第一章-晶体生长和外延.ppt

大规模集成电路制造工艺,修课学生：,11级微电子：51人11级电科：1人,授课教师:,张冬利E-mail：dongli_zhang办公室：电子信息楼207,参考教材,2,成绩计算,平时：5分；旷课(-1)、迟到、早退(-1)；,作业(10分)；是否认真，是否正确，是否雷同(0分)；,期中考试：30分；考查对前半学期所学知识的理解和掌握；,期末考试：45分；考查对本学期所学知识的综合理解掌握。,3,课堂表现(10分)；回答问题()，课上表现；,单晶材料制备,大规模集成电路制造工艺,4,半导体的形态类型,非晶：原子随机性排列，没有任何周期性；多晶：原子排列在小范围内具有周期性；单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；,5,单晶,多晶,非晶,硅和砷化镓,6,金刚石结构(Si),闪锌矿结构(GaAs),晶体生长和外延,7,单晶生长：获得高质量的衬底材料；外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体；,起始材料,多晶半导体,单晶,晶片,Si,GaAs,蒸馏与还原,合成,晶体生长,晶体生长,研磨、切割抛光,研磨、切割抛光,从原料到磨光晶片的制造流程,SiO2,Ga，As,单晶硅的制备,8,起始材料:高纯度的硅砂:,可得到纯度为98%的冶金级的硅,三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质,可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一),9,柴可拉斯基法(CzochralskiTechnique),(直拉法),硅的熔点：1417oC,10,拉晶过程,1.熔硅将坩埚内多晶料全部熔化；,11,拉晶过程,2.引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；,12,收颈在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。,拉晶过程,13,放肩缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40)，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。,拉晶过程,14,等径生长当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。要严格控制温度和拉速。,拉晶过程,15,收晶晶体生长所需长度后，拉速不变、升高熔体温度或熔体温度不变、加快拉速，使晶体脱离熔体液面。,拉晶过程,16,300mm(12inch),400mm(16inch),单晶硅锭,17,单晶硅锭,450mm硅片,18,平衡分凝系数,19,由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：,Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。,杂质分布,20,熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0；当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S；,Cs为晶体中的掺杂浓度。,此时液体中剩下的重量为M0M，液体中的掺杂浓度Cl,当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(dS)为:,杂质分布,21,杂质分布,22,23,杂质分布,24,有效分凝系数,25,考虑一小段宽度为几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl；层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示：在稳态时:C代替np，v代替nE,26,高提拉速度，低旋转速度，,可以获得均匀杂质分布！,27,悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅,多晶硅棒,制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低；不需要坩埚，污染少；主要用于需要高电阻率材料的器件；,28,杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，d是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；,S0C0dAL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。,当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0dAdx，,从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)；,29,30,不同的ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。,31,一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。