微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备.pptx

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1、1第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备第1页/共98页第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料 半导体是人们将物质按电学性质进行半导体是人们将物质按电学性质进行分类时所赋予的一个名称。我们通常分类时所赋予的一个名称。我们通常把导电性能介于导体和绝缘体之间的把导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体有硅、物质称为半导体。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等等。硅等等。第2页/共98页三月 233第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体本征半导体2、*掺杂半导体掺杂半导体3、*半导体材料半导体

2、材料第3页/共98页4第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料1、本征半导体有两类本征半导体：有两类本征半导体：n半导体元素半导体元素 硅和锗硅和锗n化合物材料化合物材料 砷化镓和磷化镓砷化镓和磷化镓定义：定义：处于纯净的状态而不是掺杂了其他处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。物质的半导体。第4页/共98页5第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体本征半导体2、*掺杂半导体掺杂半导体（1）掺杂半导体的来源）掺杂半导体的来源（2）掺杂半导体和金属导电的区别）掺杂半导体和金属导电的区别（3）载流子的迁移率）载流子的迁移率3、*半导体材料半导体材料第5页/共98页6第2

3、章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料2、掺杂半导体半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。解决办法：解决办法：掺杂工艺，把特定的元素引入到本征半导体材料中掺杂工艺，把特定的元素引入到本征半导体材料中效果：效果：提高本征半导体的导电性提高本征半导体的导电性（1）掺杂半导体的来源）掺杂半导体的来源第6页/共98页7第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料2、掺杂半导体金属：金属：电阻率固定，改变电阻只有改变其形状。只能通过电子的移动来导电只能通过电子的移动来导电，金属永远是，金属永远是N N型的。型的。掺杂半导体的特性：掺杂半导体的特性：A：

4、通过掺杂浓度精确控制电阻率 B：通过掺杂元素的选择控制导电类型（电子N型或空穴P型导电）（2）掺杂半导体和金属导电的区别）掺杂半导体和金属导电的区别第7页/共98页8第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料2、掺杂半导体（2）掺杂半导体和金属导电的区别）掺杂半导体和金属导电的区别acceptor donor第8页/共98页第9页/共98页10第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料2、掺杂半导体（3）载流子的迁移率）载流子的迁移率从图中可以看出：从图中可以看出：随着掺杂浓度的提高，电随着掺杂浓度的提高，电阻率降低。阻率降低。移动一个电子或空穴所需移动一个电子或空穴所需的能量不同。由此推

5、出：的能量不同。由此推出：电子的迁移率比空穴的迁电子的迁移率比空穴的迁移率要高一些。移率要高一些。第10页/共98页11第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体本征半导体2、*掺杂半导体掺杂半导体3、*半导体材料半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）硅和锗（两种重要的半导体）（2）砷化镓）砷化镓（3）硅作为电子材料的优势）硅作为电子材料的优势第11页/共98页三月 2312第 2章 半 导 体 材 料 和 晶 圆 制 备 一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）硅和锗（两种重要的半导体）虽然第一个晶体管使用虽然第一个晶体管使用Ge材料，但是材料，但是G

6、e材料在工艺和性材料在工艺和性能上有一定的问题：能上有一定的问题：Si材料很好的解决了上述问题：材料很好的解决了上述问题：A：熔点相对比较：熔点相对比较低，低，937的熔点限的熔点限制了某些高温工艺制了某些高温工艺B：缺少自然形成：缺少自然形成的氧化物，易漏电的氧化物，易漏电A：熔点：熔点1415，允许更高温工艺允许更高温工艺B：二氧化硅薄膜很好的解：二氧化硅薄膜很好的解决了漏电问题决了漏电问题第12页/共98页13第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）硅和锗（两种重要的半导体）硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95%左

