半导体材料课件

1一、晶體結構二、晶面與晶向三、晶體中的缺陷和雜質四、單晶矽的製備五、晶圓加工

半導體材料2

晶體結構

晶體可分為單晶和多晶，若在整塊材料中，原子都是規則的、週期性的重複排列的，一種結構貫穿整體，這樣的晶體稱為單晶，如石英單晶，矽單晶，岩鹽單晶等。多晶是由大量微小的單晶隨機堆砌成的整塊材料。實際的晶體絕大部分是多晶，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。由於多晶中各晶粒排列的相對取向各不相同，其宏觀性質往往表現為各向同性，外形也不具有規則性。3半導體材料矽、鍺等都屬金剛石結構。金剛石結構可以看成是沿體對角線相互錯開四分之一對角線長度的面心立方元胞套構而成的。4晶面與晶向晶體具有各向異性的特徵，在研究晶體的物理特徵時，通常必須標明是位於什麼方位的面上或沿晶體的什麼方向，為此引入晶面與晶向的概念。為了便於確定和區別晶體中不同方位的晶向和晶面，國際上通用密勒指數來統一標定晶向指數與晶面指數。1.晶向指數：以晶胞的某一陣點O為原點，過原點O設定坐標軸X、Y、Z，以晶胞點陣向量的長度作為坐標軸的長度單位；過原點O作一平行於待定晶向的直線，在該直線上5選取距原點O最近的一個陣點，確定此點的3個座標值；將這3個座標值化為最小整數u，v，w，加以方括號。[uvw]即為待定晶向的晶向指數。晶向指數代表所有相互平行、方向一致的晶向。

62.晶面指數在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶向指數時相同；選出晶面族中不經過原點的晶面，確定該晶面在各坐標軸上的截距；取各截距的倒數；將三倒數化為互質的整數比，並加上圓括號，即表示該晶面的指數，記為(hkl)。當晶面的某一截距為負數時，在相應的指數上部加“-”號。當晶面與某一坐標軸平行時，則認為晶面與該軸的截距為∞，其倒數為0。7晶面指數所代表的不僅是某一晶面，而是代表所有相互平行的晶面。8晶體中的缺陷按在空間的幾何構型可將缺陷分為點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。

1．點缺陷點缺陷是以晶體中空位、間隙原子、雜質原子為中心，在一個或幾個晶格常數的微觀區域內，晶格結構偏離嚴格週期性而形成的畸變區域。2．線缺陷晶體內部偏離週期性點陣結構的一維缺陷為線缺陷。晶體中最重要的一種線缺陷是位錯。93．面缺陷和體缺陷對於晶體來講，還存在面缺陷（層錯）和體缺陷（包裹體）等。由於堆積次序發生錯亂形成的缺陷叫做堆垛層錯，簡稱層錯。層錯是一種區域性的缺陷，在層錯以外的原子都是有規則排列的，它是一種面缺陷。當摻入晶體中的雜質超過晶體的固溶度時，雜質將在晶體中沉積，形成體缺陷。10晶體中的雜質

實踐表明，極微量的雜質和缺陷，能夠對半導體材料的物理性質和化學性質產生決定性的影響。1．施主雜質向矽中摻入磷，磷原子佔據了矽原子的位置，其結果是形成一個正電中心和一個多餘的價電子。這種雜質，我們稱它為施主雜質或n型雜質。112．受主雜質向矽中摻如硼，硼原子佔據了矽原子的位置，其結果是形成一個負電中心和一個多餘的空位。這種雜質，我們稱它為受主雜質或p型雜質。12多晶矽的製備

