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、HgCdTen3.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BCNOn第3周期AlSiPSn第4周期ZnGa Ge AsSen第5周期CdInSnSbTen第6周期HgPb元素半导体元素半导体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（1000个/cm2）；二、对衬底材料的要求二、对衬底材料的要求n5纯度高：电子级硅（EGS,electronic-grade-silicon）-1/109杂质；n6晶向：双极器件-；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 SiOSiO2 2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：冶金级硅：98%98%；n Si(s)+3HCl(g)SiHClSi(s)+3HCl(g)SiHCl3 3(g)+H(g)+H2 2，三三氯氯硅硅烷烷室室温温下下呈呈液液态态（沸沸点点为为3232），利利用分馏法去除杂质；用分馏法去除杂质；n SiHClSiHCl3 3(g)+H(g)+H2 2Si(s)+3HCl(g)Si(s)+3HCl(g)，得到电子级硅得到电子级硅 （片状多晶硅）。（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2.2.拉晶过程拉晶过程例，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；2.2.拉晶过程拉晶过程收颈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；2.2.拉晶过程拉晶过程 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（floatzone，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，更为常用直拉法，更为常用(占占75以上以上)便宜便宜 更大的圆片尺寸更大的圆片尺寸(400mm已生产已生产)剩余原材料可重复使用剩余原材料可重复使用 位错密度：位错密度：0104cm2u 区熔法区熔法 高纯度的硅单晶高纯度的硅单晶(不使用坩锅不使用坩锅)（电阻率（电阻率2000W W-mm）成本高，可生产圆片尺寸较小成本高，可生产圆片尺寸较小(200mm)主要用于功率器件主要用于功率器件 位错密度：位错密度：103105cm22.3 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）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、晶片加工四、晶片加工、倒角前的圆片倒角前的圆片倒角后的圆片倒角后的圆片3.边缘倒角(EdgeRounding)四、晶片加工四、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-mechanicalpolishing）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+4HNO3+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：SiO2+NaOHSi+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2200mm硅圆片厚度和表面粗糙度的变化锯片后倒角后机械研磨后化学腐蚀后CMP后小结n硅(Silicon)储量丰富，便宜，且坚固,稳定，易生成氧化物。nandn直拉法和区熔法,直拉法更为常用n锯片,修边,研磨,腐蚀和CMP