7、右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。第13页/共98页14第 2章 半 导 体 材 料 和 晶 圆 制 备 一、半导体材料3、半导体材料（3）硅作为电子材料的优势）硅作为电子材料的优势A:原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；B:机械强度高；机械强度高；C:比重小，密度只有比重小，密度只有2.33g/cm3；D:pn结表面易于生长结表面易于生长i2，对结起到保护作用；，对结起到保护作用；G:导热性好导热性好E:制备的单晶缺陷小；制备的单晶缺陷小；F:能够制造大尺寸基片，硅片直径已达能够制造大尺寸基片，硅片

8、直径已达16英寸；英寸；第14页/共98页15第2章 半导体材料和晶圆制备 一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓）砷化镓常见到的半导体化合物有砷化镓（常见到的半导体化合物有砷化镓（GaAs）、磷化铟）、磷化铟（InP）以及磷砷化镓（）以及磷砷化镓（GaAsP），），其中其中GaAs最常用的化最常用的化合物半导体材料。合物半导体材料。A：GaAs的载流子迁移率高，适合于做超过吉赫兹的高速IC。例如：飞机控制和超高速计算机。B：对辐射所造成的漏电具有抵抗性，即GaAs是天然辐射硬化的。C：GaAs是半绝缘的。使临近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。第15页/共98页16第2章 半导体材料和

9、晶圆制备 一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓）砷化镓砷化镓不会取代硅成为主流的半导体材料。原因：砷化镓不会取代硅成为主流的半导体材料。原因：A：大多数产品不必太快。B：砷化镓同Ge一样没有天然的氧化物，必须淀积多层绝缘层工艺时间加长。C：GaAs含有对人类有害的砷元素，处理增加成本。D：砷化镓的生产工艺比硅落后：砷化镓的生产工艺比硅落后第16页/共98页17第2章 半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备第17页/共98页18第2章 半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、*结晶学和晶体结构结晶学和晶体结构（1）概述）概述（2）晶体缺陷）晶体缺陷（3）晶向）晶向2、*晶圆制备晶圆制备第

10、18页/共98页19第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1 1、结晶学和晶体结构、结晶学和晶体结构微电子业常用单晶硅（如硅片、外延层）和多晶硅（如薄膜）。硅片是高度完美的单晶，但也存在缺陷。晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响硅是四族元素，金刚石结构。在本征半导体中晶胞是不规则 排列的，称为多晶，晶胞间整洁而规则的排列才是单晶结构（1）概述）概述第19页/共98页硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点 晶胞晶胞一、基本概念一、基本概念晶格：晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。晶胞：晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整 个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即 可产

11、生整个晶格。第20页/共98页晶晶格格常常数数：晶胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不不需需要要正正交交，而且在长度上不不一一定定相相同同，称为晶格常数。单晶体：单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。多晶体：多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶 体。第21页/共98页简单立方晶格简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且 每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周 期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。体心立方晶格体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个 原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近

12、原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxz二、三种立方晶体原胞二、三种立方晶体原胞第22页/共98页面心立方晶格面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很 多 元 素 具 有 面 心 立 方 结 构，包 括 铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。z第23页/共98页 共价四面体共价四面体一、硅的晶胞一、硅的晶胞 处在立方体处在立方体顶角和顶角和面心的原子构成一套面心的原子构成一套面面心立方格子，心立方格子，处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格

13、子。因此可以处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一长度套构而成的长度套构而成的。这种晶胞称为。这种晶胞称为金刚石型结构的立方晶胞，的立方晶胞，如下图所示。如下图所示。第24页/共98页金刚石型结构特点：每每个个原原子子周周围围都都有有四四个个最最近近邻邻的的原原子子，组组成成一一个个正正四四面面体体结结构构。这这四四个个原原子子分分别别处处在在正正四四面面体体的的顶顶角角上上，任任一一顶顶角角上上的的原原子子和和中中心心原原子子各各贡贡献献一一个个价价电电子子为为该该两两个个原

