半导体制造工艺_01晶体的生长.pptx
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半导体制造工艺过程培训课件.pptx
光刻与刻蚀
• 干法刻蚀：利用等离子体将不要的材料去除（亚微 米尺寸下刻蚀器件的最主要方法）。
• 干法刻蚀种类很多，如光挥发、气相腐蚀、等离子 体腐蚀等。
• 其优点是：各向异性好，选择比高，可控性、灵活 性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化， 无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。
• 缺点是：成本高，设备复杂。干法刻蚀主要形式有 纯化学过程（如屏蔽式，下游式，桶式），纯物理 过程（如离子铣），物理化学过程，常用的有反应 离子刻蚀RIE，离子束辅助自由基刻蚀ICP。
薄膜沉积
• 化学气象沉积指利用化学反应的方式在反应室内将 反应物（通常为气体)生成固态的生成物，并沉积 在硅片表面的一种薄膜沉积技术。
• 气相淀积具有很好的台阶覆盖特性 • APCVD = Atmospheric Pressure CVD，常压CVD • LPCVD = Low Pressure CVD，低压CVD • PECVD = Plasma Enhanced CVD，等离子体CVD • HDPCVD = High-Density CVD，高密度CVD
晶体生长与圆晶制造晶体生长与圆晶制造 Nhomakorabea 热氧化
• SiO2的基本特性
• 杂质阻挡特性好 • 硅和SiO2的腐蚀选择特性好
热氧化
• 反应方程：
• Si(固体)+O2(气体)SiO2 • Si(固体)+2H2O (气体)SiO2 +H2(气体)
热氧化
• 硅热氧化工艺，可分为：干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化。 干氧氧化是以干燥纯净的氧气作为氧化气氛，在高温下氧直 接与硅反应生成二氧化硅。水汽氧化是以高纯水蒸汽为氧化 气氛，由硅片表面的硅原子和水分子反应生成二氧化硅。水 汽氧化的氧化速率比干氧氧化的为大。而湿氧氧化实质上是 干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之间。
半导体制造工艺晶体的生长
晶体生长的热力学原理
平衡态与非平衡态
在晶体生长过程中，由于各种因素的限制，平衡态的生长条件很难达到，因此需要采用非平衡态 的生长条件。
相平衡与界面能
晶体生长过程中，需要保证相平衡，降低界面能，以实现晶体的稳定生长。
热扩散与温度梯度
在晶体生长过程中，热扩散和温度梯度对晶体的生长形态和速度有重要影响。
晶体生长的缺陷与控制
晶体缺陷类型
在晶体生长过程中，可能会产生各种缺陷，如位错、 空洞、杂质等。
缺陷形成机制
了解缺陷的形成机制有助于更好地控制和减少晶体中 的缺陷。
缺陷控制方法
可以采用各种方法来控制和减少晶体中的缺陷，如优 化生长条件、引入掺杂元素等。
03
晶体生长技术
液相外延法
总结词
通过控制溶液的浓度、温度和反应时间 ，使原材料在液态基底上反应生成单晶 薄膜。
半导体制造工艺晶体的生长
$number {01}
目录
• 半导体制造工艺简介 • 晶体生长原理 • 晶体生长技术 • 晶体生长设备与材料 • 晶体生长的应用与前景
01
半导体制造工艺简介
半导体制造工艺的定义
半导体制造工艺是指将半导体材料转化为电子器件的一系列加工过程，包括晶体 的生长、外延、切割、研磨、清洗、镀膜、光刻、刻蚀、扩散、离子注入等。
晶体生长的动力学原理
生长速度与生长速率
01
晶体生长的动力学过程涉及到晶体的生长速度和生长速率，这
两个概念在描述晶体生长时非常重要。
生长形态与表面能
02
晶体生长的形态受到表面能的影响，不同的表面能会导致晶体
形成不同的形态。
溶质分凝与扩散
03
在晶体生长过程中，溶质分凝和扩散对晶体的内部结构和性质
晶体生长ppt
性能关系
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法是一种通过控制气体的组成、温度和压力等参 数，使气体在一定的条件下发生化学反应，再通过结晶来 制备晶体材料的方法。
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ，适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中，需要选择合适的气体原料，控制反应温度、压力和气 体流速等参数，以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期，随着科技的不断进 步，晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前，半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展，半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等，以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷，如金属杂质、非金属杂质、空
位等，以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加，需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
，以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料，如硅基氮化物、碳化物、氧化物等，以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程，涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中，需要了解液态和固态之间的相平衡关系，以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一，它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
