿晶，從同一界面生長出兩種不同方向晶體。這兩種缺陷是晶體報廢的主要原因。

4.微缺陷

位錯和有害雜質(zhì)是影響器件性能和成品率重要原因，但采取高純無位錯單品制作器件，其性能和成品率也不像預(yù)期的那樣好，經(jīng)過進一步分析研究，阿部等人于1965年最先在硅中發(fā)現(xiàn)了另一種稱之為“微缺陷”的晶格缺陷。多數(shù)人認為，微缺陷是指擇優(yōu)化學(xué)腐蝕后硅表面出現(xiàn)以高密度淺底小坑或小丘為其腐蝕特征的一類缺陷?！皽\腐蝕坑”又稱為“蝶坑”或“平底坑”。腐蝕坑(丘)可能呈隨機分布，也可能呈旋渦分布。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的微缺陷有三類：

(1)生長微缺陷，是指晶體生長過程中，而不是其后的熱處理中產(chǎn)生的微缺陷。

(2)熱誘生微缺陷，是指高溫?zé)崽幚砗?，硅單晶中氧的沉淀物及其造成的晶格畸變所誘生的微缺陷。

(3)霧缺陷，是指熱處理硅片或外延片擇優(yōu)腐蝕后表面上出現(xiàn)的密集而均勻分布的霧狀缺陷。微缺陷對大規(guī)模集成電路，大截面的大功率器件和高靈敏度的光電器件等性能的影響是十分顯著的，因此，微缺陷的研究成為材料研究也是器件研究中的重大課題。

要控制和消除微缺陷的影響，可以降低晶體中氧和碳的含量，以減少凝集成團的核化中心，控制晶體生長時的冷卻速率(或控制拉速)，因為微缺陷的密度決定于晶體生長時的冷卻速度。此外，還可以利用位錯吸除微缺陷。微缺陷對器件性能的影響可歸納成兩方面，一方面，微缺陷會在外延、氧化等工藝過程中會轉(zhuǎn)化為層錯。實驗證實，有微缺陷的單晶片，最好使用二氧化硅拋光劑拋光。在熱生長二氧化硅過程中，也會產(chǎn)生熱氧化層錯，它的宏觀分布圖形與原始硅單晶片上的微缺陷花紋相同，這說明不僅表面機械損傷會轉(zhuǎn)化成氧化層錯，微缺陷也會轉(zhuǎn)化成氧化層錯。另一方面，微缺陷(或已轉(zhuǎn)化成氧化層錯)有吸收其他雜質(zhì)的作用，尤其是吸收重金屬雜質(zhì)而成為電活性中心，導(dǎo)致PN結(jié)漏電流增加，同時使載流子遷移率降低。總之，硅單晶中的微缺陷，已越來越受到人們的重視，微缺陷對硅器件的影響，有時甚至比硅單晶的一般常規(guī)參數(shù)(導(dǎo)電類型、電阻率、少子壽命、位錯密度等)的影響還要大，對大規(guī)模集成電路其危害性還會更大。

微缺陷在鍺中也同樣存在，可能是由于過?？瘴荒鬯纬傻摹ｆN中微缺陷也呈條紋狀分布，密度在3×106～5×107

cm-3之間?；衔锇雽?dǎo)體晶體中也有微缺陷，例如，有位錯的砷化鎵晶體中已觀察到棱柱位錯環(huán)，簡單的、雙重和三重不全位錯，各種形狀的沉淀物等微缺陷。磷化鎵中的微缺陷濃度高達1011～1012cm-3，這些情況也必須引起高度的重視。

必須指出的是，微缺陷并非總是有害的，當(dāng)它出現(xiàn)在硅片表面時是有害的，但若設(shè)法使之只在硅片內(nèi)部產(chǎn)生，那么微缺陷不但無害還能吸除表面有害雜質(zhì)和缺陷，這就是IG效應(yīng)。4.2.1晶體生長的概念

半導(dǎo)體晶圓是從大塊半導(dǎo)體材料切割而來的，這種半導(dǎo)體材料做晶棒，是從大塊的具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜本征材料生長得來的。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。4.2晶體生長4.2.2晶體生長的方法

晶體有天然晶體和人工晶體。人工晶體的制備方法很多，具體介紹如下：

(1)溶液中生長晶體法。此法是將原材料(溶質(zhì))溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^飽和，使晶體在其中生長。例如食鹽結(jié)晶，就是利用蒸發(fā)的措施使NaCl晶體在其中生長，從而使食鹽結(jié)晶。