14、原子子所所共共有有，组组成成四四个个共共价价键键，它它们们之之间间具具有有相相同同的的夹夹角角（键键角角）10928。二、共价四面体二、共价四面体第25页/共98页金刚石型结构的结晶学原胞 是是立立方方对对称称的的晶晶胞胞，可可以以看看成成是是两两个个面面心心立立方方晶晶胞胞沿沿立立方方体体的的空空间间对对角角线线互互相相位位移移了了14的的空空间间对对角角线线长长度度套套构构而而成成的的。原原子子在在晶晶胞胞中中排列的的情情况况是是：八八个个原原子子位位于于立立方方体体的的八八个个角角顶顶上上，六六个个原原子子位位于于六六个个面面中中心心上上，晶晶胞胞内内部部有有四四个个原子。立方体顶角和面

15、心上的原子。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。的复式晶格。晶格常数 Si：a=5.65754 Ge：a=5.43089第26页/共98页例例题：题：硅在300K时的晶格常数a为5.43。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占的空间体积为，因此每立方厘米体积中的硅原子数为：1/a3/8=8/a3=8/(5.43108)3=51022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数=5102228.0

16、9/(6.021023)g/cm3=2.33g/cm3 原子密度原子密度第27页/共98页例例题题:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方晶胞的空间比率。圆球半径定义为晶体中最小原子间距的一半，即 。yxz 晶体内部的空隙晶体内部的空隙解：球的体积为：每个硅原子在晶体内所占的空间体积为：则空间利用率为：空隙为66%第28页/共98页晶向、晶面和晶向、晶面和堆积模型堆积模型晶向晶向一、晶列一、晶列 晶体晶格中的原子被看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。同一晶体中存在许多取向不同的晶列，在不同取向的晶列上原子

17、排列情况一般是不同的。二、晶向二、晶向1.定义定义：表示一族晶列所指的方向。第29页/共98页2.晶向指数晶向指数 以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任一格点作为原点，则其它所有格点的位置位置可由矢量：给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量：的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作m1、m2、m3，称为晶向指数。第30页/共98页3.硅晶体

18、不同晶向上的原子分布情况硅晶体不同晶向上的原子分布情况第31页/共98页 晶面晶面一、定义一、定义 晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同的。二、米勒指数二、米勒指数用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负整数。通常就用h1、h2、h3来标记晶面，称它们为晶面指数(或米勒指数)。第32页/共98页关于米勒指数的一些其他规定：l()：代表在x轴上截距为负的平面，如lhkl：代表相对称的平面群，如在立方

19、对称平面中，可用100表示(100)，(010)，(001)，六个平面。lhkl：代表一晶体的方向，如100方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而111则表示垂直于(111)平面的方向。l：代表等效方向的所有方向组，如代表100、010、001、六个等效方向的族群。第33页/共98页三、立方晶系的几种主要晶面三、立方晶系的几种主要晶面第34页/共98页四、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第35页/共98页36第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷）晶体缺陷*定义定义晶体缺陷的影响晶体缺陷的影响半导体器件需要

20、高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A A：生长出不均匀的二氧化硅膜：生长出不均匀的二氧化硅膜B B：淀积的外延膜质量差：淀积的外延膜质量差C C：掺杂层不均匀：掺杂层不均匀D D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。常工作。第36页/共98页37第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷）晶体缺陷*3类重要的晶体缺类重要的晶体缺陷陷A：点缺陷 形成原因晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成

21、原因晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏本征堆垛层错非本征堆垛层错替位杂质空位Frenkel填隙杂质第37页/共98页38第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷）晶体缺陷*3类重要的晶体缺陷类重要的晶体缺陷C C：原生缺陷：原生缺陷常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。废的主要原因。第38页/共98页39第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶

