第一章-晶体生长和外延要点.ppt

大规模集成电路制造工艺 修课学生： 11级微电子：51人 11级电科：1人 授课教师: 张冬利 E-mail：dongli_zhang@suda.edu.cn 办公室：电子信息楼207 参考教材 2 成绩计算 平时：5分； 旷课(-1)、迟到、早退(-1)； 作业(10分)； 是否认真，是否正确，是否雷同(0分)； 期中考试：30分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握； 期末考试：45分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。 3 课堂表现(10分)； 回答问题( )，课上表现； 单晶材料制备 《大规模集成电路制造工艺》 4 半导体的形态类型 非晶：原子随机性排列，没有任何周期性； 多晶：原子排列在小范围内具有周期性； 单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性； 5 单晶 多晶 非晶 硅和砷化镓 6 金刚石结构 (Si) 闪锌矿结构 (GaAs) 晶体生长和外延 7 单晶生长：获得高质量的衬底材料； 外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体； 起始材料 多晶半导体 单晶 晶片 Si GaAs 蒸馏与还原 合成 晶体生长 晶体生长 研磨、切割 抛光 研磨、切割 抛光 从原料到磨光晶片的制造流程 SiO2 Ga，As 单晶硅的制备 8 起始材料: 高纯度的硅砂: 可得到纯度为98%的冶金级的硅 三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质 可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一) 9 柴可拉斯基法(Czochralski Technique) (直拉法) 硅的熔点：1417oC 10 拉晶过程 1.熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化； 11 拉晶过程 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； 12 收颈 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。 拉晶过程 13 放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大 到所需的直径为止。这称为“放肩”。 拉晶过程 14 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。要严格控制温度和拉速。 拉晶过程 15 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。 拉晶过程 16 300 mm(12inch) 400 mm(16inch) 单晶硅锭 17 单晶硅锭 450mm硅片 18 平衡分凝系数 19 由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。 两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数： Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。 杂质分布 20 熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0； 当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S； Cs为晶体中的掺杂浓度。 此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl 当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(－dS)为: 杂质分布 21 杂质分布 22 23 杂质分布 24 有效分凝系数 25 考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl； 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示： 在稳态时: C代替np，v代替μnE 26 高提拉速度， 低旋转速度， 可以获得均匀杂质分布！ 27 悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅 多晶硅棒 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低； 不需要坩埚，污染少； 主要用于需要高电阻率材料的器件； 28 杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量； S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。 当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx， 从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)； 29 30 不同的 ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。 31 一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（k=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。 32 不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。 可用来提纯！ FZ掺杂 33 如果需要的是掺杂而非提纯