1、半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 1 半导体器件与工艺 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 2 一一、衬底材料的类型衬底材料的类型 1. 元素半导体 Si、Ge. 2. 化合物半导体 GaAs、SiC 、GaN 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 3 二、对衬底材料的要求二、对衬底材料的要求 导电类型：N型与P型都易制备； 电阻率：0.01-105 cm，均匀性好（纵向、横向、微区）、可 靠性高（稳定、真实）； 寿命（少数载流子）：晶体管长寿命； 开关器件短寿命； 晶格完整性：低位错（1，ke 1， 所以为了得到均匀的掺杂分布， 可以通过较高的
2、拉 晶速率和较低的旋转速率。 D: 熔液中掺杂的扩散系数 00 00 0 vCC dx dC D CCsx ,CCx sl x l l 时， 时，边界条件： sl sl D/vx CC CC e 0 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 19 直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点 优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制 电阻率径向均匀性 缺点：石英坩埚内壁被熔硅硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易 引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10- 40ppm) 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 20
3、二二、改进直拉生长法改进直拉生长法磁控直拉技术磁控直拉技术 原理： 在直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁 场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运 动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而除 磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。 优点：减少温度波动；减轻熔硅硅与坩埚作用；使扩散层厚度增大 降低了缺陷密度，氧的含量，提高了电阻分布的均匀性。 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 21 三、悬浮区熔法（float-zone，FZ法） 方法：方法： 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。
4、 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 22 悬浮区熔法（float-zone，FZ法） 特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳； 缺点: 单晶直径不及CZ法 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 23 掺杂分布 dx L Sk AdxCdS e d 0 Lxk es e ekCC / 0 )1 (1 xs ALC ed dL/SkAC ds dx 0 0 0 假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），d为硅的比 重，S为熔融带中杂质的含量，那么当熔融带移动dx距离时，熔融 带中杂质的浓度
5、变化dS为： LA Sk C d e s 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 24 区熔提纯 利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长 从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被 集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。 一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（K=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 25 多次区熔提纯 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 26 衬底制备 衬底制备包括： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工 半导体制备工艺原理 第一章第一章
6、晶体生长晶体生长 27 整型 两端去除 径向研磨 定位面研磨 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 28 晶面定向与晶面标识 由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必 须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件：111面； MOS器件：100面。8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指 示晶向和导电类型。 1主参考面（主定位面，主标志面） 作为器件与晶体取向关系的参考； 作为机械设备自动加工定位的参考； 作为硅片装架的接触位置； 2. 次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类型 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 29 8 i
7、nch 以下硅片 8 inch 以上硅片 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 30 切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光 1切片 将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。 切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片损耗占1/3。 2.磨片 目的： 去除刀痕与凹凸不平； 改善平整度； 使硅片厚度一致； 磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 31 3.抛光 目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无 损层的“理想”表面。 方法：机械抛光、化学抛光、
8、化学机械抛光 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 32 晶体缺陷晶体缺陷 缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点 阵结构发生偏差的区域。阵结构发生偏差的区域。 理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。 几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 33 点缺陷点缺陷 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都
9、很小。缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 34 线缺陷线缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺 陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错刃型位错和螺位错。 刃型位错刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样， 沿刀刃方向的位错为刃型位错。沿刀刃方向的位错为刃型位错。
10、 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 35 螺位错螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一 侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处拐角处 的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错 线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错 半导
11、体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 36 面缺陷面缺陷 二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在 二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。晶粒间界以及堆垛层错。 孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系） 构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。 晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。 孪晶界 晶粒间界 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体
12、生长晶体生长 37 堆垛层错是指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误， 从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布 。 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 38 体缺陷体缺陷 由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入的数量超过晶 体可接受的浓度时， 杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。 半导体制备工艺原理 第一章第一章 晶体生长晶体生长 39 本节课主要内容本节课主要内容 硅单晶的制备：硅单晶的制备：CZ 直拉法直拉法、 悬浮区熔法 掺杂分布：掺杂分布： 有效分凝系数 衬底制备： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工 晶体缺陷：晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷
