[理学]第二章 衬底制备.ppt

第二章 衬 底 制 备 主要内容 §2.1 衬底材料 §2.2 晶体生长 §2.3 衬底制备  §2.1 衬底材料 一、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 B C N O 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga Ge As Se 第5周期 Cd In Sn Sb Te 第6周期 Hg Pb 元素半导体 Si： ①占地壳重量25%； ②单晶直径最大，目前32英吋（80cm）,每3年增加1 英吋； ③SiO2: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、发 射极互连线（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:1.1Ev)； 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: 2.3X105Ω·cm）； ⑤成本高。 二、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：0.01--105Ω·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）； 二、对衬底材料的要求 5．纯度高：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。 三、晶体结构 无定形（非晶） 不存在重复结构 多晶 有一些重复结构 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 100晶向 111晶向 110晶向 100晶面 111晶面 100晶面刻蚀凹坑 111晶面刻蚀凹坑 四、起始材料--石英岩（高纯度硅砂-- SiO2） ① SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅：98%； ② Si(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； ③ SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g)， 得到电子级硅 （片状多晶硅）。 §2.2 晶体生长 一、直拉法（CZ法） 1．? 拉晶仪 ①炉子 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； 柴可拉斯基拉晶仪 1.拉晶仪 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 直拉(CZ)法生长单晶 2.拉晶过程 例，2.5及3英吋硅单晶制备 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：目的---避免对热场的扰动太大； 位置---熔硅上 方； 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.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/min? ④放肩 温度：降15-40℃； 拉速：0.4mm/min； 2.拉晶过程 ⑤ 收肩 a.当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速： 2.5mm/min； b.熔硅液面保持相对固定； ⑥ 等径生长 拉速：1.3-1.5mm/min； ⑦ 收尾 熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。 二、悬浮区熔法（floa