(2)助熔劑法生長晶體。此法生長溫度較高，它是將晶體的原成分在高溫下溶解于低熔點的助溶劑溶液中，形成均勻的過飽和溶液，然后通過慢降溫，形成飽和溶液，使晶體

析出。

(3)水熱法生長晶體。此法是一種在高溫高壓下的過飽和水溶液中進行的結(jié)晶方法，如目前普遍采用的生長人工水晶的主要方法是溫差水熱結(jié)晶法；有從熔體中生長晶體的方法，此法是從溶體中生長晶體制造大單晶和特定形狀的單晶最常用和最主要的一種方法。鍺、硅單晶的生長大部分就是用熔體生長方法制備的。單晶體的生長主要包括成核和長大兩個過程。當(dāng)熔體溫度降到某一溫度時，許多細小的晶粒就在熔體中形成，并逐漸長大，最后形成整塊晶體材料。如水結(jié)成冰時，先是形成一些小的冰粒，然后這些小冰粒逐漸長大，直至全部的水都結(jié)成冰。那么從這個過程中可以看到水結(jié)成冰要有兩個先決條件：其一，必須存在冰粒(或晶核)；其二，溫度必須降低到水的結(jié)晶溫度(零度以下)。單晶硅的制備也必須具備這兩個條件：一是系統(tǒng)的溫度必須降到結(jié)晶溫度以下(稱過冷溫度)，二是必須有一個結(jié)晶中心(籽晶)。在自然界中，晶體有這樣一種物質(zhì)特性，即在熔點溫度以上時，液態(tài)的自由能要比固態(tài)低，液態(tài)比固態(tài)穩(wěn)定；相反，當(dāng)溫度降到熔點溫度以下時，固態(tài)自由能比液態(tài)低，這時固態(tài)較為穩(wěn)定。在單晶拉制過程中，就是使熔體處于過冷狀態(tài)，這時固態(tài)自由能比液態(tài)低，一旦溶液中存在結(jié)晶中心(籽晶)，它就會沿著結(jié)晶中心，使自己從液態(tài)變成固態(tài)。如果同時存在幾個結(jié)晶中心，就會產(chǎn)生多晶體，這是我們不希望出現(xiàn)的。因此，拉制單晶硅時，往往人為地加入一個籽晶作為結(jié)晶中心，使得熔體沿著這個籽晶，最后形成一個完整的單晶體。在拉制單晶硅時，選擇無位錯、晶向正、電阻率高的單晶體按需要的晶向，切割成一定的形狀的籽晶，隨后進行嚴格的化學(xué)處理，使其表面無雜質(zhì)沾污和無任何損傷。

目前常用的制備單晶硅的方法有直拉法(CZ法)和懸浮區(qū)熔法(FZ)兩種。

1.直拉法

直拉法又稱提拉法，是熔體生長單晶的最常用的一種方法。其設(shè)備示意圖如圖4-5所示。圖4-5設(shè)備示意圖材料裝在坩堝內(nèi)(石英或石墨坩堝)，加熱到材料的熔點以上，坩堝上方有一根可以旋轉(zhuǎn)和升降的提拉桿，桿的下端有一夾頭，夾頭上裝有一根籽晶。降低拉桿，使籽晶與熔體接觸，只要熔體溫度適中，籽晶既不熔掉，也不長大。然后緩慢向上提拉同時轉(zhuǎn)動晶桿，同時緩慢降低加熱功率，籽晶就逐漸長粗長大。小心調(diào)節(jié)加熱功率，就能得到所需直徑的晶體。整個生長裝置放在一個外罩里，以便使生長環(huán)境中有所需要的氣體和壓強。通過外罩的玻璃窗口可以觀察生長的情況。

1)設(shè)備簡介

目前各國已設(shè)計和制造了各式各樣的單晶爐，但根據(jù)硅在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑和生長單晶所必須滿足的條件來看，都是大同小異的。就其共性來看，一般拉晶設(shè)備都具備加熱部分、爐體和機械傳動部分、真空和惰性氣體保護裝置三部分。分別簡述如下(加熱部分和機械傳動部分的結(jié)構(gòu)如圖4-6所示)。圖4-6直拉法單晶爐剖面圖

(1)加熱部分，加熱形式一般用低頻電阻加熱和高頻感應(yīng)加熱，單晶爐對加熱部分的要求是：

①加熱功率連續(xù)可調(diào)，且功率足夠大，能使硅料全部熔化；

②加熱功率調(diào)到某一數(shù)值即拉制單晶所用功率時，要求功率穩(wěn)定；

③采用調(diào)壓變壓器控制。

(2)爐體和機械傳動部分。爐體是在高溫真空下工作的，因此要求爐體必須由不易生銹、不易揮發(fā)、易于清潔處理、非多孔性并有一定機械強度，高溫重壓下不發(fā)生形變的材料制成，一般多采用不銹鋼材料。為了保護爐體及有效地散熱，并使?fàn)t溫分布對稱，要求爐體是雙層水冷，最好呈圓筒形。內(nèi)壁避免存在死角，以便于清潔處理。機械傳動部分主要包括籽晶軸和坩堝的轉(zhuǎn)動和提升，對它們的功能要考慮以下幾方面：

①籽晶軸的最大行程由投料量和所拉單晶直徑來決定；

②籽晶軸的轉(zhuǎn)速在調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定無振動；

③在拉晶過程中要求籽晶軸上下移動速率穩(wěn)定。

(3)真空和惰性氣體裝置。高溫時，硅能和氧發(fā)生反應(yīng)，熔硅一旦被氧化，則很難成單晶，甚至連多晶也無法拉出，故要求在真空和惰性氣體中拉晶。真空裝置應(yīng)能保證爐體內(nèi)熱真空度達5×10-4mmHg以上。通常是由一個前置機械泵和一個油擴散泵獲得，為縮短抽真空的工作時間要保證有足夠大的抽速和方便的操作條件，由泵工作引起的地面振動要盡量小。如果使用惰性氣體保護氣氛，在爐體上、下都要有進出氣的氣口。

