半導(dǎo)體化學(xué)第二章課件

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晶體生長(zhǎng)半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)23導(dǎo)電性：絕緣體、半導(dǎo)體及導(dǎo)體。絕緣體:電導(dǎo)率很低，約介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；導(dǎo)體：電導(dǎo)率較高，介于104S/cm～106/cm，如鋁、銀等金屬。半導(dǎo)體：電導(dǎo)率則介于絕緣體及導(dǎo)體之間。半導(dǎo)體材料5電子和空穴

用砷來(lái)做N型摻雜的硅;用硼來(lái)做P型摻雜的硅6摻雜半導(dǎo)體的特性7硅、鍺都是由單一原子所組成的元素半導(dǎo)體，均為周期表第IV族元素。20世紀(jì)50年代初期鍺曾是最主要的半導(dǎo)體材料；60年代初期以后，硅已取代鍺成為半導(dǎo)體制造的主要材料。硅的優(yōu)勢(shì)：硅器件在室溫下有較好的特性；高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長(zhǎng)的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%，僅次于氧，儲(chǔ)量豐富。元素(elements)半導(dǎo)體一、晶體和非晶體非晶體物質(zhì)的內(nèi)部原子排列沒(méi)有一定的規(guī)律，當(dāng)斷裂時(shí)斷口也是隨機(jī)的，如塑料和玻璃等晶體物質(zhì)，外形呈現(xiàn)天然的有規(guī)則的多面體，具有明顯的棱角與平面，其內(nèi)部的原子是按照一定的規(guī)律整齊的排列起來(lái)，所以破裂時(shí)也按照一定的平面斷開(kāi)，如食鹽、水晶等。

10二、單晶硅和多晶硅單晶硅：在晶體中，組成晶體的原子有周期重復(fù)性的在空間中排列，如果這種周期重復(fù)性的排列存在于整個(gè)晶體中，這種物質(zhì)就是單晶。多晶：晶體由無(wú)數(shù)個(gè)小的單晶區(qū)域組成。（無(wú)規(guī)律）11三、晶向因?yàn)榫w的各向異性，所以不同的器件要求的晶向不同小括號(hào)（）表示平面尖括號(hào)<>表示對(duì)應(yīng)的方向MOS器件最常用（100）面的硅片，因?yàn)椋?00）面的表面狀態(tài)更有利于控制MOS器件開(kāi)關(guān)態(tài)所要求的閾值電壓。砷化鎵技術(shù)也用（100）面的硅片。雙極型器件常用（111）面得硅片，因?yàn)椋?11）面得原子密度更大，更容易生長(zhǎng)，生長(zhǎng)成本最低。第二章晶體生長(zhǎng)本章重點(diǎn)、難點(diǎn)關(guān)于硅片的一些基本概念生長(zhǎng)單晶硅的兩種方法硅片制備的流程以及各個(gè)步驟的作用晶體缺陷分類(lèi)14原材料多晶單晶晶片SiSiO2蒸餾與還原晶體生長(zhǎng)研磨、切割拋光從原料到拋光晶片的制造流程第二章晶體生長(zhǎng)多晶硅單晶硅棒晶圓片172.1.2

Cz直拉法拉晶機(jī)：1、熔爐2、拉晶的機(jī)械裝置3、環(huán)境控制裝置18單晶生長(zhǎng)19

圖2.3直拉法生長(zhǎng)的直徑為300mm(12in.)400mm(16in.)單晶硅錠2122

在晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中，晶體中初始的摻雜濃度為k0C0，如果k0<1，摻雜濃度將會(huì)持續(xù)增加；當(dāng)k0>1時(shí)，摻雜濃度將會(huì)持續(xù)減少；當(dāng)k0≈1時(shí)，可以獲得均勻的摻雜濃度分布。23例1

一個(gè)直拉法生長(zhǎng)的硅錠，應(yīng)在熔融液中摻入多少硼原子，才能使其每立方厘米包含1016個(gè)硼原子？查表得摻硼時(shí)的平衡分凝系數(shù)k0=0.8,我們假設(shè)在整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中Cs=k0Cl