22、体结构（2）晶体缺陷）晶体缺陷*缺陷的去除缺陷的去除器件有源区的缺陷（晶体管所在位置）影响器件性能，必须设法减少：n单晶生长时的工艺控制；n非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；n本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧淀积有吸杂作用，是一种本征吸杂。第39页/共98页40第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（3）晶向（用密勒指数表示）晶向（用密勒指数表示）*A：硅晶圆中最常使用的晶向是和晶向的晶圆用来制造晶向的晶圆用来制造MOSMOS器件和电路器件和电路晶向的晶圆用来制造双极性器件和电路晶向的晶圆用来制造双极性器件和电路砷化镓晶体只能沿砷化镓晶体只能

23、沿晶向进行切割晶向进行切割第40页/共98页41第2章 半导体材料和晶圆制备 二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（3）晶向（用密勒指数表示）晶向（用密勒指数表示）*B B：当晶圆沿晶向破碎时：当晶圆沿晶向破碎时第41页/共98页42第2章 半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、结晶学和晶体结构、结晶学和晶体结构2、晶圆制备晶圆制备（1）获取多晶获取多晶（2）晶体生长）晶体生长 （3）硅片制备硅片制备第42页/共98页43第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备硅晶圆制备的四个阶段（对应于芯片制造的前两个阶段）硅晶圆制备的四个阶段（对应于芯片制造的前两个阶段）A：矿石到高纯

24、气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备 u芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第一阶段：材料准备u芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备第43页/共98页44第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶冶炼冶炼SiO2+C Si+CO得得到到的的是是冶冶金金级级硅硅，主主要要杂杂质质：Fe、Al、C、B、P、Cu要要进进一步提纯。一步提纯。酸洗酸洗硅硅不不溶溶于于酸酸，所所以以粗粗硅硅的的初初步步提提纯纯是是用用HCl、H2SO4、王王水水，HF等混

25、酸泡洗至等混酸泡洗至Si含量含量99.7%以上。以上。第44页/共98页45第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶精馏提纯精馏提纯n将酸洗过的硅转化为将酸洗过的硅转化为SiHCl3或或 SiCl4，Si +3HCl（g）SiHCl3 +H2 Si +2Cl2 SiCl4 好处：好处：常常温温下下SiHCl3 与与SiCl4都都是是气气态态，SiHCl3的的沸沸点点仅仅为为31n精馏获得高纯的精馏获得高纯的SiHCl3或或SiCl4第45页/共98页46第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶还原还原 多用多用H2来还原来还原SiHCl3

26、或或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2 Si +4HCl SiHCl3+H2 Si +3HCl 原因：原因：氢气易于净化，且在氢气易于净化，且在Si中溶解度极低中溶解度极低第46页/共98页47第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长）晶体生长定义定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：按制备时有无使用坩埚分为两类：n有坩埚的：直拉法、磁控直有坩埚的：直拉法、磁控直 拉法液体掩盖直拉法；拉法液体掩盖直拉法；n无坩埚的：悬浮区熔法无坩埚的：悬浮区熔法。第

27、47页/共98页48第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长直拉法直拉法Czochralski法法（CZ法）法）方法方法在在坩坩埚埚中中放放入入多多晶晶硅硅，加加热热使使之之熔熔融融，用用一一个个夹夹头头夹夹住住一一块块适适当当晶晶向向的的籽籽晶晶，将将它它悬悬浮浮在在坩坩埚埚上上，拉拉制制时时，一一端端插插入入熔熔体体直直到到熔熔化化，然然后后再再缓缓慢慢向向上上提提拉拉，这这时时在在液液-固固界界面面经过逐渐冷凝就形成了单晶。经过逐渐冷凝就形成了单晶。起源起源1918年年由由Czochralski（恰恰克克拉拉斯斯基基法法）从从熔熔融融金金属属中中拉拉制制细细灯

