4-半導(dǎo)體單晶和薄膜制造技術(shù)-電子器件與工藝課件

第四章半導(dǎo)體單晶和薄膜制造技術(shù)4.1半導(dǎo)體單晶的制造單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術(shù)的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區(qū)熔法（FZ）和外延法。直拉法、區(qū)熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長的單晶硅主要用于半導(dǎo)體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區(qū)熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領(lǐng)域，廣泛用于大功率輸變電、電力機(jī)車、整流、變頻、機(jī)電一體化、節(jié)能燈、電視機(jī)等系列產(chǎn)品。目前晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成電路領(lǐng)域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）單晶硅材料應(yīng)用最廣。在IC工業(yè)中所用的材料主要是CZ拋光片和外延片。存儲器電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路一般使用價格較高的外延片，因其在IC制造中有更好的適用性并具有消除Latch－up的能力。

單晶硅也稱硅單晶，是電子信息材料中最基礎(chǔ)性材料，屬半導(dǎo)體材料類。單晶硅已滲透到國民經(jīng)濟(jì)和國防科技中各個領(lǐng)域，當(dāng)今全球超過2000億美元的電子通信半導(dǎo)體市場中95%以上的半導(dǎo)體器件及99%以上的集成電路用硅。

區(qū)熔法單晶生長如果需要生長及高純度的硅單晶，其技術(shù)選擇是懸浮區(qū)熔提煉，該項技術(shù)一般不用于GaAs。區(qū)熔法可以得到低至1011cm-1的載流子濃度。區(qū)熔生長技術(shù)的基本特點是樣品的熔化部分是完全由固體部分支撐的，不需要坩堝。柱狀的高純多晶材料固定于卡盤，一個金屬線圈沿多晶長度方向緩慢移動并通過柱狀多晶，在金屬線圈中通過高功率的射頻電流，射頻功率技法的電磁場將在多晶柱中引起渦流，產(chǎn)生焦耳熱，通過調(diào)整線圈功率，可以使得多晶柱緊鄰線圈的部分熔化，線圈移過后，熔料在結(jié)晶為為單晶。另一種使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦電子束。整個區(qū)熔生長裝置可置于真空系統(tǒng)中，或者有保護(hù)氣氛的封閉腔室內(nèi)。為確保生長沿所要求的晶向進(jìn)行，也需要使用籽晶，采用與直拉單晶類似的方法，將一個很細(xì)的籽晶快速插入熔融晶柱的頂部，先拉出一個直徑約3mm，長約10-20mm的細(xì)頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至較大直徑。頂部安置籽晶技術(shù)的困難在于，晶柱的熔融部分必須承受整體的重量，而直拉法則沒有這個問題，因為此時晶定還沒有形成。這就使得該技術(shù)僅限于生產(chǎn)不超過幾公斤的晶錠。區(qū)熔法（FZ法）

優(yōu)缺點：可以制備大分解壓化合物半導(dǎo)體單晶避免熔體揮發(fā)質(zhì)量大為提高4.2半導(dǎo)體外延制造技術(shù)半導(dǎo)體的外延根據(jù)向襯底輸送原子的方式可分為三種：液相外延、氣相外延和真空外延。MOCVD是一種典型的氣相外延，而MBE又是一種典型的真空外延。由于MOCVD既可以生長組份突變的異質(zhì)結(jié)，又可以生長組份漸變的異質(zhì)結(jié)，因此到目前為止，在半導(dǎo)體外延領(lǐng)域，MOCVD技術(shù)仍然是外延技術(shù)的主流。另外降低反應(yīng)室壓力可以增加反應(yīng)劑的流速，易于生長突變異質(zhì)結(jié)。再有在低壓下，反應(yīng)劑的濃度可以控制得很低，因此外延生長的速率也可以控制得很低。正因MOCVD在低壓下外延具有更多的優(yōu)點，所以目前的MOCVD實際上都是低壓MOCVD，即LPMOCVD。