2)拉晶前的準(zhǔn)備工作

(1)清潔處理。拉制硅單晶所用的多晶硅材料及摻雜用的中間合金、石英坩堝、籽晶等，都必須經(jīng)過嚴格的化學(xué)清潔處理。其目的是除去表面附著物和氧化物，得到清潔而光亮的表面。化學(xué)處理的基本步驟是腐蝕、清洗和烘干。對硅常用的化學(xué)腐蝕液是由氧化劑與絡(luò)合劑組成。常用的氧化劑是硝酸，常用的絡(luò)合劑是氫氟酸，它們的反應(yīng)原理如下：

SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O

Si+4HNO3→SiO2+2H2O+4NO2↑

(2)熔化和熔接。多晶硅熔化通常在真空或氬氣中進行，真空熔化經(jīng)常出現(xiàn)的問題是“塔橋”和“硅跳”。所謂“塔橋”，是指上部的硅塊和下部的熔硅脫離。發(fā)生“塔橋”時，如仍將熔硅停留在高溫下，勢必引起熔硅溫度迅速上升，以致造成“硅跳”。如“塔橋”已出現(xiàn)，應(yīng)立即降溫，使其凝固后，重新熔化。所謂“硅跳”，是指熔硅在坩堝內(nèi)像沸騰似地跳動或濺出坩堝外。發(fā)生硅跳時，熔硅濺在石墨器上，二者會發(fā)生作用，嚴重時甚至?xí)p壞全套石墨器皿。容易出現(xiàn)“硅跳”的幾個主要情況包括：多晶硅有氧化夾層或嚴重不純；熔化后溫度過高以及“塔橋”。當(dāng)逐漸加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時間后，立即將籽晶下降使之與液面接近，使籽晶預(yù)熱數(shù)分鐘，俗稱“烤晶”。這是因為，在籽晶未插入熔體前在熔體上方烘烤以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)，同時可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時，就可將籽晶與熔體完全接好。此時，操作者根據(jù)其經(jīng)驗，調(diào)節(jié)溫度，使籽晶與熔體完全接好。此時須注意，熔體溫度不能過高或過低，溫度過高會把籽晶熔掉，過低會引起坩堝內(nèi)結(jié)晶，一般控制在熔點附近。熔料時，坩堝即開始轉(zhuǎn)動，籽晶下降至熔體接近時，才開始轉(zhuǎn)動，在操作過程中，由于升溫影響，會使?fàn)t內(nèi)真空度降低，一旦降溫以后真空度即可回升。

3)拉制硅單晶的工藝過程

硅單晶的拉制過程：用高頻加熱或電阻加熱方法熔化坩堝中的高純多晶硅料，把熔硅保持在比熔點稍高一些的溫度下，把籽晶夾在籽晶軸上，使籽晶與熔硅完全吻合，緩慢降溫，然后，一面旋轉(zhuǎn)籽晶軸，一面緩慢向上拉，這樣就獲得了硅單晶體(硅單晶錠)。

直拉硅單晶的工序為：引晶→縮頸→放肩→等徑→收尾，如圖4-7所示。圖4-7硅單晶直拉法生長過程示意圖

(1)引晶?！耙А庇址Q“下種”。當(dāng)多晶材料全熔后，坩堝升起到拉晶位置，使熔硅位于加熱器上部，把籽晶下降到液面上方幾毫米(一般為3～5mm)處，略等幾分鐘，讓熔硅溫度穩(wěn)定，籽晶溫度升高后，再下降籽晶與液面接觸，在浸潤良好的情況下，即可開始緩慢提拉。隨著籽晶上升，硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟通常稱為“引晶”。

(2)縮頸。“縮頸”又稱“收頸”，是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分，故稱“縮頸”。收頸的主要作用在于排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯的延伸，故頸不宜太短，一般要大于20mm，也不宜太粗。收頸時，溫度要控制在能觀察到整個光圈。快速收頸對降低位錯有一定效果，故它是消除位錯延伸的一道關(guān)鍵工序。

(3)放肩。縮頸到所要的長度后，略降低溫度，讓晶體逐漸長大到所需直徑為止。此過程稱為“放肩”。放肩時，根據(jù)單晶體外形上的特征可判斷晶體是否單晶。放肩過程的溫度控制也很重要，這時要通過觀察固-液界面上出現(xiàn)“光圈”的情況來判定。

放肩時根據(jù)晶體有無對稱棱角來判斷是否單晶，若不是，應(yīng)迅速將它熔掉重新引晶。判別的簡單方法是：對<111>方向生長的單晶硅，有明顯對稱的三條棱；對<100>方向生長的單晶硅，有對稱的四條棱。

(4)等徑?！暗葟健奔吹葟缴L。當(dāng)晶體直徑增大到接近所需要求尺寸后，升高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，這就是等徑生長。等徑生長的晶體就是生產(chǎn)上的成品。因此，嚴格控制溫度不變、拉速不變是獲得等徑的條件。

(5)收尾。隨著晶體的生長，坩堝中的熔硅將不斷減少，熔硅中雜質(zhì)含量相對提高，為了保證晶體縱向電阻率均勻性，相應(yīng)降低晶體生長速率(拉速)。一般采取稍升溫，降拉速，使晶體直徑逐漸變小，此過程即稱收尾。直拉法的主要優(yōu)點是：

