现代半导体器件物理与工艺
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
将边界条件代入 且在x＝ δ时C＝Cl，可以得到
因此
在晶体内的均匀掺杂分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率 获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅 于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。
悬浮区熔法
悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。
此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
砷化镓晶体的生长技术－起始材料
砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。
不像硅可以在熔点时有相对 较低的蒸汽压（1412℃时约 为10-1Pa ），砷在砷化镓的 熔点（1240℃）时有高出许 多的蒸汽压。在气相中砷以 两种主要形式存在：As2及 As4。
有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。
Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。
在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是 硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进 端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：
而且
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
从积分式可得
其分凝系数为
定义一有效分凝系数
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的融体层，层内只有因拉出需要补充融体 而产生的流动。层外参杂浓度为常数Cl，层内参杂浓度可用第3章的连续 性方程式来表示。在稳态式，右边第二项、第三项是有意义的(C代替np， v代替μnE)
解为
第一个边界条件是在x＝0时，C＝Cl(0)；第二个边界条件式所有掺杂总数 守恒，即流经界面的掺杂流量和必须等于零。考虑掺杂原子在融体中的扩 散（忽略在固体中的扩散），可以得到
线缺陷，亦称位错－刃形和螺旋。
面缺陷－孪晶和晶粒间界。
反映孪晶 旋转孪晶
小角度晶界
体缺陷－杂质或掺杂原子的 析出现象。这些缺陷的产生 是由在主晶格中 的固溶度引起的。
材料特性
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常 和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的 比例定义为平衡分凝系数
(1)
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
融体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0（每克的融体中掺杂的重量） 。 生长过程中，当已生长晶体的重量为M时，留在融体中的掺杂数量（重 量）为S。当晶体增加dM的重量，融体相对应减少的掺杂（－dS）为
(2)
Cs为晶体中的掺杂浓度（重量表示）。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓 度Cl
(3)
结合（2）、（3），将（1）代入可得 (4)
若初始掺杂重量为C0M0，积分（4）可得 (5)
解出（5）式，且结合（3）式可得 (6)
有效分凝系数
当晶体生长时，掺杂剂会持续不断地被排斥而留在融体中(K0<1)。如果排 斥率比参杂的扩散或搅动而产生的传送率高时，在界面的地方会有浓度梯 度产生，如图所示。
布理吉曼法
左区带保持在610 ℃来维持砷所需的过压状态，而右区带温度略高于砷化 镓熔点（1240 ℃）。当炉管向右移动时，融体的一端会冷却，通常在左 端放置晶仔以建立特定的晶体生长方向。融体逐步冷却，单晶开始在固液界面生长直到当今砷化镓生长完成。
材料特性－晶片切割
晶体生长后，先区晶仔和晶锭的尾端。接着磨光晶锭以便确定晶片直 径。然后，沿着晶锭长度方向磨出一个或数个平面。这些平面标示出 晶锭的特定晶体方向和材料的导电形态。
砷化镓生长工艺
合成砷化镓通常在真空密闭的石英管系统中进行，此管有2个温度区。高 纯度的砷放置在石墨舟中加热到601-620 ℃；而高纯度的镓放置在另一个 石墨舟中，加热到稍高于砷化镓熔点（1240-1260 ℃）的温度。此情形下 ，会形成过多的砷蒸汽压，一来会使砷蒸汽压输送到镓的熔融态进而转变 成砷化镓。二来可以防止在炉管形成的砷化镓再次分解。当熔融态冷却时 ，就可以产生高纯度的多晶砷化镓。
主标志面－最大的面，用于机械定向器去固定晶片的位置并确定器件 和晶体的相对方向。
次标志面－较小的面，用来标识晶体的方向和导电形态。
磨光、标识后的晶锭切割。切割决定四个晶片参数：表面方向、厚度、 倾斜度和弯曲度。
切割后，用氧化铝和甘油的混合液研磨，一般研磨到2μm的平坦度。
晶体特性－晶体缺陷
点缺陷－替代、填隙、空位和弗兰克尔缺陷。
蒸馏与还原 合成
晶体生长 晶体生长
单晶 晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
CZ法生长单晶硅－起始材料
高纯度的硅砂与不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应
此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应
SiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级 硅
Cz直拉法
掺杂物质的分布
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长与外延
对分立器件而言，最重要的半导体是硅和砷化镓。本小节主要讨论这两种 半导体单晶最常用的技术。 一种是单晶生长，获得高质量的衬底材料；另外一种时“外延生长”，即在 单晶衬底上生长另一层单晶半导体（同质或异质材料）。
起始材料 多晶
，因此
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0＝ClAρdL， 且初始浓度C0小到几乎可以忽略，由前面的积分式可得
因为
，从上式可得
因此，如果Kex/L很小，则除了在最后凝固的尾端外，Cs在整个距离中几乎 维持定值。