28、灯丝丝，50年年代代开开发发出出与与此此类类似似的的直直拉拉法法生生长长单单晶晶硅硅，这这是是生长单晶硅的生长单晶硅的主流主流技术。技术。第48页/共98页49直拉法直拉法-Czochralski法法（CZ法）法）第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长第49页/共98页50（2）晶体生长）晶体生长直拉法（直拉法（CZ法）法）三部分组成：三部分组成：炉体部分炉体部分，有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动装置有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动装置；加热控温系统，加热控温系统，有光学高温计、加热器、隔热装置等；有光学高温计、加热器、隔热装置等；真空部分，真空部分，有机械泵、扩

29、散泵、测真空计等。有机械泵、扩散泵、测真空计等。第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长第50页/共98页51直拉法（直拉法（CZ法）法）单晶炉单晶炉第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长第51页/共98页52直拉法直拉法-Czochralski法法（CZ法）法）CZ法法工艺流程工艺流程准备准备腐蚀清洗多晶腐蚀清洗多晶籽晶准备籽晶准备装炉装炉真空操作真空操作 开炉开炉升温升温水冷水冷通气通气 生长生长引晶引晶缩晶缩晶放肩放肩等径生长等径生长收尾收尾 停炉停炉降温降温停气停气停止抽真空停止抽真空开炉开炉第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶

30、圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长第52页/共98页53直拉法（直拉法（CZ法）法）CZ法法工艺流程工艺流程生长部分的步骤生长部分的步骤u引晶引晶 将籽晶与熔体很好的接触。将籽晶与熔体很好的接触。u缩晶缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分 直径只有直径只有2-3mm，获得完好单晶。，获得完好单晶。u放肩放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸。将晶体直径放大至需要的尺寸。u等径生长等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。直径大拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。直径大 小由拉升速度、转速，以及温度控制。小由拉升速度、转速，以及温度控制。u收

31、尾收尾 结束单晶生长。结束单晶生长。第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长第53页/共98页54第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长直拉法（直拉法（CZ法）法）Si棒头部放大棒头部放大第54页/共98页第55页/共98页56第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长液体掩盖直拉法（液体掩盖直拉法（LEC法）法）液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。本质上它和标准的直拉法（CZ）一样，为砷化镓做了一定改进。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。第56页/共98页57

32、第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长区熔法区熔法直拉法的一个缺点：坩埚中的氧进入晶体。对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。第57页/共98页58第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长区熔法区熔法区熔法装置区熔法装置第58页/共98页第59页/共98页60第2章 半导体材料和晶圆制备

33、二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长直拉法和直拉法和区熔法的比较区熔法的比较第60页/共98页61第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长硅棒举例（北京有色金属总院）硅棒举例（北京有色金属总院）12英英寸寸，等等径径长长400mm，晶体重晶体重81Kg。第61页/共98页第62页/共98页63第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长掺杂掺杂直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。n掺杂元素的选择 n掺杂方式n杂质分布 第63页/共98页64第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆

34、制备（2）晶体生长掺杂掺杂杂质类型的选择杂质类型的选择A：掺杂元素的选择掺杂元素的选择硼、磷硼、磷P-型掺杂、型掺杂、N型掺杂型掺杂第64页/共98页65第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长掺杂掺杂n液相掺杂n直接掺元素直接掺元素n母合金掺杂母合金掺杂 n气相掺杂 n中子辐照（NTD）掺杂中子嬗变掺杂技术。B：掺杂方式掺杂方式第65页/共98页66第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长掺杂掺杂将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需的计量掺入合金。n这种方法适于制备一般浓度的掺杂。B2：

35、母合金掺杂：母合金掺杂B1：直接掺杂：直接掺杂在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度第66页/共98页67第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2、晶圆制备（2 2）晶体生长）晶体生长掺杂掺杂n硅有三种同位素：28Si 92.2%,29Si 4.7%,30Si 3.0%，其中30Si有中子嬗变现象：30Si 31Si+31Si 31P+n31P是稳定的施主杂质，对单晶棒进行中子辐照，就能获得均匀的n型硅。B2：中子辐照（：中子辐照（NTD）掺杂）掺杂第67页/共98页68第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备C、掺杂分布 由于晶体是从熔融液中拉出来的，混合在

