[理学]第二章 衬底制备.ppt

第二章 衬 底 制 备 主要内容 n2.1 衬底材料 n2.2 晶体生长 n2.3 衬底制备 2.1 衬底材料 一、衬底材料的类型 n1. 元素半导体 Si、Ge、C（金刚石） n2. 化合物半导体 GaAs、SiGe 、SiC 、GaN、 ZnO 、HgCdTe n3. 绝缘体 蓝宝石 表1 周期表中用作半导体的元素 n 族 族 族 族 族 n第2周期 B C N O n第3周期 Al Si P S n第4周期Zn Ga Ge As Se n第5周期Cd In Sn Sb Te n第6周期Hg Pb 元素半导体 Si： n占地壳重量25%； n单晶直径最大，目前32英吋（80cm）,每3年增加1 英吋； nSiO2:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多 层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料； n多晶硅（ Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、发 射极互连线（比铝布线灵活）； 元素半导体 Ge： n漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66Ev(Si:1.1Ev)； n工作温度低：75（Si:150）； nGeO2:易水解（SiO2稳定）； n本征电阻率低：47cm（Si: 2.3X105cm ）； n成本高。 二、对衬底材料的要求 n1导电类型：N型与P型都易制备； n2电阻率：0.01-105cm，且均匀性好（纵向、 横 向、微区）、可靠性高（稳定、真实） ； n3寿命（少数载流子）：晶体管长寿命； 开关器件短寿命； n4晶格完整性：无位错、低位错（；MOS-； GaAs-； n7直径： n8平整度： n9主、次定位面： n10. 禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。 三、晶体结构 n无定形（非晶） 不存在重复结构 n多晶 有一些重复结构 n单晶 一个完整的重复结构 无定形结构 多晶结构 单晶结构 单晶硅的基本单元 金刚石结构；四面体 晶向 晶向 晶向 晶面 制造MOS器件和电路 晶面 制造双极型器件和电路 晶面刻蚀凹坑 晶面刻蚀凹坑 四、起始材料-石英岩（高纯度硅砂- SiO2） n SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅：98%； n Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2， 三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32），利 用分馏法去除杂质； n SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)， 得到电子级硅 （片状多晶硅）。 2.2 晶体生长 一、直拉法（CZ法） 1 拉晶仪 炉子 n石英坩埚：盛熔融硅液； n石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； n旋转装置：顺时针转； n加热装置：RF线圈； 柴可拉斯基拉晶仪 1.拉晶仪 拉晶装置 n籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； n旋转提拉装置：逆时针； 环境控制 n真空系统： n气路系统：提供惰性气体； n排气系统： 电子控制及电源系统 直拉(CZ)法生长单晶 2.拉晶过程 例，2.5及3英吋硅单晶制备 熔硅 n调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长； 引晶（下种） n籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大； 位置-熔硅上 方； n与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断； 温度太低-籽晶不熔或不生长； 合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触， 既不会进一步融化，也不会生长； 2.拉晶过程 收颈 n 目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸； n 直径：2-3mm； n 长度：20mm； n 拉速：3.5mm/min 放肩 n 温度：降15-40； n 拉速：0.4mm/min； 2.拉晶过程 收肩 na.当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速： 2.5mm/min； nb.熔硅液面保持相对固定； 等径生长 n 拉速：1.3-1.5mm/min； 收尾 n 熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。 二、悬浮区熔法 （float zone， FZ法） n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； n缺点： 单晶直径不及CZ法。 三、水平区熔法（布里吉曼法） -GaAs单晶 直拉法 vs 区熔法 u 直拉法，更为常用(占75以上) 便宜 更大的圆片尺寸(400mm已生产) 剩余原材料可重复使用 位错密度：0104cm2 u 区熔法 高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000W-mm） 成本高，可生产圆片尺寸较小(200mm) 主要用于功率器件 位错密度：103105cm2 2.3 衬底制备 n衬底制备包括： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面 加工。 一、硅锭整型处理 定位边（参考面） 150mm或更小直径 定位槽 200mm或更大直径 截掉头尾、直径研磨和定位边或定位槽 二、晶体定向 n晶体具有各向异性，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。 1光图像定向法（表1.11） 腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许 多由低指数小平面围成、与晶面具有一定对应关系的 小腐蚀坑； 光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平 行光反映出不同的图像，从而确定晶面。 二、晶体定向 2.X射线衍射法 n方法：劳埃法；转动晶体法； n原理： 入射角应满足：n=2dsin； 晶面米勒指数h、k、l应满足：h2+k2+l2=4n-1 （n为奇数）；h2+k2+l2=4n（n为偶数）。 三、晶面标识 n原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开； n要求：划片方向与解理面一致。 n硅单晶的解理面：111 1主参考面（主定位面，主标志面） n作为选定芯片图形与晶体取向关系的参考； n作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面； n作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗； 2.次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类 型 三、晶面标识 四、晶片加工（参考庄同曾） n切片、磨片、边缘倒角、抛光 1切片 n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。 n切片基本决定了晶片的晶向、平行度、翘度， 切片损耗占1/3。 四、晶片加工 n切割方法（设备）： n 内园切割:损耗小、速度快、效率高； n 外园切割； n 往复式切割； n 导丝切割； n 超声波切割； n 电子速切割。 四、晶片加工 2.磨片 n目的： n 去除刀痕与凹凸不平； n 使加工损伤均匀； n 使各片厚度一致； n 使各硅片各处厚度均匀； n 改善平整度。 n磨料： n 要求：其硬度大于硅片硬度。 n种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等 四、晶片加工、 倒角前的圆片 倒角后的圆片 3.边缘倒角(Edge Rounding) 四、晶片加工 4.抛光 n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。 n方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光（ CMP,chemical-mechanical polishing） 机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（ 0.1-0.5m），MgO、SiO2、ZrO； n优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。 三、晶片加工 化学抛光（化学腐蚀） a.酸性腐蚀 典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比) 3Si+4 HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O 注意腐蚀温度：T=30-50,表面平滑； T75mm）; 2）不需搅拌； 3) 表面无损伤。 n缺点：平整度差 三、晶片加工 化学机械抛光（CMP) n特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。 n典型抛光液：