硼原子的初始濃度為

Cl=1016／0.8=1.25×1016個(gè)／㎝3假設(shè)開(kāi)始在坩堝里有60kg的硅，若要達(dá)到上述摻雜濃度應(yīng)該加入多少克的硼（硼的摩爾質(zhì)量為10.8g）？熔融硅的密度為2.53g／㎝3。60kg熔融液的體積為：60×103／2.53=2.37×104

㎝3硼原子在熔融液中的總數(shù)為：1.25×1016×2.37×104=2.96×1020個(gè)所需摻硼的重量為：2.96×1020×10.8／6.02×1023=5.31mg25有效分凝系數(shù):Cs與遠(yuǎn)離界面處熔融液中摻雜濃度的比值在晶體內(nèi)的均勻摻雜分布（ke→1）1、可由高的拉晶速率和低的旋轉(zhuǎn)速率獲得。2、持續(xù)不斷的加入高純度的多晶硅于融體中，使初始的摻雜濃度維持不變。2.2區(qū)熔法單晶生長(zhǎng)工藝區(qū)熔法（float-zone）可以生長(zhǎng)比一般Cz法純度更高的單晶硅。生長(zhǎng)的晶體主要用于高電阻率材料的器件，如高功率、高壓等器件。多晶硅棒RF線(xiàn)圈單晶籽晶272.4材料特性1、整型處理：去掉兩端：晶體生長(zhǎng)后，先去除頭部（包含籽晶）和晶錠的尾端。徑向研磨：磨光晶錠以確定晶片直徑。硅片定位邊或定位槽：沿著晶錠軸向磨出一個(gè)或數(shù)個(gè)平面。這些平面標(biāo)示出晶錠的特定晶體方向和材料的導(dǎo)電形態(tài)。主磨面－最大的面，用于機(jī)械定向器去固定晶片的位置并確定器件和晶體的相對(duì)方向。次磨面－較小的面，用來(lái)標(biāo)識(shí)晶體的方向和導(dǎo)電形態(tài)。2.4.1晶片成型定位槽（200mm以上的硅片）晶圓制備30切片：300mm硅片目前的厚度是775±25微米。研磨：目的是減少晶圓片正面和背面的鋸痕和表面損傷，同時(shí)打薄晶圓片。倒角：將晶圓片的邊緣磨圓，徹底消除將來(lái)電路制作過(guò)程中破損的可能性，這一步驟很關(guān)鍵。（研磨之前或之后）刻蝕：利用化學(xué)刻蝕選擇性消除硅片表面損傷和沾污。拋光（CMP）：提高整體清潔度以進(jìn)一步減少破損，形成高度平坦化、高度潔凈表面的晶片。清洗：使用氫氧化鈉、乙酸和硝酸的混合物以減輕磨片過(guò)程中產(chǎn)生的損傷和裂紋。

31支架固定金剛石輪高速旋轉(zhuǎn)切片研磨倒角清洗拋光裝盒硅晶圓片的制備過(guò)程刻蝕32切割決定四個(gè)晶片參數(shù)：晶體方向、厚度、傾斜度和彎曲度。切割后，用氧化鋁和甘油的混合液研磨，一般研磨到2μm的平坦度。332.4.2晶體特性

晶體缺陷：點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷和體缺陷。點(diǎn)缺陷－替代、填隙、空位和弗蘭克爾缺陷。影響點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的因素是：生長(zhǎng)速率和晶體熔融體界面間的溫度梯度。34線(xiàn)缺陷，亦稱(chēng)位錯(cuò)－刃型位錯(cuò)和鏍位錯(cuò)。一般位錯(cuò)是由器件制作過(guò)程中硅片表面的熱氧化引入的。35面缺陷孿晶（在一個(gè)界面上晶體沿著兩個(gè)不同的方向生長(zhǎng)）晶粒間界。反映孿晶