常用外延材料及其工藝外延技術(shù)對比l液相外延優(yōu)點：便宜；平衡生長；層質(zhì)量好；毒性低缺點：難以制造多層；厚度控制差；原料和制品有限；要考慮均勻性；難以按比例增高l汽相外延（氯化物和氫化物傳輸）優(yōu)點：高純度；低毒性缺點：復(fù)雜，凌亂；有記憶效應(yīng)；厚度控制差；要考慮均勻性l有機(jī)金屬化學(xué)蒸氣沉積優(yōu)點：控制良好；反應(yīng)快；通用性；原料多；可以選擇性生長缺點：產(chǎn)生有毒氣體；要考慮均勻性l分子束外延優(yōu)點：束技術(shù)；在現(xiàn)場控制；單層控制缺點：速度慢；昂貴；需要UHV的維護(hù)砷化鎵材料的制備

與硅相仿，砷化鎵材料也可分為體單晶和外延材料兩類。體單晶可以用作外延的襯底材料，也可以采用離子注入摻雜工藝直接制造集成電路（采用高質(zhì)量、大截面、半絕緣砷化鎵單晶）。重點是液封直拉法（即液封喬赫拉斯基法，簡稱LEC法）,但水平舟生長法（即水平布里其曼法）因制出的單晶質(zhì)量和均勻性較好，仍然受到一定的重視。液封直拉法的一個新發(fā)展是在高壓單晶爐內(nèi)用熱解氮化硼(PBN)坩堝和干燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶。另外，常壓下用石英坩堝和含水氧化硼為液封劑的方法也已試驗成功。不論水平舟生長法或是液封直拉法，晶體的直徑均可達(dá)到100～150毫米而與硅單晶相仿。砷化鎵的外延生長按工藝可分為氣相和液相外延，所得外延層在純度和晶體完整性方面均優(yōu)于體單晶材料。通用的汽相外延工藝為Ga/AsCl3/H2法,這種方法的變通工藝有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。為了改進(jìn)Ga/AsCl3/H2體系氣相外延層的質(zhì)量，還研究出低溫和低溫低壓下的外延生長工藝。液相外延工藝是用Ga/GaAs熔池覆蓋襯底表面,然后通過降溫以生長外延層,也可采用溫度梯度生長法或施加直流電的電外延法。在器件(特別是微波器件)的制造方面,汽相外延的應(yīng)用比液相外延廣泛。液相外延可用來制造異質(zhì)結(jié)(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化鎵雙異質(zhì)結(jié)激光器和太陽電池等的重要手段。

砷化鎵外延技術(shù)還有分子束外延和金屬有機(jī)化合物汽相沉積外延。分子束外延是在超高真空條件下，使一個或多個熱分子束與晶體表面相作用而生長出外延層的方法。對入射分子或原子束流施加嚴(yán)格的控制，可以生長出超晶格結(jié)構(gòu)，例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄層（厚度僅10埃）所組成的結(jié)構(gòu)。金屬有機(jī)化合物汽相沉積外延是用三甲基鎵或三乙基鎵與砷烷相作用而生長外延層。用這種方法也能適當(dāng)?shù)乜刂仆庋訉拥臐舛?、厚度和結(jié)構(gòu)。與分子束外延相比，金屬有機(jī)化合物汽相沉積外延設(shè)備和工藝均較簡單，但分子束外延層的質(zhì)量較高。

采用從溶液中再結(jié)晶原理的外延生長方法稱液相外延;采用從氣相中生長單晶原理的稱氣相外延。液相外延就是將所需的外延層材料(作為溶質(zhì)，例如GaAs)，溶于某一溶劑（例如液態(tài)鎵）成飽和溶液，然后將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質(zhì)從過飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結(jié)晶出單晶薄層。汽相外延生長可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過分解或還原等化學(xué)反應(yīng)淀積于襯底上，也可以用所需材料為源材料，然后通過真空蒸發(fā)、濺射等物理過程使源材料變?yōu)闅鈶B(tài)