半导体制造工艺_01晶体的生长.pptx

一般情况下k0<1。
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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
k0
Cs Cl
当晶体增加dM的重量： dS CsdM
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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。
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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”。
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半导体器件与工艺
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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…
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二、对衬底材料的要求
• 导电类型：N型与P型都易制备； • 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）； • 纯度高：电子级硅（EGS） --1/109杂质；
• 晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>； • 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。
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x s时，C Cl
D
dC dx
x0
Cl
0
Cs
v
0
evx / D Cl Cs
Cl 0 Cs
ke
k0
k0 (1 k0 )ev
/D
当/D>>1，ke 1， 所以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。
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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1040ppm)
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
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连续性方程：v
dC dx
D
d 2C dx 2
0
D: 熔液中掺杂的扩散系数
C A1evx / D A2
边界条件：x 0时，C Cl 0,
dS S
k0
dM M0 M
Cs
k0C0 1
M M0
k0 1
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凝固率g M / M 0
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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)
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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
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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；
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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。
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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。
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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
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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
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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。
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6. 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。
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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%； 2. S利i(用s)+分3H馏C法l(去g)3除0→0oC杂SiH质C；l3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态沸点为32℃ 3. SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g)，得到电子级硅（片状多晶硅）。
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1. 熔硅
拉晶过程
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；
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