①在生長過程中，可以方便地觀察生長情況；

②晶體在熔體的自由表面處生長，而不與坩堝相接觸，這樣能顯著減小晶體的應(yīng)力及防止鍋壁上的寄生成核；

③可以方便地使用定向籽晶和“縮晶”工藝，得到完整的籽晶和所需取向的晶體。

直拉法的最大特點是：能夠以較快的速度生長高質(zhì)量的晶體，其生長率和晶體尺寸令人滿意。像所有使用坩堝的生長一樣，直拉法要求坩堝不污染熔體。因此，對于那些反應(yīng)性極強或熔點較高的材料，就難以找到合適的坩堝來盛裝它們，從而不得不采用其他生長方法。近年來，提拉法取得了不少改進，如采用晶體直徑自動控制技術(shù)(ADC技術(shù))，這種技術(shù)不僅可使生長過程的控制實現(xiàn)了自動化，而且提高了晶體的質(zhì)量和成品率。采用液相材料封蓋技術(shù)(液相密封技術(shù))和高壓單晶爐，可以生長那些具有高蒸汽壓或高離解壓的材料(如生長GaP、InAs、GaAs等晶體)。還有導(dǎo)膜技術(shù)(EFG技術(shù))，用這種技術(shù)可以按需要的形狀和尺寸來生長晶體，晶體的均勻性也得到了改善。

2.區(qū)熔法

區(qū)熔法又分為水平區(qū)熔和垂直區(qū)溶(懸浮區(qū)熔)兩種類型。

用區(qū)熔法可制備鍺、硅單晶，區(qū)熔法更是鍺、硅材料的物理提純方法。下面簡要地介紹水平區(qū)熔法制備鍺單晶及用垂直區(qū)熔法制備硅單晶的過程。

1)水平區(qū)熔法制備鍺單晶

水平區(qū)熔法(或稱橫拉法)生長單晶與直拉法不同，結(jié)晶是在容舟中分段逐步結(jié)晶而成的，其示意圖如圖4-8所示。水平區(qū)熔裝置與區(qū)熔提純相同，不同之處是多放入一個籽晶。水平區(qū)熔制備單晶與直拉法另一不同之處，是固-液交界面與容舟壁發(fā)生接觸，而且晶體大小形狀受到容舟的限制。圖4-8水平區(qū)熔法示意圖區(qū)熔法制備單晶過程是：把籽晶(如一般取向為<111>的籽晶)和多晶鍺錠放在石英舟(或石墨船)中，使它們緊密地接觸，然后用加熱器在接縫處加熱，使籽晶與鍺錠在接觸處熔合(注意不要讓籽晶全部熔掉)，待熔到接縫完全看不出時，將加熱器向鍺錠尾端慢慢移動(或拉動石英舟使之慢慢通過加熱器)，熔融的鍺便在籽晶后面生長出單晶。

2)垂直區(qū)熔法制備硅單晶

垂直區(qū)熔法又稱懸浮區(qū)熔法，圖4-9所示是動圈式懸浮區(qū)熔法制備硅單晶的示意圖。制備時，將預(yù)先處理好的多晶硅棒和籽晶一起豎直固定在區(qū)熔爐上、下軸間，以高頻感應(yīng)等方法加熱，利用電磁場浮力和熔硅表面張力與重力的平衡作用，使所產(chǎn)生的熔區(qū)能穩(wěn)定地懸浮在硅棒中間。在真空或某種氣氛下，按照特定的工藝條件，使熔區(qū)在硅棒上從頭至尾定向移動，如此反復(fù)多次，使硅棒沿籽晶長成具有預(yù)期電學(xué)性能的硅單晶。硅懸浮區(qū)熔法主要依靠熔硅有較大的表面張力和有較小的比重這一特點，可以使熔區(qū)懸掛在硅棒之間進行區(qū)熔，這也就是“懸浮區(qū)熔”名稱的由來。這樣，除了本身之外，再沒有任何別的物體與熔硅接觸，因而極大地減少了容器對硅的沾污。圖4-9懸浮區(qū)熔法生長過程示意圖氣氛可以是真空或采用氬、氫或其他惰性氣體。國內(nèi)大多采用真空區(qū)熔，在氫氣氛中成晶的工藝。若是在真空條件制備的硅單晶，稱為VFZ硅單晶；若是在氬氣或含氫<10%的氬氣氛下制備的，則稱為MFZ硅單晶。

懸浮區(qū)熔法的加熱方式可分為外熱式和內(nèi)熱式兩種。

外熱式如圖4-10所示。這是最早提出的一種加熱方式，其缺點是加熱線圈和硅棒之間隔著石英管，耦合較松，使晶體直徑受到限制。另外，由于蒸發(fā)物沉積在石英管內(nèi)壁上妨礙觀察，若有沉積物落下將會影響單晶生長。此種加熱方式在生產(chǎn)中常發(fā)生掉熔區(qū)和損壞石英管的現(xiàn)象。圖4-10外熱式加熱方式內(nèi)熱式的加熱器主要有高頻加熱和電子轟擊加熱(電子束加熱)兩種形式，分別如圖4-11(a)、(b)所示。高頻感應(yīng)加熱(射頻感應(yīng)加熱)裝置中，一高頻線圈繞在垂直安裝的材料棒上，該線圈或者封在工作室內(nèi)，或者放在室外，為了達到高效率耦合，線圈應(yīng)貼近料棒，如圖4-11(a)所示。電子轟擊加熱方式是把硅棒當(dāng)作陽極，外繞鎢絲(或鉭電極)作為陰極。在鎢絲和硅棒之間加高電壓，鎢絲發(fā)射出來的高速電子流打在硅棒上產(chǎn)生熔區(qū)，如圖4-11(b)所示。圖4-11懸浮區(qū)熔加熱方式(內(nèi)熱式)區(qū)熔法若按環(huán)境氣氛來分，又可分為真空區(qū)熔和氣體保護區(qū)熔兩類，供使用的氣體有氬、氫以及氬與氫的混合氣體。用氫氣作保護氣體時，區(qū)熔單晶晶片性脆，腐蝕后有凹坑。故廣泛使用氬氣，但氬氣的電離電位低，在一般內(nèi)熱式區(qū)熔設(shè)備中，如不帶高頻變壓器，線圈上電壓較高，容易產(chǎn)生放電而不能進行區(qū)熔。這種現(xiàn)象所以采用高頻降壓器，使加熱線圈上電壓降下來，同時增加加熱線圈上的電流，或用氬∶氫=3∶1～4∶1的混合氣體作保護氣氛，即可消除線圈的放電。