36、单晶（固体）中的掺杂浓度和在固体-液体界面处的熔融液（液体）中是不同的。当晶体生长时，所掺杂的杂质会持续不断地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比掺杂扩散或搅动而产生的传送速率高时，在界面处就会有浓度梯度产生。分凝系数平衡分凝系数有效分凝系数第68页/共98页69第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备 平衡分凝系数平衡分凝系数其中：和分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度。分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度。绝大多数平衡分凝系数都小于绝大多数平衡分凝系数都小于1。说明随着晶体的生长，熔融液中的掺杂浓度会越来越高。说明随着晶体的生长，熔融液中的掺杂浓度会越来越高C C、掺杂分布、掺杂分布第

37、69页/共98页70第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备平衡分凝系数平衡分凝系数假设从一熔融液中生长晶体，熔融液的初始重量为假设从一熔融液中生长晶体，熔融液的初始重量为M0，其初始掺杂浓度为其初始掺杂浓度为C0（每克熔融液（每克熔融液所掺杂的重量）。在生长过程中，假设已生长成晶体的重量为所掺杂的重量）。在生长过程中，假设已生长成晶体的重量为M，依然留在熔融液中的掺杂数量，依然留在熔融液中的掺杂数量（以重量表示）为（以重量表示）为S。当晶体增加。当晶体增加dM 的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量（的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量（-dS）为）为此时熔融液中所剩重量为此时熔融液中所剩重

38、量为M0-M，熔融液中掺杂浓度（以重量表示）为，熔融液中掺杂浓度（以重量表示）为第70页/共98页71第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备将代入得若初始掺杂重量为若初始掺杂重量为C0M0，我们可以对上式积分：，我们可以对上式积分：解方程得：解方程得：在晶体生长过程中，晶体中初始的掺杂浓度为在晶体生长过程中，晶体中初始的掺杂浓度为k k0 0C C0 0,如果如果k k0 0111时，掺杂浓度将会持续减少；当时，掺杂浓度将会持续减少；当k k0 011时，可以获得均匀的掺杂浓度时，可以获得均匀的掺杂浓度分布。分布。第71页/共98页72第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备例题：一个用

39、直拉法所生长的硅锭，应在熔融液中掺入多少硼原子，才能使其每立方厘米包含1016个硼原子？假设开始在坩埚里有60kg的硅，若要达到上述掺杂浓度应该加入多少克硼（硼的摩尔质量为10.8g）？已知熔融硅的密度为2.53g/cm3,掺硼时的平衡分凝系数k k0 0=0.8=0.8解：假设在整个晶体生长过程中解：假设在整个晶体生长过程中则硼原子在熔融硅中的初始浓度为则硼原子在熔融硅中的初始浓度为因为硼原子的浓度是如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的重量来计算，因为硼原子的浓度是如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的重量来计算，因此，因此，60kg熔融液的体积为熔融液的体积为则硼原子在熔融液中的总数

40、为则硼原子在熔融液中的总数为所以需掺硼的重量为所以需掺硼的重量为第72页/共98页73第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备有效分凝系数ke 浓度梯度产生与熔融液中掺杂的扩散系数D，和单晶生长速率有关，因此，要想使晶锭获得均匀的掺杂分布，可通过较高的拉晶速率和较低的旋转速率而得到（也就是使keke 0）。另一种方法是单晶生长过程中持续不断地向熔融液中添加高纯度的多晶硅，使熔融液初始的掺杂浓度维持不变（因为一般情况下，CsCl）当晶体生长时，所掺杂的杂质会持续不断地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比掺杂扩散或搅动而产生的传送速率高时，在界面处就会有浓度梯度产生。第73页/共98页74第2章