半导体制造工艺晶体的生长
半导体制造工艺晶体的生长引言半导体制造工艺的核心是晶体的生长，晶体的质量和结构对于半导体器件的性能起着至关重要的作用。
本文将介绍半导体制造工艺中晶体的生长过程以及一些常用的晶体生长方法。
晶体生长的基础知识在半导体制造工艺中，晶体是由原子或分子以一定的结构排列方式组成的固态物质。
晶体的生长过程涉及到晶体核的形成及其后续的晶体生长。
晶体生长过程中，晶体核是形成晶体结构的基础。
晶体核的形成需要克服原子或分子之间的排斥力，并形成一定的有序结构。
当晶体核形成后，周围的原子或分子会以一定的方式附着到晶体核上，从而形成一个完整的晶体。
晶体生长可以分为三个阶段：核心形成、原子或分子附着和晶体生长。
晶体生长的方法液相生长法液相生长法是最常用的晶体生长方法之一。
在液相生长法中，通过在溶液中加入适当的化学物质，控制温度和溶液成分，使得晶体材料从溶液中生长出来。
液相生长法具有较高的晶体生长速度和较低的生长温度要求，适用于常见的半导体材料的生长，如硅和锗。
气相生长法气相生长法是一种通过将混合气体在适当的条件下通过反应炉或多晶管等装置，使晶体沉积在衬底上的方法。
气相生长法的优点是可以实现大尺寸晶体的生长，并且可以控制晶体的成分和掺杂。
气相生长法广泛应用于氮化镓、砷化镓等复杂半导体材料的生长。
分子束外延法分子束外延法是一种通过将精细控制的分子束照射在衬底上，使晶体在衬底上沉积的方法。
分子束外延法具有高生长速度和高晶体质量的优点，适用于生长高质量的半导体薄膜。
水热法水热法是一种通过在高压、高温的水热条件下使晶体生长的方法。
水热法可以在相对较低的温度下生长高质量的晶体，并且可以控制晶体的形貌和尺寸。
水热法广泛应用于生长氧化铝、氧化锌等半导体材料。
晶体生长的控制参数晶体生长的过程受到多个参数的影响，这些参数包括温度、压力、溶液成分、气相成分等。
温度是晶体生长中最重要的参数之一。
温度的控制可以影响晶体的生长速度和质量。
对于不同的晶体材料，存在一个合适的生长温度范围，超出该范围会导致生长速度的下降和生长质量的变差。
半导体制程简=PPT课件
– 例如：硅、硅化 物、金属导线等 等。
– 另外，在去除光 阻止后，通常还 需要有一步清洗， 以保证晶园表面 的洁净度。
-
30
2.7 金属蚀刻
• Metal Etch
– 金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线。 – 导线的形状由Photo制作出来。 – 这部分工作也使用等离子体完成。
-
31
2.8 薄膜生长
– Develop & Bake
• 曝光完毕之后，晶园送回Track进行显影，洗掉被曝 过光的光阻。
• 然后再进行烘烤，使没有被洗掉的光阻变得比较坚硬 而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉。
-
24
2.4 酸蚀刻
• Acid Etch
– 将没有被光阻覆盖的薄膜腐蚀掉，是酸蚀刻的 主要任务。
– 蚀刻完毕之后，再将光阻洗去。
• 一般而言通常使用 正光阻。只有少数 层次采用负光阻。
-
20
• 曝光
– Exposure
• 曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上。 • 0.13um，0.18um就是这样做出来的。 • 曝光所采用的机台有两种：Stepper和Scanner。
-
21
• 左图是当今 市场占有率 最高的ASML 曝光机。
半导体制程简介
——芯片是如何制作出来的
-
1
基本过程
• 晶园制作 – Wafer Creation
• 芯片制作 – Chip Creation
• 后封装 – Chip Packaging
-
2
第1部分 晶园制作
-
3
1.1 多晶生成
• Poly Silicon Creation 1
– 目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 (Wafer)，它的主要成分为硅(Si)。
– 另外，在去除光 阻止后，通常还 需要有一步清洗， 以保证晶园表面 的洁净度。
-
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2.7 金属蚀刻
• Metal Etch
– 金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线。 – 导线的形状由Photo制作出来。 – 这部分工作也使用等离子体完成。
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2.8 薄膜生长
– Develop & Bake
• 曝光完毕之后，晶园送回Track进行显影，洗掉被曝 过光的光阻。
• 然后再进行烘烤，使没有被洗掉的光阻变得比较坚硬 而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉。
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2.4 酸蚀刻
• Acid Etch
– 将没有被光阻覆盖的薄膜腐蚀掉，是酸蚀刻的 主要任务。
– 蚀刻完毕之后，再将光阻洗去。
• 一般而言通常使用 正光阻。只有少数 层次采用负光阻。
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• 曝光
– Exposure
• 曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上。 • 0.13um，0.18um就是这样做出来的。 • 曝光所采用的机台有两种：Stepper和Scanner。
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21
• 左图是当今 市场占有率 最高的ASML 曝光机。
半导体制程简介
——芯片是如何制作出来的