熔區(qū)移動的方式有兩種：一是用硅棒移動(加熱線圈固定)來帶動熔區(qū)移動，其優(yōu)點是高頻引線短，便于使用單匝線圈，有利于得到粗直徑單晶，缺點是區(qū)熔同樣長度的單晶，爐體高度大大增加；其二是用線圈移動(硅棒固定)來帶動熔區(qū)移動，此法可以克服上述缺點，但高頻引線較長，使輸出效率受到一定影響，操作不如移動硅棒方式方便。懸浮區(qū)熔制備硅單晶簡單的工藝過程是：

(1)預(yù)熱至硅棒暗紅(約3～5分鐘)后立刻降低輸出功率(切不可將硅棒熔化)，并將線圈移至熔接部位。

(2)熔接，不必熔透，注意仔細加溫，以免掉熔區(qū)。多晶棒與籽晶的熔接，要先把硅棒提起，與籽晶脫離后再進行熔接，熔化硅棒下端時，線圈應(yīng)放在硅棒之下，然后逐漸增加熔區(qū)寬度，使熔成半圓球形。當(dāng)使硅棒與籽晶連接時，應(yīng)使硅棒下端的半圓球縮小后再接觸，同時旋轉(zhuǎn)籽晶。

(3)產(chǎn)生起始熔區(qū)的長度與該處硅棒的直徑相等或稍長，這樣熔透較好，熔區(qū)穩(wěn)定。

(4)縮頸，要做到細頸均勻，保持熔區(qū)正常，收頸結(jié)束時先降慢拉速，后放慢線圈移速。如同時放慢二者速度，可能會使熔區(qū)中心凝固。

(5)放肩。開始放肩之后，由于硅棒開始粗大，用線圈耦合較好，加上細頸的絕熱作用，在不變功率的情況下熔區(qū)自動加長，此時必須緩慢降溫和上提硅棒，否則易掉熔區(qū)或出現(xiàn)環(huán)狀腰帶。放肩和等徑生長要注意圓滑過渡。

3)內(nèi)熱式真空或氬氣懸浮區(qū)熔法制備高純度大直徑硅單晶綜合上述各種方式各自的特點，利用內(nèi)熱式真空區(qū)熔可制備高阻大直徑硅單晶。這是因為，利用高頻感應(yīng)加熱線圈還有一個特殊的優(yōu)點，就是除了熔硅本身有較大的表面能力外，還利用了高頻加熱線圈產(chǎn)生的較強的電磁托浮作用，以加強對熔區(qū)的支撐。同時，采用反線圈或短路線圈壓縮磁場，使之造成一個十分狹窄而充分的熔融的熔區(qū)，使熔區(qū)重量盡可能減小，從而能夠使區(qū)熔的硅棒直徑加大。另外，采用真空區(qū)熔，利用了雜質(zhì)分凝效應(yīng)，可以大大地提高硅的純度，從而可獲得高純度大直徑且徑向雜質(zhì)分布均勻的硅單晶。晶體中含氧量在1016cm-3以下，幾乎觀察不出熱施主效應(yīng)。以上這些突出的特點對改善器件的電學(xué)性能是大有好處的，因此目前多采用內(nèi)熱式懸浮真空區(qū)熔法制備大直徑的硅單晶，其設(shè)備如圖4-12所示。圖4-12內(nèi)熱式懸浮區(qū)熔示意圖如果用氬氣作保護氣氛，由于氬氣電離電位較低，多匝線圈之間易發(fā)生放電，影響熔區(qū)，改進辦法是采用單匝線圈。經(jīng)改進后，目前已全部采用內(nèi)熱式懸浮氬氣區(qū)熔制備大直徑硅單晶。

懸浮區(qū)熔法主要優(yōu)點是從根本上取消了直拉法所需要的石英坩堝和石墨加熱器系統(tǒng)，使產(chǎn)品的碳、氧等雜質(zhì)含量較直拉單晶法低一個數(shù)量級以上，是一種既能進一步起提純作用，又能同時生長單晶的工藝方法。懸浮區(qū)熔法不需要坩堝，從而避免了坩堝造成的污染，該法常用于制備高純、高阻、長壽命、低氧、低碳硅單晶。此外，由于加熱溫度不受坩堝熔點的限制，因此，也可以生長熔點極高的材料(如鎢單晶，其熔點為3400℃)。但由于工藝條件的限制(如在大直徑時獲得比較平坦的固-液界面較困難)，目前在直徑方面還不及直拉單晶，并且在制備低阻單晶時受到一定的限制。同時，由于存在分凝和蒸發(fā)效應(yīng)、固-液界面不平坦、工藝衛(wèi)生和氣氛等的影響，仍然存在縱向、橫向電阻率的不均勻。

