第一章 衬底制备

第一章衬底制备主讲：毛维[e-mail]西安电子科技大学微电子学院第一章衬底制备1.1衬底材料1.1.1衬底材料的类型1.元素半导体Si、Ge、C（金刚石）2.化合物半导体GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTe3.绝缘体蓝宝石表1周期表中用作半导体的元素Ⅱ族Ⅲ族Ⅳ族Ⅴ族Ⅵ族第2周期BCN第3周期AlSiPS第4周期ZnGaGeAsSe第5周期CdInSnSbTe第6周期HgPb元素半导体Si：①占地壳重量20%-25%；②单晶直径最大，目前16英吋（400mm）,每3年增加1英寸；③SiO2作用: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；④多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互连线（比铝布线灵活）；元素半导体Ge：①漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.12eV)；②工作温度低：75℃（Si:150℃）；③GeO2:易水解（SiO2稳定）；④本征电阻率低：47Ω·cm（Si:2.3×105Ω·cm）；⑤成本高。优点：电子和空穴迁移率均高于Si最新应用研究：应变Ge技术--Ge沟道MOSFET第一章衬底制备1.1.2对衬底材料的要求1.导电类型：N型与P型都易制备；2.电阻率：10-3–108Ω·cm，且均匀性好（纵向、横向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；3.寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命；开关器件—短寿命；4.晶格完整性：无位错、低位错（1000个/cm2）；第一章衬底制备1.1.2对衬底材料的要求5．纯度：电子级硅（EGS,electronic-grade-silicon）--1/109杂质；6．晶向：双极器件--111；MOS--100；GaAs--100；7．直径：8．平整度：9．主、次定位面：10.禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。第一章衬底制备1.1.3起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）①SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：98%；②Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32℃），利用分馏法去除杂质；③SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，电子级硅（片状多晶硅）。第一章衬底制备1.2单晶的制备1.2.1直拉法（CZ法）1.拉晶仪构成：①炉体②拉晶装置③环境控制④电子控制及电源系统柴可拉斯基拉晶仪1.拉晶仪①炉体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真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：④电子控制及电源系统2.拉晶过程例，2.5及3英寸硅单晶制备①熔硅调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；②引晶（下种）籽晶预热：位置---熔硅上方；目的---避免对热场的扰动太大；与熔硅接触：温度太高---籽晶熔断；温度太低---过快结晶；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.拉晶过程③收颈目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸；直径：2-3mm；长度：20mm；拉速：3.5mm/min④放肩温度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；2.拉晶过程⑤收肩当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：拉速：2.5mm/min；⑥等径生长拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在温度场保持相对固定；⑦收尾熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。1.2.2悬浮区熔法（float-zoneFZ法）1.2单晶的制备1.2单晶的制备1.2.2悬浮区熔法特点：①可重复生长、提纯单晶；②无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；③FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点：单晶直径不及CZ法。1.2单晶的制备1.2.3水平区熔法（布里吉曼法）--GaAs单晶1.3衬底制备衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。1.3.1晶体定向晶体具有各向异性器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如双极器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶体定向的方法1.光图像定向法（参考李乃平）①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；②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。1.3.1晶体定向2.X射线衍射法方法：劳埃法；转动晶体法；原理：①入射角θ应满足：nλ=2dsinθ；②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）。1.3.2晶面标识原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；硅单晶的解理面：{111}；1.主参考面（主定位面，主标志面）①起识别划片方向作用；②作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；③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1.3.2晶面标识1.3.2晶面标识1.3.3晶片加工切片、磨片、抛光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、平行度、弯曲度，切片损耗占1/3。1.3.3晶片加工1.3.3晶片加工2.磨片目的：①使各片厚度一致；②使各硅片各处厚度均匀；③改善平整度。磨料：①要求：其硬度大于硅片硬度。②种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等1.3.3晶片加工3.抛光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（CMP,chemical-mechanicalpolishing）①机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO；优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。1.3.3晶片加工②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；t25℃,表面不平滑。1.3.3晶片加工b.碱性腐蚀：KOH、NaOH特点：1）适于大直径（75mm）;2）不需搅拌；3）表面无损伤。缺点：平整度差1.3.3晶片加工③化学机械抛光（CMP)特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。典型抛光液：SiO2+NaOH(SiO2化学机械抛光)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑典型的化学机械抛光原理示意图1.3.3晶片加工芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测