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1
基本过程
• 晶园制作 – Wafer Creation
• 芯片制作 – Chip Creation
• 后封装 – Chip Packaging
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2
第1部分 晶园制作
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3
1.1 多晶生成
• Poly Silicon Creation 1
– 目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 (Wafer)，它的主要成分为硅(Si)。
半导体材料制备技术一 ppt课件
S i 2 H C l S iH 2 C l2 (微 量 )
抑制副反应 催化剂:用Cu5％的硅合金;并用惰性气体或氢气 稀释氯化氢，以及控制适宜的温度。 西门子法：产量大、质量高、成本低。故应用广
14
4、 精馏提纯
氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除 去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质
精馏是蒸馏时所产生的蒸冷汽凝器
SiCl4用H2还原制取多晶硅的反应式为 SiCl4＋2 H2＝Si＋4HCl 方法比较简单， 制备过8～9个“9”的高纯硅 易于掌握 SiHCI3用氢还原法制取多晶的反应式为 SiHCI3＋H2＝Si＋3HCl （温度900度） 6、硅烷热分解法制取多晶硅 外延生长
S iH 4 4 0 0 ~ 5 0 0 0 CS i 2 H 2 1 1 .9 k c l/m o l
第三章 半导体材料制备技术
1
3.1 晶体生长技术
晶体生长通常指单晶锭的生长
单晶锭通常在特殊装置中通过熔体的定向 缓慢冷却获得
3.1.1．布里奇曼从法一（端Br开id始gm沿a固n）定
1、原理
Ge，
GaAs
方向一按渐点籽凝一晶固点的地晶列逐体取向排
2
2、布里奇曼法的特点
装置和方法都比较简单，典型的正常凝固过程 晶锭截面形状与石英舟相同 导致舟壁对生长材料的严重玷污 存在高密度的晶格缺陷 （热膨胀系数不同，热应力） 水平布里奇曼法产生的热应力低于立式（熔体的开
1、 工业硅制备 硅铁
工业硅，一般是指95～99％纯度的硅，又称粗 硅，或称结晶硅。原料：石英砂、焦炭
S iO 2 3 C 1 6 0 0 ~ 1 8 0 0 0 CS iC 2 C O
2 S iC S iO 2 3 S i 2 C O
抑制副反应 催化剂:用Cu5％的硅合金;并用惰性气体或氢气 稀释氯化氢，以及控制适宜的温度。 西门子法：产量大、质量高、成本低。故应用广
14
4、 精馏提纯
氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除 去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质
精馏是蒸馏时所产生的蒸冷汽凝器
SiCl4用H2还原制取多晶硅的反应式为 SiCl4＋2 H2＝Si＋4HCl 方法比较简单， 制备过8～9个“9”的高纯硅 易于掌握 SiHCI3用氢还原法制取多晶的反应式为 SiHCI3＋H2＝Si＋3HCl （温度900度） 6、硅烷热分解法制取多晶硅 外延生长
S iH 4 4 0 0 ~ 5 0 0 0 CS i 2 H 2 1 1 .9 k c l/m o l
第三章 半导体材料制备技术
1
3.1 晶体生长技术
晶体生长通常指单晶锭的生长
单晶锭通常在特殊装置中通过熔体的定向 缓慢冷却获得
3.1.1．布里奇曼从法一（端Br开id始gm沿a固n）定
1、原理
Ge，
GaAs
方向一按渐点籽凝一晶固点的地晶列逐体取向排
2
2、布里奇曼法的特点
装置和方法都比较简单，典型的正常凝固过程 晶锭截面形状与石英舟相同 导致舟壁对生长材料的严重玷污 存在高密度的晶格缺陷 （热膨胀系数不同，热应力） 水平布里奇曼法产生的热应力低于立式（熔体的开
1、 工业硅制备 硅铁
工业硅，一般是指95～99％纯度的硅，又称粗 硅，或称结晶硅。原料：石英砂、焦炭
S iO 2 3 C 1 6 0 0 ~ 1 8 0 0 0 CS iC 2 C O
2 S iC S iO 2 3 S i 2 C O
最新半导体制造工艺第1章绪论课件PPT
图1-9 PN结电容结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-10 MOS场效应晶体管电容结构
1.2 基本半导体元器件结构
1.2.2 有源器件结构 有源器件，如二极管和晶体管与无源元件在电子控制方式上
有很大差别，可以用于控制电流方向，放大小的信号，构成复杂的 电路。这些器件与电源相连时需要确定电极（+或-）。工作时利用 了电子和空穴的流动。 1.二极管的结构
图1-21 半导体芯片制造的关键工艺
1.4 集成电路制造阶段
(3)掩膜版制作 掩膜版中包括构成芯片的各层图形结构，现在最常 用的掩膜版技术是石英玻璃涂敷铬，在石英玻璃掩膜版表面的铬层 上形成芯片各层结构图形。 (4)装配与封装 芯片制造完成后，封装之前芯片要经过测试/拣选进 行单个芯片的电学测试，拣选出合格芯片和不合格芯片，并作出标 识，合格芯片包装在保护壳体内。 (5)终测 为了确保芯片的功能，要对每个被封装的集成电路进行测 试，以保证芯片的电学和环境特性参数满足要求，即保证发给用户 的芯片是合格芯片。
1.2 基本半导体元器件结构
图1-5 利用基区、发射区扩散形成电阻的结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-6 外延层电阻结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-7 MOS集成电路中的多晶硅电阻
1.2 基本半导体元器件结构
2.集成电路பைடு நூலகம்容结构