3.液體掩蓋直拉法

對于砷化鎵單晶，其制備方法也很多，但主要采用兩種方法。一種是在密封石英管中裝入砷源，通過調(diào)節(jié)砷源溫度來控制系統(tǒng)中的砷壓，與裝入石英管另一端的鎵進行合成并生成單晶。圖4-13所示是水平區(qū)熔法示意圖。制備時，將定量的砷和鎵分別裝在石英管兩端的高低溫加熱區(qū)中，首先用真空加熱法除去各自的氧化膜，然后密封石英管，通過低溫爐控制砷壓，由高溫爐控制和移動熔區(qū)合成砷化鎵，并進行提純致均勻，同時生長單晶。另一種是將熔體用某種液體(如氧化硼)覆蓋，并施以壓力大于砷化鎵離解壓的氣氛(惰性氣體)，以抑制砷化鎵分解和砷的揮發(fā)，達到密封熔體控制化學(xué)比的目的。然后，與硅、鍺直拉法一樣，在類似的單晶爐中，用籽晶拉制砷化鎵單晶。所以，這種方法又稱為液封直拉法或液體掩蓋直拉法。圖4-13GaAs單晶生長水平區(qū)熔法示意圖液體掩蓋直拉法是在高壓爐內(nèi)(類似硅單晶爐，但耐高壓)，將欲拉制的化合物材料盛于石英坩堝中，上面覆蓋一層透明沾滯的惰性熔體(如B2O3)，將整個化合物熔體密封起來，再在惰性惰體上充以一定壓力的惰性氣體，用此法來抑制化合物材料的離解。

B2O3具有以下優(yōu)點：

(1)密度比化合物材料GaAs小，熔化后能漂在化合物熔體上面；

(2)透明，便于觀察晶體生長情況；

(3)不與化合物GaAs及石英坩堝起反應(yīng)，而且在化合物及其組分中溶解度?。?/p>

(4)易提純，蒸氣壓低，易去除。脫水后的B2O3是五色透明的塊狀，在熔點450℃時便熔化成透明的粘度大的玻璃態(tài)，沸點為2300℃。在GaAs熔點1238℃時，它的蒸氣壓約為0.1mmHg，密度為1.8g/cm3，比GaAs密度5.3g/cm3小得多，不與熔體反應(yīng)，對坩堝的浸潤性小，易提純。但B2O3也有不足之處，B2O3極易吸水(強吸濕性)，在使用前必須對B2O3充分脫水，否則會產(chǎn)生氣泡而使拉晶操作困難。另外，B2O3在高溫下對石英坩堝有輕微的腐蝕，從而造成GaAs晶體一定量的Si染污，用液態(tài)掩蓋直拉法不能生長摻Si的GaAs單晶。

與硅、鍺單晶類似，砷化鎵單晶也存在縱向和徑向電阻率不均勻及其他質(zhì)量問題，并且情況更加復(fù)雜。由于雜質(zhì)缺陷對晶體生長條件很敏感，砷源溫度的波動會引起砷壓的起伏，使砷不斷地從熔體中逸出和熔入，導(dǎo)致生長雜散晶核。因此，要制備出一定性能的具有很好重復(fù)性的砷化鎵單晶比較困難。4.3.1晶圓制備工藝流程

拉制成的單晶硅還要經(jīng)過一系列加工才能用于器件及集成電路制造，加工過程包括截斷、直徑滾磨、晶體定向及電導(dǎo)率和電阻率檢查、確定定位面、晶片切割、刻號、磨片和拋光8個步驟。4.3晶圓制備

1.截斷

截斷是用鋸子截掉頭尾，切去單晶硅的頭部和尾部后，將其固定在滾磨機的轉(zhuǎn)動軸上。

2.直徑滾磨

初拉出來的單晶硅盡管對外形直徑有一定要求，但往往是不均勻的，不能將直徑不均勻的單晶用于生產(chǎn)，因此先要進行滾磨工藝，使單晶硅的直徑達到一致的要求。在無中心的直徑滾磨機上進行滾磨，通過嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。

滾磨機上裝有金剛砂輪(或金剛刀)，可以自動調(diào)節(jié)進刀量(或切削量)。一般進刀量是從頭定到尾部，同時將冷卻液噴到刀口上。經(jīng)過這樣的滾動摩擦處理，就可以把直徑不均勻的單晶硅變得均勻一致。

3.晶體定向及電導(dǎo)率和電阻率檢查

單晶體具有各向異性特點，必須按特定晶向進行切割，才能滿足生產(chǎn)的需要，也不至于碎片，所以切割前應(yīng)先定向。

定向的原理是用一束可見光或X光射向單晶錠端面，由于端面上晶向的不同，其反射的圖形也不同。根據(jù)反射圖像，就可以校正單晶錠的晶向。為了保證定向圖像清晰，獲得正確的晶向，必須對單晶體的端切面進行清潔處理。具體方法是：

