微电子工艺课件
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微电子工艺
第二章
晶体生长
第一章 引言 第二章 晶体生长 第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗 第四章 硅的氧化 第五章 光刻 第六章 刻蚀 第七章 扩散 第八章 离子注入 第九章 薄膜淀积 第十章 工艺集成 第十一章 集成电路制造
目标
通过本章的学习，你将能够：
1. 掌握用直拉单晶法制备硅片所用的原料，以及提纯的过程 和制造单晶硅锭的步骤。
单晶制备
一、直拉法（CZ法）
CZ 拉晶仪 1. 熔炉 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. 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 4. 电子控制反馈系统
2. 了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。 3. 了解两种制备方法各自的特点。 5. 从单晶锭到单晶硅片的步骤。 6. 硅片质量检测的指标。
一、衬底材料的类型
1. 元素半导体 Si、Ge…. 2. 化合物半导体 GaAs、SiC 、GaN…
Ge：
• 漏电流大，禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)； • 工作温度低，75℃（Si:150℃）； • GeO2易水解（SiO2稳定）； • 本征电阻率低：47 ·cm（Si: 2.3x105 ·cm）； • 成本高。
硅片掺杂
目的：使硅片具有一定电阻率 （比如： N/P型硅片 1-100 ·cm）
分凝现象：由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样，所以，杂 质在固-液界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就 是所谓杂质的分凝现象。
分凝系数:
k0
Cs Cl
Cs 和 Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度
一般情况下k0<1。
二、悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
方法： 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。
区熔晶体生长
卡盘 多晶棒 (硅)
气体入口 (惰性) 熔融区
可移动RF
RF
线圈
籽晶 惰性气体出口
卡盘
悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；
拉晶过程
1. 熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；
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；
3. 收颈
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20mm。
• 电阻率：0.01-105·cm，均匀性好（纵向、横向、微区）、可
靠性高（稳定、真实）；
• 寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命； 开关器件—短寿命；
• 晶格完整性：低位错（<1000个/cm2）；
• 平整度、禁带宽度、迁移率等。
Si 的基本特性:
• FCC 金刚石结构，晶格常数a=5.431 Å • 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV • 相对介电常数， r=11.9 • 熔点： 1417oC • 原子密度： 5x1022 cm-3 • 本征载流子浓度：ni=1.45x1010 cm-3 • 本征电阻率 =2.3x105 ·cm • 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率h=450 cm2/Vs
缺点: 单晶直径不及CZ法
掺杂分布
假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），d为硅
D: 熔液中掺杂的扩散系数
当/D>>1，ke 1， 为了得到均匀的掺杂分布， 可以通 过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低;
通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好 控制电阻率径向均匀性。
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响， 易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10-40ppm)。
掺杂分布
假设熔融液初始质量为M0，杂质掺杂浓度为C0（质量浓度）， 生长过程中晶体的质量为M，杂质在晶体中的浓度为Cs，留在熔液 中杂质的质量为S，那么熔液中杂质的浓度Cl为：
Cl
S M0
M
当晶体增加dM的重量： dS CsdM
dS S
k0
dM M0 M
Cs
wenku.baidu.com
k0C0 1
M M0
k0 1
三、起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）
1. SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金级硅：98%；
300oC
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）。
Si：
• 含量丰富，占地壳重量25%；
• 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋 （450mm）
• 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、 钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；
• 易于实现平面工艺技术；
• 直径
二、对衬底材料的要求
• 导电类型：N型与P型都易制备；
• 晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>；
4. 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”。
5. 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。
6. 收晶
晶体生长所需长度后，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。
有效分凝系数
当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面 附近熔体中堆积，形成浓度梯度。
按照分凝系数定义：
k0
Cs Cl (0)
由于Cl(0)未知，然而为了描述 界面粘滞层中杂质浓度偏离对固 相中的杂质浓度的影响，引入有效 分凝系数ke:
