晶圆-衬底制备

第一章 衬底制备
1.1.2 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：10-3–108Ω ·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）；

识别晶向和导电类型
1.3.2 晶面标识
1.3.3 晶片加工（参考庄同曾）
切片、磨片、抛光 1．切片 将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符 合一定要求的单晶薄片。 切片基本决定了晶片的晶向、平行度、翘度， 切片损耗占1/3。

1.3.3 晶片加工
2.磨片 目的： ① 使各片厚度一致； ② 使各硅片各处厚度均匀； ③ 改善平整度。 磨料： ① 要求：其硬度大于硅片硬度。 ② 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等
2.拉晶过程
③收颈


目的：抑制位错从籽景 向晶体延伸； 直径：2-3mm； 长度：>20mm； 拉速：3.5mm/min 温度：降15-40℃； 拉速：0.4mm/min；
④放肩


2.拉晶过程
⑤ 收肩

当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速： 2.5mm/min； 拉速：1.3-1.5mm/min； 熔硅液面在温度场保持相对固定； 熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。
第一章 衬底制备
1.1 衬底ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料
1.1.1 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 第2周期 第3周期 第4周期 Zn 第5周期 Cd 第6周期 Hg
1.3.3 晶片加工
②化学抛光（化学腐蚀） a.酸性腐蚀 典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比) 3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O 注意腐蚀温度：T=30-50℃,表面平滑； T<25℃, 表面不平滑。
1.3.3 晶片加工
b.碱性腐蚀：KOH、NaOH 特点：1）适于大直径（>75mm）; 2）不需搅拌； 3) 表面无损伤。 缺点：平整度差
1.3.1 晶体定向
2.X射线衍射法 方法：劳埃法；转动晶体法； 原理： ①入射角θ 应满足：nλ =2dsinθ ； ②晶面米勒指数h、k、l应满足： h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）； h2+k2+l2=4n（n为偶数）。
1.3.2 晶面标识
原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开； 硅单晶的解理面：{111} ； 1.主参考面（主定位面，主标志面） ①起识别划片方向作用； ②作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面； ③作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗； 2.次参考面（次定位面，次标志面）
⑥ 等径生长


⑦ 收尾

1.2 单晶的制备
1.2.2 悬浮区熔法 （float-zone FZ法）
1.2 单晶的制备
1.2.2 悬浮区熔法 特点：
①可重复生长、提纯单晶； ② 无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高； ③ FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；

缺点：
单晶直径不及CZ法。
1.3.3 晶片加工
3.抛光 目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、 光洁及无损层的“理想”表面。 方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光 （CMP,chemical-mechanical polishing） ① 机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细 （0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO； 优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。
1.3.3 晶片加工
③化学机械抛光（CMP) 特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。 典型抛光液：SiO2+ NaOH Si+ 2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 B C N Al Si P S Ga Ge As Se In Sn Sb Te Pb
元素半导体
Si：



①占地壳重量20%-25%； ②单晶直径最大，目前16英吋（400mm）,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、互 连线（比铝布线灵活）；
③环境控制

④电子控制及电源系统
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；
1.2 单晶的制备
1.2.3 水平区熔法 （布里吉曼法） --GaAs单晶
1.3 衬底制备

衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面 加工。
1.3.1 晶体定向

晶体具有各向异性
器件一般制作在低米勒指数面的晶片上，如 双极器件：{111}面； MOS器件：{100}面。

晶体定向的方法
1．光图像定向法（参考李乃平） ①腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许 多由低指数小平面围成、与晶面具有一定对应关系的 小腐蚀坑； ②光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平 行光反映出不同的图像，从而确定晶面。
第一章 衬底制备
1.1.2 对衬底材料的要求
5．纯度：电子级硅（EGS,electronic-gradesilicon） --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。
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。 优点：电子和空穴迁移率均高于Si 最新应用研究：应变Ge技术--Ge沟道MOSFET
第一章 衬底制备
1.2 单晶的制备
1.2.1 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； 真空系统： 气路系统：提供惰性气体； 排气系统：
第一章 衬底制备
1.1.3 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)，电子级硅 （片 状多晶硅）。