,32,不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。,可用来提纯！,FZ掺杂,33,如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0ClAdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：,直拉法生长单晶的特点,34,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.,改进直拉法磁控直拉技术,35,原理：在直拉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。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;减轻熔硅与坩埚作用;降低了缺陷密度,氧的含量;使扩散层厚度增大;提高了电阻分布的均匀性。,悬浮区熔法,36,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,大面积均匀掺杂,37,对某些开关器件而言，如高压可控硅，必须用到大面积芯片，对均匀度度要求较高。采用中子辐射工艺：中子在硅中的穿透深度约为100cm；,硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅,掺杂效果比较,38,砷化镓生长,39,砷化镓的起始材料是砷及镓元素来合成的多晶砷化镓;,这种组成的行为可以用“相图(phasediagram)”来描述;,例题,40,考虑一初始As组分为Cm（重量百分比刻度）的熔融态，从Ta（在液态线上）冷却到Tb，求有多少比例的融体将被凝固？,41,Ta、Tb时:砷总量不变：,蒸汽压,42,GaAs熔点蒸汽压远高于Si;,富砷时As蒸汽压高;富镓时Ga蒸汽压高;,熔点之前，GaAs表面开始分解，As先蒸发，液态时富镓；,多晶GaAs制备,43,Ga,610oC-620oC,合成GaAs在密封的真空石英管系统内进行;,形成超压As蒸气压：与镓反应，生成GaAs；防止生成的GaAs再分解；,GaAs熔体冷却时，即可生成高纯度多晶GaAs；,GaAs晶体生长,44,直拉法:,B2O3：透明;粘度大;熔点:450oC;不与GaAs反应；与SiO2反应;,GaAs中杂质,45,GaAs晶体生长,46,布理吉曼技术(Bridgmantechnique):,单晶硅锭,47,单晶硅锭整形,48,两端去除,径向研磨,定位面研磨,切片/磨片,49,1.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左右。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、SiO2、MgO等,抛光,50,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、化学机械抛光,晶面定向与晶面标识,51,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;8inch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(次标志面)识别晶向和导电类型,晶面定向与晶面标识,52,8inch以下硅片:,芯片切割,53,晶面定向与晶面标识,54,8inch以上硅片,制备好的晶圆,55,晶圆规格,56,晶体生长产生的缺陷,57,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。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。几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷,点缺陷,58,点缺陷,59,点缺陷,60,缺陷尺寸在原子量级；在三维方向上缺陷尺寸都很小；,线缺陷(位错),61,刃型位错:在晶格里额外插入一个原子平面,刃型位错特点,62,1)刃型位错有一个额外的半原子面。2)晶体中存在刃位错后,位错周围的点阵发生弹性畸变：点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的，其程度随距位错线距离增大而减小。就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。3)位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷,线缺陷(位错),63,螺位错:将晶格剪开一部分并侧移一个晶格距离,螺位错特点,64,1）无额外的半原子面；2）位错周围点阵也发生弹性畸变，但不引起体积的膨胀和收缩；3）位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。