对某些开关器件而言，如高压可控硅。必须用到大面积芯片，对均与度 要求较高。采用中子辐照工艺。
因此
在晶体内的均匀掺杂分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率 获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅 于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。
悬浮区熔法
悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。
此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅
砷化镓晶体的生长技术－起始材料
砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。
不像硅可以在熔点时有相对 较低的蒸汽压（1412℃时约 为10-1Pa ），砷在砷化镓的 熔点（1240℃）时有高出许 多的蒸汽压。在气相中砷以 两种主要形式存在：As2及 As4。
有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。
Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。
在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是 硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进 端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：
而且
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
从积分式可得
其分凝系数为
定义一有效分凝系数
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的融体层，层内只有因拉出需要补充融体 而产生的流动。层外参杂浓度为常数Cl，层内参杂浓度可用第3章的连续 性方程式来表示。在稳态式，右边第二项、第三项是有意义的(C代替np， v代替μnE)
解为
第一个边界条件是在x＝0时，C＝Cl(0)；第二个边界条件式所有掺杂总数 守恒，即流经界面的掺杂流量和必须等于零。考虑掺杂原子在融体中的扩 散（忽略在固体中的扩散），可以得到
线缺陷，亦称位错－刃形和螺旋。
面缺陷－孪晶和晶粒间界。
反映孪晶 旋转孪晶
小角度晶界
体缺陷－杂质或掺杂原子的 析出现象。这些缺陷的产生 是由在主晶格中 的固溶度引起的。
材料特性
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常 和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的 比例定义为平衡分凝系数
(1)
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
融体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0（每克的融体中掺杂的重量） 。 生长过程中，当已生长晶体的重量为M时，留在融体中的掺杂数量（重 量）为S。当晶体增加dM的重量，融体相对应减少的掺杂（－dS）为
(2)
Cs为晶体中的掺杂浓度（重量表示）。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓 度Cl
(3)
结合（2）、（3），将（1）代入可得 (4)
若初始掺杂重量为C0M0，积分（4）可得 (5)
解出（5）式，且结合（3）式可得 (6)
有效分凝系数
当晶体生长时，掺杂剂会持续不断地被排斥而留在融体中(K0<1)。如果排 斥率比参杂的扩散或搅动而产生的传送率高时，在界面的地方会有浓度梯 度产生，如图所示。
布理吉曼法
左区带保持在610 ℃来维持砷所需的过压状态，而右区带温度略高于砷化 镓熔点（1240 ℃）。当炉管向右移动时，融体的一端会冷却，通常在左 端放置晶仔以建立特定的晶体生长方向。融体逐步冷却，单晶开始在固液界面生长直到当今砷化镓生长完成。
材料特性－晶片切割
晶体生长后，先区晶仔和晶锭的尾端。接着磨光晶锭以便确定晶片直 径。然后，沿着晶锭长度方向磨出一个或数个平面。这些平面标示出 晶锭的特定晶体方向和材料的导电形态。
砷化镓生长工艺
合成砷化镓通常在真空密闭的石英管系统中进行，此管有2个温度区。高 纯度的砷放置在石墨舟中加热到601-620 ℃；而高纯度的镓放置在另一个 石墨舟中，加热到稍高于砷化镓熔点（1240-1260 ℃）的温度。此情形下 ，会形成过多的砷蒸汽压，一来会使砷蒸汽压输送到镓的熔融态进而转变 成砷化镓。二来可以防止在炉管形成的砷化镓再次分解。当熔融态冷却时 ，就可以产生高纯度的多晶砷化镓。
主标志面－最大的面，用于机械定向器去固定晶片的位置并确定器件 和晶体的相对方向。
次标志面－较小的面，用来标识晶体的方向和导电形态。
磨光、标识后的晶锭切割。切割决定四个晶片参数：表面方向、厚度、 倾斜度和弯曲度。
切割后，用氧化铝和甘油的混合液研磨，一般研磨到2μm的平坦度。
晶体特性－晶体缺陷
点缺陷－替代、填隙、空位和弗兰克尔缺陷。
蒸馏与还原 合成
晶体生长 晶体生长
单晶 晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
CZ法生长单晶硅－起始材料
高纯度的硅砂与不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应
此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应
SiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级 硅
Cz直拉法
掺杂物质的分布
现代半导体器件物理与工艺
晶体生长与外延
对分立器件而言，最重要的半导体是硅和砷化镓。本小节主要讨论这两种 半导体单晶最常用的技术。 一种是单晶生长，获得高质量的衬底材料；另外一种时“外延生长”，即在 单晶衬底上生长另一层单晶半导体（同质或异质材料）。
起始材料 多晶
，因此
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0＝ClAρdL， 且初始浓度C0小到几乎可以忽略，由前面的积分式可得
因为
，从上式可得
因此，如果Kex/L很小，则除了在最后凝固的尾端外，Cs在整个距离中几乎 维持定值。
对某些开关器件而言，如高压可控硅。必须用到大面积芯片，对均与度 要求较高。采用中子辐照工艺。