学习情景二：衬底材料制备.PPT

学习情景一 常州信息职业技术学院 单元二：衬底制备任务1：衬底材料制备 典型衬底材料： （1）元素半导体，如：硅、锗； （2）化合物半导体，如：砷化镓、磷化铟、碳化硅等； （3）绝缘体，如：蓝宝石、尖晶石等； IC发展与硅材料的关系 1、IC规模增大对硅单晶的要求 晶圆直径逐年增大 （1）缺陷密度：由于大直径单晶的生长过程中热场控制、生长过程更加复杂，以及装料量的增加、晶体生长时固——液界面扰动、杂质分凝等造成的微区不均匀现象更严重，从而使晶体缺陷产生的几率增大。 （2）晶片平整度：晶片微细加工中，晶片的翘曲将对图形加工质量产生严重影响。欲减少翘曲，必须增加晶片厚度、减小晶片所受的加工应力。 2、器件浅结化对硅材料的要求 随着器件图形特征尺寸的缩小，器件结深也越来越浅。 因此器件特性对硅材料表面质量和界面性质更为敏感。 任何表面缺陷都可能引起器件失效或可靠性降低。 3、IC多层化对硅材料的要求 为提高集成度，IC的层次越来越多，除金属和介质的多叠层外，还有多晶硅叠层，单晶硅叠层等； 这些叠层结构必然引起许多问题，如热膨胀系数的匹配、层间质量转移、层间原子扩散与微缺陷的互作用等； N-S i Sub P- Si 阱 D D G G S S N-MOS P-MOS N+ P+ 硅单晶体制备 多晶硅是制备单晶硅的原始材料 （一）多晶硅制备 多晶硅制备方式主要有三种： 四氯化硅氢还原法 三氯氢硅氢还原法 硅烷热分解法 四氯化硅氢还原法（西门子工艺） 四氯化硅（SiCl4）：无色透明液体、刺激性气味、易水解、易挥发、易汽化、沸点温度为57.6℃。 SiO2 +3C SiC +2CO 2 SiC + SiO2 3Si+2CO Si（粗硅）+2Cl2 SiCl4 四氯化硅提纯： 精馏法 吸附法 SiCl4 +2H2 Si +4HCl 三氯氢硅氢还原法（改良西门子工艺） 沸点为31.5℃；无色透明液体；在空气中易发烟；极易水解；易溶于有机溶剂；易燃、易爆。 Si +3HCl SiHCl3 +H2 SiHCl3 +H2 Si +3HCl 硅烷热分解 硅烷由硅化镁和氯化铵反应而得；浓度高时在空气中会自然、爆炸，因此，在使用时必须进行稀释。 SiH4 Si+2H2 目前用得最多的是三氯氢硅还原法，原因是三氯氢硅沸点比四氯化硅低得多，容易纯化，容易制得高纯度的多晶硅。 硅烷法要由密封、制冷、防爆的设备装置。 大直径单晶的制备 大直径单晶的制备方法主要有直拉法（CZ、切克劳斯基法）和区熔法（FZ）。 大直径直拉单晶硅棒（锭） 1、 直拉法 大部分大直径单晶都是通过直拉法生长的。 优点：工艺成熟，能较好的拉制低位错、大直径的硅单晶。 缺点：难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。 拉晶过程 清洁处理（炉腔、坩埚、籽晶、多晶硅料、掺杂剂等的清洗） 装炉（将硅料及掺杂剂同时装入石英坩埚内，尽量装成山字形） 加热熔化 拉晶（下种、缩颈、放肩、等径生长、收尾拉光） 拉晶原理： 将预处理好的多晶硅料装入炉内石英坩埚中，抽真空或通入惰性气体后进行熔硅处理。 熔硅阶段坩埚位置调节很重要！ 开始阶段，坩埚位置很高，待下部多晶硅料融化后，坩埚逐渐下降到正常拉晶位置。 熔硅时间不宜太长，否则掺入熔硅中的杂质挥发，坩埚也容易受到溶蚀。 拉晶时，仔晶轴以一定速度绕轴旋转，同时坩埚反方向旋转。大直径单晶的细颈是为了抑制位错大量从仔晶向颈部以下单晶延生。 直拉单晶工艺 装料 熔化 下种（种晶） 缩颈 放肩 等径生长 收尾拉光 国内自造单晶炉设备图如下 直拉法制备单晶硅生长原理 点击视屏 单晶材料中的原生缺陷与有害杂质 硅单晶中存在多种原生缺陷和有害杂质。 宏观缺陷： 孪晶、裂纹、夹杂、位错等 原生缺陷：晶体生长过程中形成的缺陷 微缺陷 ：微沉积 有害杂质是指会影响晶体性质的杂质或杂质团：施主、受主、重金属、碱金属等。 孪晶：晶体中有两个或以上生长晶核 位错又叫线缺陷，是缺陷中最明显的缺陷。位错由滑移造成，滑移后两部分又重合，在滑移和未滑移部分的交界面出就形成了位错。 刃位错：位移线与