41、半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2 2、晶圆制备（、晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）和电阻率检查）切片切片研磨研磨化学机械抛光（化学机械抛光（CMP）背处理背处理双面抛光双面抛光边缘倒角边缘倒角抛光抛光检验检验氧化或外延工艺氧化或外延工艺打包封装打包封装硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：第74页/共98页75第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2 2、晶圆制备（、晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备直径滚磨直径滚磨晶体定向晶体定向是由x射线衍射

42、或平行光衍射仪来确定的第75页/共98页76第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2 2、晶圆制备（、晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备导电类型的测试导电类型的测试：热点测试仪极性仪热点测试仪极性仪电阻率的测量：电阻率的测量：四探针测试仪四探针测试仪电阻率的测量要沿着晶体的轴向进行电阻率的测量要沿着晶体的轴向进行晶体准备晶体准备第76页/共98页77第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2 2、晶圆制备（、晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备如何根据参考面辨别晶向和导电类型如何根据参考面辨别晶向和导电类型第77页/共98页78第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备研磨背处理第78

43、页/共98页边缘倒角第79页/共98页抛光第80页/共98页化学机械抛光（CMP）第81页/共98页双面抛光双面抛光以获得局部平整度以获得局部平整度2525mm测量测量时小于时小于0.250.18m的规格要求的规格要求第82页/共98页83第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备2 2、晶圆制备（、晶圆制备（3 3）硅片制备）硅片制备切片第83页/共98页第84页/共98页检验氧化或外延工艺打包封装第85页/共98页第86页/共98页87第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备3 3、芯片制造阶段、芯片制造阶段集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片第87页/共98页第2章 半导体材料

44、和晶圆制备 二、晶圆制备3 3、芯片制造阶段、芯片制造阶段、芯片制造阶段、芯片制造阶段第88页/共98页89第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备3 3、芯片制造阶段、芯片制造阶段高性能16位CPU（8086）高性能16位CPU（1750）第89页/共98页90第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备3 3、芯片制造阶段、芯片制造阶段System on a Chip(SoC)SoCSoC（System on a ChipSystem on a Chip）CPUDSPAnalogIFROMPCBPCB（SystemSystem）第90页/共98页91第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制

45、备3 3、芯片制造阶段、芯片制造阶段管脚数：329pins晶体管数：200万封装：PBGA主频：133MHz面积：4.1X4.1mm2工艺：TSMC0.25um第91页/共98页工艺的突飞猛进第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备第92页/共98页第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备第93页/共98页工艺的突飞猛进第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备第94页/共98页工艺的突飞猛进第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备第95页/共98页工艺的突飞猛进第2章 半导体材料和晶圆制备 二、晶圆制备第96页/共98页97（1）列出三类晶体缺陷并说明其形成的原因列出三类晶体缺陷并说明

46、其形成的原因（2 2）说出掺杂半导体的两种特性）说出掺杂半导体的两种特性（3 3）列出三种主要的半导体材料、比较其优缺点）列出三种主要的半导体材料、比较其优缺点（4 4）解释）解释N N型和型和P P型半导体材料在组成电性能方面的不同型半导体材料在组成电性能方面的不同（5 5）画画 出出 两两 种种 重重 要要 的的 晶晶 圆圆 晶晶 向向 示示 意意 图图，说说 明明 如如 何何 根根 据据 WaferWafer的的主主副副切切面面确确定定其其导导电电类类型型和和晶晶向向并并指指出出这这种种WaferWafer适适合合于于何种器件或电路的制作何种器件或电路的制作（6 6）常常见见晶晶体体生生长长的的方方法法有有哪哪些些，说说明明直直拉拉法法的的工工作作过过程程，对对比直拉法和区熔法的优缺点比直拉法和区熔法的优缺点（7 7）画出晶圆制备的完整工艺流程图）画出晶圆制备的完整工艺流程图（8 8）会求解直拉法生长单晶的掺杂浓度）会求解直拉法生长单晶的掺杂浓度作业第97页/共98页感谢您的观看！第98页/共98页