图1-8 集成电路中电容的结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-15 CMOS反相器电路的电路图、顶视图和剖面图
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-16 生长型晶体管生长示意图
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-17 合金结结型晶体管示意图
1.2 基本半导体元器件结构
图1-10 MOS场效应晶体管电容结构
1.2 基本半导体元器件结构
1.2.2 有源器件结构 有源器件，如二极管和晶体管与无源元件在电子控制方式上
有很大差别，可以用于控制电流方向，放大小的信号，构成复杂的 电路。这些器件与电源相连时需要确定电极（+或-）。工作时利用 了电子和空穴的流动。 1.二极管的结构
图1-21 半导体芯片制造的关键工艺
1.4 集成电路制造阶段
(3)掩膜版制作 掩膜版中包括构成芯片的各层图形结构，现在最常 用的掩膜版技术是石英玻璃涂敷铬，在石英玻璃掩膜版表面的铬层 上形成芯片各层结构图形。 (4)装配与封装 芯片制造完成后，封装之前芯片要经过测试/拣选进 行单个芯片的电学测试，拣选出合格芯片和不合格芯片，并作出标 识，合格芯片包装在保护壳体内。 (5)终测 为了确保芯片的功能，要对每个被封装的集成电路进行测 试，以保证芯片的电学和环境特性参数满足要求，即保证发给用户 的芯片是合格芯片。
1.2 基本半导体元器件结构
图1-5 利用基区、发射区扩散形成电阻的结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-6 外延层电阻结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-7 MOS集成电路中的多晶硅电阻
1.2 基本半导体元器件结构
2.集成电路பைடு நூலகம்容结构
图1-8 集成电路中电容的结构
1.2 基本半导体元器件结构
图1-15 CMOS反相器电路的电路图、顶视图和剖面图
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-16 生长型晶体管生长示意图
1.3 半导体器件工艺的发展历史
图1-17 合金结结型晶体管示意图
半导体制造工艺晶体的生长
• 利用熔体中的温度梯度实现晶体生长
• 通过旋转晶体提高晶体生长的均匀性
CZ法晶体生长设备
• 熔炉：提供晶体生长所需的温度环境
• 籽晶：引导晶体生长的起始部分
• 旋转机构：实现晶体的旋转
CZ法晶体生长的优点
• 生长速率快，效率高
• 可以得到高质量的单晶硅
பைடு நூலகம்
Vertical Gradient Freeze(VGF)法晶体生长技术
• 系统内部的温度梯度
• 系统内部的应力梯度
晶体生长的动力学原理
晶体生长的速率
晶体生长的机制
• 影响因素：温度、浓度、应力等
• 螺旋位错生长机制
• 晶体生长速率与温度的关系：阿累尼乌斯方程
• 层错生长机制
• 岛状生长机制
常见的晶体生长方法及其特点
化学气相沉积法
• 特点：生长速率快，可以制备薄膜晶体
晶体生长过程中的缺陷类型
缺陷的成因
• 点缺陷：空位、间隙原子
• 材料因素：纯度、掺杂剂浓度
• 线缺陷：位错、晶界
• 设备因素：温度、压力、气流
• 面缺陷：晶面、孪晶
• 操作因素：晶体生长工艺、环境条件
缺陷对半导体器件性能的影响
点缺陷的影响
• 影响晶体的基本性质和性能
• 影响晶体器件的可靠性和稳定性
• 减少晶体生长过程中的废弃物排放
• 采用废弃物回收利用减少环境污染
Tencent Docs
谢谢观看
T H A N K Y O U F O R W AT C H I N G
20世纪60年代至今：超大规模集成电路的发展
• 微米级工艺、纳米级工艺不断发展
• 半导体器件性能不断提高，功耗降低
• 通过旋转晶体提高晶体生长的均匀性
CZ法晶体生长设备
• 熔炉：提供晶体生长所需的温度环境
• 籽晶：引导晶体生长的起始部分
• 旋转机构：实现晶体的旋转
CZ法晶体生长的优点
• 生长速率快，效率高
• 可以得到高质量的单晶硅
பைடு நூலகம்
Vertical Gradient Freeze(VGF)法晶体生长技术
• 系统内部的温度梯度
• 系统内部的应力梯度
晶体生长的动力学原理
晶体生长的速率
晶体生长的机制
• 影响因素：温度、浓度、应力等
• 螺旋位错生长机制
• 晶体生长速率与温度的关系：阿累尼乌斯方程
• 层错生长机制
• 岛状生长机制
常见的晶体生长方法及其特点
化学气相沉积法
• 特点：生长速率快，可以制备薄膜晶体
晶体生长过程中的缺陷类型
缺陷的成因
• 点缺陷：空位、间隙原子
• 材料因素：纯度、掺杂剂浓度
• 线缺陷：位错、晶界
• 设备因素：温度、压力、气流
• 面缺陷：晶面、孪晶
• 操作因素：晶体生长工艺、环境条件
缺陷对半导体器件性能的影响
点缺陷的影响
• 影响晶体的基本性质和性能
• 影响晶体器件的可靠性和稳定性
• 减少晶体生长过程中的废弃物排放
• 采用废弃物回收利用减少环境污染
Tencent Docs
谢谢观看
T H A N K Y O U F O R W AT C H I N G
20世纪60年代至今：超大规模集成电路的发展
• 微米级工艺、纳米级工艺不断发展
• 半导体器件性能不断提高，功耗降低
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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)
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
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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；
半导体制备工艺原理
半导体制备工艺：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
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
1
半导体器件与工艺
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
2
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…
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
3
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
第一章 晶体生长
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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；
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
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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。
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。
半导体制备工艺原理
dS S
k0
dM M0 M
Cs
k0C0 1
M M0
k0 1
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第一章 晶体生长
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凝固率g M / M 0
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第一章 晶体生长
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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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第一章 晶体生长
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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
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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第一章 晶体生长
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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,
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第一章 晶体生长
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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。
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
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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。
第一章 晶体生长
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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。
半导体制备工艺原理
第一章 晶体生长
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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”。
一般情况下k0<1。
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第一章 晶体生长
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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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第一章 晶体生长
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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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第一章 晶体生长
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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
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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第一章 晶体生长
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直拉法生长单晶的特点