(1)用80號金剛砂進行研磨，接著放在70～90℃的氫氧化納熔液(濃度為5％)中煮沸幾分鐘，以除去端面的損傷層；

(2)用水清潔干凈；

(3)將清潔處理好的單晶錠用粘結(jié)劑粘結(jié)在石棉襯底上，然后將其粘結(jié)在切片夾具的底板上。

目前的定向方法有激光定向法、X光定向法和光圖定向法。光圖定向法不僅設(shè)備簡單，操作十分方便，而且精度也能達到要求，因此使用廣泛。其工作原理是：當(dāng)光源發(fā)出的光線通過透鏡后產(chǎn)生一束平行光，此束平行光穿過帶有小孔的光屏，射到單晶錠端面上，經(jīng)反射后在光屏上出現(xiàn)各種晶向所產(chǎn)生的不同反射圖形。根據(jù)反射圖形的形狀就可以確定單晶屬于何種晶向，再根據(jù)反射圖形的分布狀況就可以確定晶向的偏離度。當(dāng)反射圖形的發(fā)射中心點和光線入射孔重合，且發(fā)射圖形對稱時，表示晶向取向正確；不重合、不對稱時，表示晶向有偏離?？梢酝ㄟ^調(diào)整固定單晶體的支架，使反射中心點和光線入射孔重合，從而把單晶體的取向調(diào)整正確。激光定向法和X光定向法只是分別使用激光和X光作為入射光而已，原理相同。

半導(dǎo)體企業(yè)常用X光或平行光衍射來確定晶向，通過光像顯示出晶體的晶向。用四探針儀確定晶體的電導(dǎo)率和電阻率。利用熱點探測儀連接到極性儀，以顯示導(dǎo)電類型。

4.確定定位面

晶體在切割塊上定好晶向，就沿著軸滾磨出一個參考面，這個參考面稱為主參考面。參考面的位置沿著一個重要的晶面，這是通過晶體的定向檢查來確定的。定向的方法包括光圖像定向法、解理定向法、X射線定向法等。在許多晶體中，在邊緣有第二個較小的參考面。主參考面的位置是一種代碼，它不僅用來區(qū)別晶圓晶向，而且區(qū)別導(dǎo)電類型。對于大直徑的晶圓，在晶體上滾磨出一個缺口來指示晶向。隨著半導(dǎo)體器件和集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，所使用的晶圓片的尺寸日益增大。若沿著解理面分割芯片，解理處比較平整，且比較容易裂開，晶片的碎屑也少，從而減少了碎屑鋁條的劃傷和劃片中管芯的損傷率。同時，大晶片在制造過程中，需經(jīng)過次數(shù)不同的挾持，這會產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力。有了定位面以后，就可以認定某個部位去挾持，這樣就可減少損傷面積。另外，在制造芯片過程中，自動化過程越來越高，也需要有一個定位面來適合這種要求。因此單晶體經(jīng)滾磨后，還要切割出一個定位面來。通常在定位以后，緊接著要定<

>定位面。先切出

<

>晶面，再對單晶體進行切割。

所謂定位面，就是在制作器件的大圓片上那個缺口所在的平面，它的結(jié)晶學(xué)位置是<

>晶面。為什么要選擇(

)晶面呢?我們從鍺、硅的金剛石結(jié)構(gòu)中看到，其重要的一組晶面為(111)晶面。而(111)晶面就是解理面，(111)面上的<

>方向是最佳的劃線方向。對硅片而言，用作TTL電路的(111)晶面，還需確定(

)面，這樣才能確定劃片方向。用作MOS器件的(100)晶面，一般不確定(

)晶面。

5.晶片切割

滾磨后，單晶體表面存在嚴重的機械損傷，需要用化學(xué)腐蝕的方法加以去除，接著進行定向切割，用有金剛石涂層的內(nèi)圓刀片把晶圓從晶體上切下來。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。圓孔的內(nèi)緣是切割邊緣，用金剛石涂層。內(nèi)圓刀片有硬度，但不用非常厚，這些因素可減少刀口(切割寬度)尺寸，也就減少了一定數(shù)量的晶體被切割工藝所浪費。

對于大尺寸晶圓，比如300mm直徑晶圓，使用線切割來保證小錐度的平整表面和最少量的刀口損失。晶片切割的要求是：厚度符合要求；平整度和彎曲度要小，無缺損，無裂縫，刀痕淺。目前切片采用內(nèi)圓切割法，它具有損耗小、速度快、效率高的優(yōu)點。

內(nèi)圓切割機主要由機械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)有主軸、鼓輪、內(nèi)圓刀片等部分。主軸上裝有鼓輪，內(nèi)圓刀片裝在鼓輪上。冷卻系統(tǒng)有泵和管道，它提供循環(huán)的切割冷卻液。驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)、進刀、退刀和進給等部分，如圖4-14所示。圖4-14內(nèi)圓切割機示意圖刀片的安裝對切割質(zhì)量關(guān)系很大，因此要求在運行時必須保證刀片的刀刃始終處于同一平面上，刀片的各部分所受的張力要均勻。在切割時要將冷卻液對準(zhǔn)切割刀口進行噴射，其目的是讓刀片冷卻，防止刀片在切割時產(chǎn)生大量的熱量而使刀片損壞，同時把切割下來的碎屑沖洗掉，不讓碎屑妨礙刀片正常運轉(zhuǎn)，同時冷卻液流動于刀縫之間，使刀片不至于產(chǎn)生過大的摩擦，起到潤滑作用。