,面缺陷,65,孪晶界：某一晶面两边的晶体取向不同,以晶界为轴构成镜面对称,孪晶界,面缺陷,66,晶粒间界：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区,67,本征堆垛层错非本征堆垛层错,堆垛层错：在这种缺陷中,原子层的堆叠次序被打断;,面缺陷,68,体缺陷,由在主晶格中固有的杂质溶解度所引起;,主晶格和析出杂质间的体积失配,从而导致位错;,69,缺陷的影响,点缺陷：影响杂质的扩散运动；,线缺陷：金属杂质容易在线缺陷处析出，劣化器件性能；,面缺陷：不能用于制造集成电路；,体缺陷：不能用于制造集成电路；,硅材料的性质,70,吸杂,71,晶圆上制造器件的区域去除有害的杂质或缺陷的过程:,硅片体内氧的析出沉淀，在高温时产生位错，释放应力，位错起吸杂作用；,外延(Epitaxy),72,以衬底晶片作为晶体籽晶;外延层和衬底的材料相同时,称为同质外延(homoepitaxy)硅衬底上外延生长单晶硅；如果外延层和衬底的化学性质和晶体结构都不相同时,称为异质外延（heteroepitaxy)GaAs上生长AlxGa1-xAs外延生长比从熔体中升上温度低很多(30%-50%)最常用的外延技术：化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,MBE),化学气相沉积外延,73,通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺;常压(AtmosphericPressureCVD)低压(LowPressureCVD);,反应物输送到衬底的区域;转移到衬底表面并且被吸收;发生化学反应并外延生长;气相生成物被释放到主气体流中;反应生成物被输送出反应炉外.,硅的气相外延,74,四种硅源被用作气相外延生长:四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(SiHCl3)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、和硅烷(SiH4)；四氯化硅研究得最透彻，且广泛地应用在工业界，其主要的反应温度是1200；,从四氯硅烷生长硅的反应如下：,SiCl4(气体)+2H2(气体)Si(固体)+4HCl(气体),硅的气相外延,75,从四氯硅烷生长硅的反应如下：,SiCl4(气体)+2H2(气体)Si(固体)+4HCl(气体),额外竞争反应：,其他硅源之所以被使用，是因为它们有较低的反应温度,四氯化硅中，每用氢取代一个氯原子，反应温度约降低50,SiCl4与硅外延生长,76,SiCl4在气体中的摩尔比例,腐蚀反应可以用于外延生长之前的表面清洁。,硅的气相外延掺杂,77,单晶硅在生长的过程中可以实现掺杂；将含有杂质的气体与硅源气体一起引入；在高温下杂质的氢化物将分解；,2As+3H2,2AsH3,N型掺杂：,1000oC,2PH3,2P+3H2,1000oC,P型掺杂：,硅外延掺杂过程,78,GaAs的外延,79,4AsH3As4+6H2（1）,As4+4GaCl3+6H24GaAs+12HCl（3）,6HCl+2Ga2GaCl3+3H2（2）,砷化镓的衬底晶片一般维持在650到850的范围;砷的过蒸气压(overpressure)防止衬底和生长层的热分解;,砷化镓CVD外延生长：,GaAs的外延,80,金属有机气相外延(MetalOrganicCVD):以热分解为基础的气相外延方法;适用于不能形成稳定的氢化物或卤化物,但能形成稳定的金属有机化合物的元素;广泛应用与III-V和II-VI族化合物的异质外延上;,利用三甲基镓Ga(CH3)3)得到Ga,利用砷烷(AsH3)得到As:,外延及掺杂,81,砷化铝(AlAs),可以使用三甲基铝Al(CH3)3;二乙基锌Zn(C2H5)2或二乙基镉Cd(C2H5)2作为p型掺杂剂;硅烷(SiH4)作为n型的掺杂剂;硫和硒的氢化物或四甲基锡Sn(CH3)4亦可作为n型的掺杂剂;利用氯化铬将铬掺入砷化镓中形成半绝缘层;,易燃、剧毒！,MOCVD示意图,82,分子束外延,83,在超高真空下(约10-8Pa),一个或多个热原子或热分子束在晶体表面反应的外延工艺;,MBE能够非常精确地控制化学组成和掺杂浓度分布；能够制作厚度只有原子层量级的单晶多层结构,超高真空下外延,84,300K条件下,要得到氧分子Ns为7.541014个/cm-2(假设100%附着):,撞击率：有多少个分子/原子在单位时间内撞击在单位面积的衬底上,个/cm2s,但是为了避免污染，MBE工艺保持在超高真空中进行(约10-8Pa)是至为重要的。,超高真空下外延,85,对于室温下的气体分子(相当于分子直径为3.7)而言:,=660km！,平均自由程:分子在各次碰撞期间,其平均经过的距离：,P为压强,其单位为Pa,压强为10-8Pa时,临场清洁,86,洁净表面:污染物对器件特性的影响在可以忽略范围以下;,处理方法：高温烘焙:可分解自然氧化层和其它吸附物质；缺点：很难实现大尺寸的硅片的均匀加热;离子束溅射:利用惰性气体的低能离子束去溅射清洁表面+低温退火修复晶格表面;优点:对表面污染不敏感，可以去除各种污染物；缺点:溅射对晶格造成的损伤不易恢复；光学清洁处理:通过脉冲激光反复照射,将辐射能转化为热能；活性离子束法:在1000K左右退火温度,通小束的Si流,将SiO2还原为SiO,外延层的结构,87,同质外延：单晶半导体层是生长在单晶的半导体衬底上，半导体层和衬底为相同的材料，有相同的晶格常数；同质外延工艺提供了一种控制掺杂浓度分布的重要方法,相对低浓度的n型硅层可以外延生长在n+硅衬底上;,异质外延：外延层和衬底是两种不同的半导体，且外延层的生长必须维持理想的界面结构，这表示穿过界面的化学键必须连续而不被打断。这两种