現今，300mm的wafer技術已經成熟，隨著直徑的增大，其製造難度也相應提高。高溫氯化低純三氯氫矽提純高純三氯氫矽高溫碳還原粗矽石英石高溫氫還原高純矽13生長單晶矽目前製備單晶矽的主要方法有柴氏拉晶法（即CZ法）和懸浮區熔法，85%以上的單晶矽是採用CZ法生長出來的。1.單晶爐單晶爐可分為四個部分：爐體、機械傳動系統、加熱溫控系統以及氣體傳送系統。爐體包括了爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個部分。爐腔是為了保證爐內溫度均勻分佈以及很好的散熱；籽晶軸的作用是帶動籽晶上下移動和14旋轉；摻雜勺內放有需要摻入的雜質；籽晶罩是為了保護籽晶不受污染。機械傳動系統主要是控制籽晶和坩堝的運動。為了保證Si溶液不被氧化，對爐內的真空度要求很高，一般在5Torr以上，加入的惰性氣體純度需在99.9999%以上。152．生長過程（1）準備工作多晶矽的純度要很高，還要用氫氟酸對其進行拋光達到清洗的目的；籽晶上的缺陷會“遺傳”給新生長的晶體，所以在選擇籽晶時要注意避開缺陷；籽晶的晶向和所要生長的晶體相同；籽晶要經過清洗；根據待生長晶體的導電類型選擇要摻入的雜質；清洗雜質；所有經過清洗的材料用高純度的去離子水沖洗至中性，然後烘乾，以備後用。16（2）裝爐將經過粉碎的多晶矽裝入石英坩堝內；把籽晶夾到籽晶軸的夾頭上，蓋好籽晶罩；將爐內抽為真空並沖入惰性氣體；檢測爐體的漏氣率是否合格。（3）加熱熔矽真空度符合要求，充滿惰性氣體就開始加熱。一般是用高頻線圈或電流加熱器來加熱的，後者常用於大直徑矽棒的拉制。在1420℃的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀態。17（4）拉晶拉晶過程分為以下五個步驟。引晶，也叫下種。先將溫度下降到比1420℃稍低一些的溫度，將籽晶下降至距液面幾毫米處，對籽晶進行2～3min的預熱，使熔融矽與籽晶間溫度平衡。預熱後，使籽晶與熔融矽液面接觸，引晶完成。18縮頸，引晶結束後，溫度上升，籽晶旋轉上拉出一段直徑為0.5～0.7cm的新單晶，這段單晶的直徑比籽晶細。縮頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷或引晶時由於溫度變化引起的新生缺陷。縮頸時的拉速較快一些，但不宜過快。拉速過大或直徑變化太大都容易導致生成多晶。19放肩，縮頸後放慢速度、降低溫度，讓晶體長大至所需直徑。等徑生長，在放肩完成前緩慢升溫，放肩結束，保持直徑生長單晶。生長過程中，拉速和溫度都要盡可能的穩定，以保證單晶的均勻生長。20收尾，單晶生長接近結束時，適當升高溫度，提高拉速，慢慢減小晶棒直徑，拉出一個錐形的尾部。其目的是為了避免晶棒離開熔融液時急速降溫而產生的缺陷向上延伸。21單晶矽性能測試

生長好的單晶矽需要經過測試來衡量各項參數是否符合要求。1．物理性能的測試外觀檢驗晶向檢驗測量直徑2.缺陷檢驗223．電氣參數測試導電類型的測試非平衡載流子的測試

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電阻率的測試

24晶圓加工晶棒還要經過一系列加工，才能形成符合半導體製造要求的矽襯底，即晶圓。加工的基本流程為：外型整理、切片、倒角、研磨以及拋光等。1.外型整理（1）切割分段將籽晶部分、肩部、尾部以及目檢後不符合直徑要求的部分切除，需要切除的還有電阻率和結構完整性不符合規格的部分。25（2）徑向研磨晶棒的直徑不可能很精確的符合直徑要求，一般都要稍大一些，所以需要對其進行徑向研磨。26（3）定位面研磨一旦晶體在切割塊上定好晶向，就沿著軸滾磨出一個參考面，其位置沿著一個重要的晶面，這是通過晶體定向檢查來確定的。272.切片切片決定了wafer的幾個特性：厚度、斜度、平行度、翹度。切片的流程為：晶棒固定X射線定位Wafer拆卸清洗X射線定位切片內圓切割機283.倒角倒角就是磨去wafer周圍鋒利的棱角，其目的有以下三個：防止wafer邊緣破裂、防止熱應力造成的損傷、增加外延層以及光刻膠在wafer邊緣的平坦度。

294.研磨研磨目的是：去除表面的刀痕；消除損傷層；提高平整度，使wafer薄厚均勻；增加表面平坦度等。305.拋光（1）拋光，拋光的目標是除去表面細微的損傷層，得到高平整度的光滑表面。拋光的方法有機械拋光和化學機械拋光兩大類，機械拋光效率太低，而且耗材量大。化學機械拋光的速度就大有提高，表面品質也有所改善。31拋光示意圖32（2）缺陷及平坦度檢查拋光後的晶片需要對表面缺陷以及表面粗糙度進行相應檢查。表面缺陷檢查，用解析度精確到0.05μm“魔鏡”來觀察wafer表面凹凸情況，檢出有缺陷的產品。表面粗糙度檢查，Wafer表面粗糙度用原子顯微鏡測量，說明表面粗糙度的參數有以下幾個：TTV，wafer厚度的最大值與最小值之差，TTV=a-b；33TIR，wafer表面最高處與參考面之間的距離和最低處與參考面之間的距離之和，TIR=a+b；FPD，wafer表面一點距參考面的最大距離，如果a>