切割正式單晶錠之前，往往先切割樣片，看看晶向、厚度是否符合要求，晶片的平整度和彎曲度是否正確。正式切割時，要嚴格控制進刀量，要既能保證晶片質(zhì)量又能不損傷刀片。對切割好的片子，先要清除粘結(jié)劑，再送往下道研磨工序。

晶片切割除了對晶向、厚度、平整度和彎曲度有嚴格要求外，還有少發(fā)生碎片，刀痕要淺，無踏邊等質(zhì)量要求。一般情況下，造成這些質(zhì)量問題的主要原因是：

(1)進刀速度過快，晶片因受力過大而破裂；

(2)晶錠未粘牢固，在切割中晶片跌落而破裂；

(3)冷卻液未對準(zhǔn)刀刃，從而使晶片受到過大的摩擦力；

(4)刀片變形，使晶片受力不均勻；

(5)鼓輪平衡失常從而引起振動；

(6)主軸、鼓輪、刀片不是嚴格處于同心軸旋轉(zhuǎn)。

6.刻號

為了區(qū)別和防止誤操作，往往使用條形碼和數(shù)字矩陣碼的激光刻號來區(qū)別晶圓。

7.磨片

切片后，由于表面存在一定程度的機械損傷層和表面形變，切割好的晶片表面上還留有刀痕、劃傷，甚至不夠平整，還必須通過研磨的辦法，使硅片的厚度、翹曲度、平行度得到修整并消除表面刀痕等機械損傷。

研磨實質(zhì)上是在一定壓力作用下，使晶片不斷與外加磨料進行重復(fù)性的機械摩擦。通過摩擦作用，使晶片平整、光潔，并且達到厚度要求。

研磨的效果與研磨料、研磨條件、研磨方法和設(shè)備密切相關(guān)。研磨時對磨料的要求是：對晶片的磨削性能好；磨料顆粒大小均勻；磨料具有一定的硬度和強度。

研磨時往往將金剛砂與水或油拌和作為磨料，粗磨和細磨會選擇不同的金剛砂型號來進行研磨。

研磨按照機械運動形式不同可分為旋轉(zhuǎn)式磨片法、行星式磨片法和平面磨片法等。按表面加工特點不同又可分為單面磨片法和雙面磨片法。所謂單面磨片法，就是對一面進行磨研，雙面磨片法就是兩面都要研磨。目前使用得最普遍的是行星式磨片法。采用雙面磨片機，有上下兩塊磨板，中間放置行星片，硅片就放在行星片的孔內(nèi)。磨片時，磨盤不轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒輪和中心齒輪轉(zhuǎn)動，使行星片與磨盤之間作行星式運動，以帶動硅片作行星式運動，在磨料的作用下達到研磨的目的。行星片是特殊鋼、普通碳鋼或鋅合金經(jīng)銑崗或滾齒等方法加工而成。外徑隨磨盤尺寸不同可分為幾種型號，一般特殊鋼的行星片強度大一些。研磨需注意以下事項：

(1)研磨板的選擇。研磨板是磨片機的關(guān)鍵部件，一般都采用耐磨鑄鐵或球墨鑄鐵，板面的光潔度和平整度要求很高。

(2)行星片的要求。在雙面磨片機中，上下磨板之間同時放入五個行星片，要求行星片平整，不能出現(xiàn)絲毫翹起現(xiàn)象，如果其中一個不合格造成碎片就會影響其余行星片。它的外齒應(yīng)與中心齒輪和內(nèi)齒輪很好地吻合，外齒形狀不能過尖，否則容易造成碎片。它們的磨片質(zhì)量取決于研磨設(shè)備、磨料和研磨條件等因素。對于行星式磨片法，要求磨板的材料具有一定的硬度、很高的平整度和較高的光潔度，其板面結(jié)構(gòu)要利于研磨劑的均勻流動，對單晶片的壓力均勻，并選取合適的運動形式，同時，在使用過程中，板面要經(jīng)常修整，以保證有很高的平整度或平行度。

研磨表面的損傷深度取決于與磨料及待磨材料有關(guān)的因素。對于已定材料來源，主要取決于磨料的硬度、形狀和粒度等。磨料選用合適和處理得當(dāng)，可以減少硅片邊緣的機械損傷和表面損傷層。

8.拋光

單晶片研磨后，用化學(xué)腐蝕法或X光雙晶衍射法，測出其表面仍有10μm左右損失層，且邊緣常伴有較嚴重的損傷和破碎，因此，在磨片后用腐蝕法或機械法進行倒角，化學(xué)腐蝕減薄后還要進行拋光，進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔和沒有損傷層的“理想”表面，它是晶片加工的關(guān)鍵一步。

拋光是一種表面微細加工技術(shù)，按其加工作用的不同，可以分為三種：

(1)機械拋光，如：氧化鎂、氧化硅、氧化鋯或金剛砂等微粒的機械拋光。

(2)化學(xué)拋光，如：銅離子液相化學(xué)拋光，氯化氫、水汽等高溫氣相腐蝕拋光和電解拋光。

(3)化學(xué)機械拋光，如：二氧化硅、氧化鋯、鉻離子和銅離子化學(xué)機械拋光。半導(dǎo)體器件和集成電路對晶片的質(zhì)量要求十分高。所以經(jīng)過切、磨之后，還要拋光，目的是除去硅片表面更細微的損傷層，獲得光潔平整的表面。

無論是機械拋光或化學(xué)機械拋光，拋光過程與拋光機器都與單面磨片機類似，只是拋光液和拋光過程不同而已