晶体生长和外延

《大规模集成电路制造工艺》

共价键

金刚石结构四面体二维空间结构简图

拉晶过程

1. 熔硅

将坩埚内多晶料全部熔化；

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

。

拉晶过程

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”

。

拉晶过程

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。

拉晶过程

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。

拉晶过程

300 mm （12inch ）和400 m （16inch ）的硅晶锭

C

s

s

e C C k s

0=l C k C （0）

悬浮区熔工艺：（a ）结构图，（b ）掺杂评估所用的简单模型

不同的k e 下，掺杂浓度和凝固区长度的函数关系图

不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度与区带长度的关系

单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好

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.

改进直拉法—磁控直拉技术原理：在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁场,由于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运

动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。

除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。

优点

：减少温度波动;

减轻熔硅与坩埚作用;

降低了缺陷密度, 氧的含量;

使扩散层厚度增大;

提高了电阻分布的均匀性。

悬浮区熔法

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；

缺点: 单晶直径不及CZ法

砷化镓生长

砷化镓的起始材料是砷及镓元素来合成的多晶砷化镓;这种组成的行为可以用“相图(phase diagram)”来描述;

例题

考虑一初始As组分为C m（重量百分比刻度）的熔融态，从T a（在液态线上）冷却到T b，求有多少比例的融体将被凝固？

蒸汽压

多晶GaAs制备

Ga

610o C-620o C

GaAs 晶体生长

GaAs

熔体

柴氏法:

GaAs中杂质

GaAs晶体生长布理吉曼技术(Bridgman technique):

单晶硅锭

单晶硅锭整形

两端去除

径向研磨

定位面研磨

晶面定向与晶面标识

由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，

必须按一定的晶向（或解理面）进行切割

8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。1．主参考面（主定位面，主标志面）

作为器件与晶体取向关系的参考；

作为机械设备自动加工定位的参考；

作为硅片装架的接触位置；

2. 次参考面（次定位面，次标志面）

识别晶向和导电类型

晶面定向与晶面标识8 inch 以下硅片

晶面定向与晶面标识

8 inch 以上硅片

芯片切割

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、厚度、平行度、翘度，切片损耗占1/3左右。

2.磨片

目的：

去除刀痕与凹凸不平；

改善平整度；

使硅片厚度一致；

磨料：

要求：其硬度大于硅片硬度。

种类：Al

2O

3

、SiC、ZrO、SiO

2

、MgO等

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

制备好的晶圆

晶体生长产生的缺陷

缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。

理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。

实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。

几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

点缺陷

点缺陷

点缺陷

☐缺陷尺寸在原子量级；

☐在三维方向上缺陷尺寸都很小；

线缺陷(位错)

刃型位错: 在晶格里额外插入一个原子平面

线缺陷(位错)

☐正刃型位错;

☐负刃型位错;