第一章-硅材料及衬底制备

1第一章硅材料及衬底制备2本章重点：1.半导体材料的主要特点2.硅的晶体结构3.硅单晶材料的加工制造过程4.直拉法生长单晶过程5.集成电路的发展对硅片的要求3半导体材料目前用于制造半导体器件的材料有：元素半导体（SiGe）化合物半导体（GaAsInSb锑化铟）本征半导体：不含任何杂质的纯净半导体，其纯度在99.999999%（8~10个9）。掺杂半导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷(P)或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍。4硅的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子5共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+46杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体（主要载流子为电子[+]，电子半导体）P型半导体（主要载流子为空穴[-]，空穴半导体）7N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi8空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动92.负电阻温度系数Si：T=300Kρ=2x105ΩcmT=320Kρ=2x104Ωcm3.具有整流效应绝缘体半导体导体1012—1022Ω.cm10-6—1012Ω.cm≤10-6Ω.cm⒈电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化1.1、半导体的主要特征exp()aBEKT2x105Ωcm0.2Ωcm2x105B10-5P10-5硅104.光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。111839年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。5.具有光生伏特效应12物质分为晶体(单晶，多晶)和非晶体单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；（2）周期性是晶体结构最基本的特征多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则非晶体：原子排列无序1.2半导体材料硅的结构特征13晶体的特点1）均匀性,原子周期性排列.2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物理和化学性质不同)3）有明显确定的熔点4）有特定的对称性5）使X射线产生衍射14硅的晶体结构：金刚石结构金刚石结构每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角：109˚28’15100,111平面是单晶晶圆中最常用的方向。100的晶圆较常用来作金属氧化物半导体集成电路，而111方向的晶圆则通常用来制造双极型晶体管和集成电路，因为111方向的原子表面密度高，故该面较为坚固且比较适合高功率的元件。16晶体的缺陷点缺陷线缺陷（位错）面缺陷（层错）171.5半导体硅材料及硅衬底晶片的制备制备原材料－－多晶硅（polysilicon）多晶硅按纯度分类可以分为冶金级（工业硅）、太阳能级、电子级。1、冶金级硅（MG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含Si为90-95%以上，高达99.8%以上。2、太阳级硅(SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含Si在99.99%–99.9999%（4～6个9）。主要用于太阳能电池芯片的生产制造3、电子级硅（EG）：一般要求含Si99.9999%以上，超高纯达到99.9999999%～99.999999999%（9～11个9）。其导电性介于10-4–1010欧厘米。主要用于半导体芯片制造。18多晶硅的制备单晶硅制备单晶硅性能测试单晶硅加工，形成晶圆19多晶硅的制备方法四氯化硅还原法三氯氢硅氢还原法硅烷热分解法20石英砂的主要成份是二氧化硅从沙到冶金级硅(MGSmetallurgicalgrade(MG)silicon纯度98％～99％)MGS粉末放进反应炉和氯化氢反应生三氯硅烷(TCS)经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷三氯硅烷和氢气反应生成电子级硅材料(EGS)EGS熔化和晶体提拉制备单晶硅直拉法悬浮区熔法四氯化硅还原法（从砂到硅）21四氯化硅还原法（从砂到硅）加熱(2000°C)SiO2+CSi+CO2砂碳冶金級矽二氧化碳22制备TCS（三氯硅烷）Si+HClTCS矽粉末氯化氫過濾器冷凝器純化器99.9999999%純度的三氯矽烷反應器,300C23加熱(1100°C)SiHCl3+H2Si+3HCl三氯矽烷氫氣電子級矽材料氯化氫电子级硅材料24反应室液態三氯矽烷H2載送氣體的氣泡氫和三氯矽烷製程反應室TCS+H2EGS+HCl電子級矽材料25电子级硅材料資料來源:直拉法：晶体主流生长技术1）设备：石英坩埚、高频加热线圈等2）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶3）条件：（1）结晶温度（2）结晶中心单晶硅的制备1.7直拉法生长硅单晶2728直拉法:切克洛斯基(CZ)法石墨坩堝單晶矽矽棒單晶矽種晶石英坩堝加熱線圈1415°C融熔的矽2930查克洛斯基法晶体提拉資料來源:悬浮区熔法(FZMethod)加熱線圈多晶矽棒單晶矽種晶加熱線圈移動融熔矽32兩種方法的比較查克洛斯基(CZ)法是較常用的方法價格便宜較大的晶圓尺寸(直徑300mm)悬浮区熔法(FZMethod)純度較高(不用坩堝)價格較高,晶圓尺寸較小(150mm)33直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体单晶的主要方法。该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。34一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。35工艺过程(掌握)1.籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，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2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”。“缩颈”是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20mm363.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征—棱的出现可帮助我们判别，111方向应有对称三条棱，100方向有对称的四条棱。4.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不变。5.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。37一单晶硅的切割1切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度2直径滚磨：把不均匀的直径变得均匀一致3晶体定向定面、电导率和电阻率的检查1）检查是否得到所需要的晶向晶面2）检查半导体被掺杂后的电导率，以保证掺杂类型的正确。4切片硅单晶的加工3839二硅单晶的研磨1目的：去除切片中残留的表面损伤，晶圆表面完全平整；2磨片：研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。40化學機械研磨製程研磨液研磨墊壓力晶圓夾具晶圓4142指将切割成的晶片，锐利的边缘容易脱弱产生碎屑。因此要把税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，称为倒角（或者整圆）三硅单晶的倒角使晶圆边缘圆滑的机械工艺。43四硅单晶片的抛光1抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。2抛光的过程：化学和机械两种过程同时进行。3化学腐蚀液：用于腐蚀晶圆表面4机械摩擦：同时去掉不平整的区域，获得最平整的晶圆表面。44200mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化76mm914mm晶圓切片之後邊緣圓滑化之後76mm914mm12.5mm814mm2.5mm750mm725mm幾乎是零缺陷的表面粗磨之後蝕刻之後CMP之後451.集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐渐增大(1)微缺陷对芯片的影响增大(2)器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的密度，分布特点，电活性等更加敏感集成电路的发展对硅片的要求462.为了降低成本，硅圆片的直径越来越大(1)硅片电参数径向均匀性问题(2)硅片平整度问题3.集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片浅表层4.集成电路越来越普遍的采用低温工艺5.金属和介质薄膜淀积的层数越来越多47本章重点：1.半导体材料的主要特点2.硅的晶体结构3.硅单晶材料的加工制造过程4.直拉法生长单晶过程