ke
Cs Cl
ke
k0
k0 (1 k0 )ev / D
第二章
晶体生长
第一章 引言 第二章 晶体生长 第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗 第四章 硅的氧化 第五章 光刻 第六章 刻蚀 第七章 扩散 第八章 离子注入 第九章 薄膜淀积 第十章 工艺集成 第十一章 集成电路制造
目标
通过本章的学习，你将能够：
1. 掌握用直拉单晶法制备硅片所用的原料，以及提纯的过程 和制造单晶硅锭的步骤。
单晶制备
一、直拉法（CZ法）
CZ 拉晶仪 1. 熔炉 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. 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 4. 电子控制反馈系统
2. 了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。 3. 了解两种制备方法各自的特点。 5. 从单晶锭到单晶硅片的步骤。 6. 硅片质量检测的指标。
一、衬底材料的类型
1. 元素半导体 Si、Ge…. 2. 化合物半导体 GaAs、SiC 、GaN…
Ge：
• 漏电流大，禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)； • 工作温度低，75℃（Si:150℃）； • GeO2易水解（SiO2稳定）； • 本征电阻率低：47 ·cm（Si: 2.3x105 ·cm）； • 成本高。
硅片掺杂
目的：使硅片具有一定电阻率 （比如： N/P型硅片 1-100 ·cm）
分凝现象：由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样，所以，杂 质在固-液界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就 是所谓杂质的分凝现象。
分凝系数:
k0
Cs Cl
Cs 和 Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度
一般情况下k0<1。
二、悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
方法： 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。
区熔晶体生长
卡盘 多晶棒 (硅)
气体入口 (惰性) 熔融区
可移动RF
RF
线圈
籽晶 惰性气体出口
卡盘
悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；
拉晶过程
1. 熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；
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；
3. 收颈
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20mm。
• 电阻率：0.01-105·cm，均匀性好（纵向、横向、微区）、可
靠性高（稳定、真实）；
• 寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命； 开关器件—短寿命；
• 晶格完整性：低位错（<1000个/cm2）；
• 平整度、禁带宽度、迁移率等。
Si 的基本特性:
• FCC 金刚石结构，晶格常数a=5.431 Å • 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV • 相对介电常数， r=11.9 • 熔点： 1417oC • 原子密度： 5x1022 cm-3 • 本征载流子浓度：ni=1.45x1010 cm-3 • 本征电阻率 =2.3x105 ·cm • 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率h=450 cm2/Vs
缺点: 单晶直径不及CZ法
掺杂分布
假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），d为硅
D: 熔液中掺杂的扩散系数
当/D>>1，ke 1， 为了得到均匀的掺杂分布， 可以通 过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低;
通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好 控制电阻率径向均匀性。
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响， 易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10-40ppm)。
掺杂分布
假设熔融液初始质量为M0，杂质掺杂浓度为C0（质量浓度）， 生长过程中晶体的质量为M，杂质在晶体中的浓度为Cs，留在熔液 中杂质的质量为S，那么熔液中杂质的浓度Cl为：
Cl
S M0
M
当晶体增加dM的重量： dS CsdM
dS S
k0
dM M0 M
Cs
wenku.baidu.com
k0C0 1
M M0
k0 1
三、起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）
1. SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金级硅：98%；
300oC
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）。
Si：
• 含量丰富，占地壳重量25%；
• 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋 （450mm）
• 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、 钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；
• 易于实现平面工艺技术；
• 直径
二、对衬底材料的要求
• 导电类型：N型与P型都易制备；
• 晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>；
4. 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”。
5. 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。
6. 收晶
晶体生长所需长度后，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。
有效分凝系数
当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面 附近熔体中堆积，形成浓度梯度。
按照分凝系数定义：
k0
Cs Cl (0)
由于Cl(0)未知，然而为了描述 界面粘滞层中杂质浓度偏离对固 相中的杂质浓度的影响，引入有效 分凝系数ke:
ke
Cs Cl
ke
k0
k0 (1 k0 )ev / D