半导体制造工艺01晶体的生长

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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：0.01-105cm，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（1000个/cm2）； 纯度高：电子级硅（EGS） -1/109杂质； 晶向：Si:双极器

2、件-；MOS-； 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长4Si： 含量丰富，占地壳重量25%； 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋（450mm） 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料； 易于实现平面工艺技术；半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长5Ge： 漏电流大，禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)； 工作温度低，75（Si:150）； GeO2易水解（SiO2稳定）； 本征电阻率低：47 cm（Si: 2.3x105 cm）； 成本高。半导体制备工艺原理第一章第一章

3、 晶体生长晶体生长6Si 的基本特性: FCC 金刚石结构，晶格常数a=5.431 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV 相对介电常数， r=11.9 熔点： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征载流子浓度：ni=1.45x1010 cm-3 本征电阻率 =2.3x105 cm 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率h=450 cm2/Vs半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长7三、起始材料-石英岩（高纯度硅砂-SiO2） 1. SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅：冶金级硅：98%；2.Si(s)+3HCl(g)

4、 SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态沸点为，三氯硅烷室温下呈液态沸点为32，利用分馏法去除杂质；利用分馏法去除杂质；3.SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g)，得到电子级硅（片状多晶硅）。，得到电子级硅（片状多晶硅）。 300oC半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长8单晶制备一、直拉法（CZ法）CZ 拉晶仪1.熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；2.拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；3.环境控制系统气路供应系统流量控制器排气系统4.电子控制反馈系统半导体制备工艺原理

5、第一章第一章 晶体生长晶体生长9拉晶过程1.熔硅将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；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； 半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长103. 收颈指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。 半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长114. 放肩缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40） ，让晶体逐渐

6、长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长125. 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。此时要严格控制温度和拉速。半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长136. 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。半导体制备工艺原理第一章第一章 晶体生长晶体生长14硅片掺杂目的：使硅片具有一定电阻率 （比如： N/P型硅片 1-100 cm）分凝现象：由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样， 所以，杂质在固-液界面两边材料中

7、分布的浓度是不同 的，这就是所谓杂质的分凝现象。分凝系数: , Cs 和 Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度 一般情况下k01，ke 1， 所以为了得到均匀的掺杂分布， 可以通过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。D: 熔液中掺杂的扩散系数 00000vCCdxdCDCCsx,CCxslxll时，时，边界条件： slslD/vxCCCCe0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

8、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