半导体单晶和薄膜制造技术课件

半導體單晶和薄膜製造技術4.1半導體單晶的製造單晶矽圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的積體電路越多，晶片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術的要求也越高。單晶矽按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區熔法（FZ）和外延法。直拉法、區熔法生長單晶矽棒材，外延法生長單晶矽薄膜。直拉法生長的單晶矽主要用於半導體積體電路、二極體、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區熔法單晶主要用於高壓大功率可控整流器件領域，廣泛用於大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節能燈、電視機等系列產品。目前晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用於積體電路領域。

由於成本和性能的原因，直拉法（CZ）單晶矽材料應用最廣。在IC工業中所用的材料主要是CZ拋光片和外延片。記憶體電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路一般使用價格較高的外延片，因其在IC製造中有更好的適用性並具有消除Latch－up的能力。

單晶矽也稱矽單晶，是電子資訊材料中最基礎性材料，屬半導體材料類。單晶矽已滲透到國民經濟和國防科技中各個領域，當今全球超過2000億美元的電子通信半導體市場中95%以上的半導體器件及99%以上的積體電路用矽。

區熔法（FZ法）優缺點：可以製備大分解壓化合物半導體單晶避免熔體揮發品質大為提高4.2半導體外延製造技術半導體的外延根據向襯底輸送原子的方式可分為三種：液相外延、氣相外延和真空外延。MOCVD是一種典型的氣相外延，而MBE又是一種典型的真空外延。由於MOCVD既可以生長組份突變的異質結，又可以生長組份漸變的異質結，因此到目前為止，在半導體外延領域，MOCVD技術仍然是外延技術的主流。另外降低反應室壓力可以增加反應劑的流速，易於生長突變異質結。再有在低壓下，反應劑的濃度可以控制得很低，因此外延生長的速率也可以控制得很低。正因MOCVD在低壓下外延具有更多的優點，所以目前的MOCVD實際上都是低壓MOCVD，即LPMOCVD。

常用外延材料及其工藝砷化鎵材料的製備

與矽相仿，砷化鎵材料也可分為體單晶和外延材料兩類。體單晶可以用作外延的襯底材料，也可以採用離子注入摻雜工藝直接製造積體電路（採用高質量、大截面、半絕緣砷化鎵單晶）。重點是液封直拉法（即液封喬赫拉斯基法，簡稱LEC法）,但水準舟生長法（即水準布裏其曼法）因制出的單晶品質和均勻性較好，仍然受到一定的重視。液封直拉法的一個新發展是在高壓單晶爐內用熱解氮化硼(PBN)坩堝和乾燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶。另外，常壓下用石英坩堝和含水氧化硼為液封劑的方法也已試驗成功。不論水準舟生長法或是液封直拉法，晶體的直徑均可達到100～150毫米而與矽單晶相仿。砷化鎵的外延生長按工藝可分為氣相和液相外延，所得外延層在純度和晶體完整性方面均優於體單晶材料。通用的汽相外延工藝為Ga/AsCl3/H2法,這種方法的變通工藝有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。為了改進Ga/AsCl3/H2體系氣相外延層的品質，還研究出低溫和低溫低壓下的外延生長工藝。液相外延工藝是用Ga/GaAs熔池覆蓋襯底表面,然後通過降溫以生長外延層,也可採用溫度梯度生長法或施加直流電的電外延法。在器件(特別是微波器件)的製造方面,汽相外延的應用比液相外延廣泛。液相外延可用來製造異質結(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是製造砷化鎵雙異質結雷射器和太陽電池等的重要手段。

砷化鎵外延技術還有分子束外延和金屬有機化合物汽相沉積外延。分子束外延是在超高真空條件下，使一個或多個熱分子束與晶體表面相作用而生長出外延層的方法。對入射分子或原子束流施加嚴格的控制，可以生長出超晶格結構，例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄層（厚度僅10埃）所組成的結構。金屬有機化合物汽相沉積外延是用三甲基鎵或三乙基鎵與砷烷相作用而生長外延層。用這種方法也能適當地控制外延層的濃度、厚度和結構。與分子束外延相比，金屬有機化合物汽相沉積外延設備和工藝均較簡單，但分子束外延層的品質較高。

採用從溶液中再結晶原理的外延生長方法稱液相外延;採用從氣相中生長單晶原理的稱氣相外延。液相外延就是將所需的外延層材料(作為溶質，例如GaAs)，溶於某一溶劑（例如液態鎵）成飽和溶液，然後將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質從過飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結晶出單晶薄層。汽相外延生長可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過分解或還原等化學反應澱積於襯底上，也可以用所需材料為源材料，然後通過真空蒸發、濺射等物理過程使源材料變為氣態，再在襯底上凝聚。分子束外延是一種經過改進的真空蒸發工藝。利用這種方法