微电子工艺PPT课件资料.ppt
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1、微电子工艺微电子工艺微电子工艺微电子工艺第二章第二章第二章第二章 晶体生长晶体生长晶体生长晶体生长第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶体生长晶体生长第三章第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蚀刻蚀第七章第七章 扩散扩散第八章第八章 离子注入离子注入第九章第九章 薄膜淀积薄膜淀积第十章第十章 工艺集成工艺集成 第十一章第十一章 集成电路制造集成电路制造目标目标通过本章的学习,你将能够:通过本章的学习,你将能够:1.掌握用直拉单晶法制备硅片所用的原料,以及提纯的过程掌握用直拉单
2、晶法制备硅片所用的原料,以及提纯的过程和制造单晶硅锭的步骤。和制造单晶硅锭的步骤。2.了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。了解区熔单晶法制备单晶硅锭的过程。3.了解两种制备方法各自的特点。了解两种制备方法各自的特点。5.从单晶锭到单晶硅片的步骤。从单晶锭到单晶硅片的步骤。6.硅片质量检测的指标。硅片质量检测的指标。一一、衬底材料的类型衬底材料的类型1.元素半导体元素半导体Si、Ge.2.化合物半导体化合物半导体GaAs、SiC、GaNGe:漏电流大,禁带宽度窄,仅漏电流大,禁带宽度窄,仅0.66eV(Si:1.1eV);工作温度低,工作温度低,75(Si:150););GeO2易水解(易水解(S
3、iO2稳定);稳定);本征电阻率低:本征电阻率低:47 cm(Si:2.3x105 cm););成本高。成本高。Si:含量丰富,占地壳重量含量丰富,占地壳重量25%;单晶单晶Si生长工艺简单,目前直径最大生长工艺简单,目前直径最大18英吋英吋(450mm)氧化特性好,氧化特性好,Si/SiO2界面性能理想,可做掩蔽膜、界面性能理想,可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料;钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料;易于实现平面工艺技术;易于实现平面工艺技术;二、对衬底材料的要求二、对衬底材料的要求 直径直径导电类型:导电类型:N型与型与P型都易制备;型都易制备;晶向:晶向:Si:双极器件双极器
4、件-;MOS-;电阻率:电阻率:0.01-105 cm,均匀性好(纵向、横向、微区)、可,均匀性好(纵向、横向、微区)、可靠性高(稳定、真实);靠性高(稳定、真实);寿命(少数载流子):晶体管寿命(少数载流子):晶体管长寿命;长寿命;开关器件开关器件短寿命;短寿命;晶格完整性:低位错(晶格完整性:低位错(1000个个/cm2););平整度平整度、禁带宽度、迁移率等。禁带宽度、迁移率等。Si的基本特性的基本特性:FCC金刚石结构,晶格常数金刚石结构,晶格常数a=5.431间接带隙半导体,间接带隙半导体,禁带宽度禁带宽度Eg=1.12eV相对介电常数,相对介电常数,r=11.9熔点:熔点:1417
5、oC原子密度:原子密度:5x1022cm-3本征载流子浓度:本征载流子浓度:ni=1.45x1010cm-3本征电阻率本征电阻率=2.3x105 cm电子迁移率电子迁移率 e=1500cm2/Vs,空穴迁移率空穴迁移率 h=450cm2/Vs三、起始材料三、起始材料-石英岩(高纯度硅砂石英岩(高纯度硅砂-SiO2)1.SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g)冶金级硅: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三氯硅烷室温下呈液态沸点为32,利用分馏法去,利用分馏法去除杂质;除杂质;3.SiHCl3(g)+H2Si(s)+3HC
6、l(g)得到电子级硅(片状多晶硅)。得到电子级硅(片状多晶硅)。300oC单晶制备单晶制备一、直拉法(一、直拉法(CZ法)法)CZ CZ 拉晶仪拉晶仪1.1.熔炉熔炉石英坩埚:盛熔融硅液;石英坩埚:盛熔融硅液;石墨基座:支撑石英坩埚;加热坩埚;石墨基座:支撑石英坩埚;加热坩埚;旋转装置:顺时针转;旋转装置:顺时针转;加热装置:加热装置:RFRF线圈;线圈;2.2.拉晶装置拉晶装置籽晶夹持器:夹持籽晶(单晶);籽晶夹持器:夹持籽晶(单晶);旋转提拉装置:逆时针;旋转提拉装置:逆时针;3.3.环境控制系统环境控制系统气路供应系统气路供应系统流量控制器流量控制器排气系统排气系统4.4.电子控制反馈系
7、统电子控制反馈系统拉晶过程拉晶过程1.熔硅熔硅将坩埚内多晶料全部熔化将坩埚内多晶料全部熔化;注意事项:熔硅时间不易长;注意事项:熔硅时间不易长;2.引晶引晶将籽晶下降与液面接近,使籽晶预热几分钟,俗称将籽晶下降与液面接近,使籽晶预热几分钟,俗称“烤烤晶晶”,以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳,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,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;控制温度使熔体在籽晶上结晶;3.3.收颈收颈 指在引晶后略为降低温度,提高拉速,拉一段直径比籽晶指在引晶后略为降低温度,提高拉速,拉一段直径比籽
8、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。颈一般要长于内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm20mm。4.4.放肩放肩 缩颈工艺完成后,略降低温度(缩颈工艺完成后,略降低温度(15-4015-40),让晶体逐渐,让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为长大到所需的直径为止。这称为“放肩放肩”。5.等径生长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。增大,称为收肩。收肩后保持晶体直径不变,就是等径
9、生长。此时要严格控制温度和拉速。此时要严格控制温度和拉速。6.收晶收晶晶体生长所需长度后,升高熔体温度或熔体温度不变,加晶体生长所需长度后,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。快拉速,使晶体脱离熔体液面。硅片掺杂硅片掺杂目的:目的:使硅片具有一定电阻率使硅片具有一定电阻率(比如:(比如:N/P型硅片型硅片1-100 cm)分凝现象:分凝现象:由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样,所以,杂由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样,所以,杂质在固质在固-液界面两边材料中分布的浓度是不同的,这就液界面两边材料中分布的浓度是不同的,这就是所谓杂质的分凝现象。是所谓杂质的分凝现象。分凝
10、系数分凝系数:Cs 和和 Cl分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度一般情况下一般情况下k01,ke 1,为了得到均匀的掺杂分布,为了得到均匀的掺杂分布,可以通可以通过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。D:熔液中掺杂的扩散系数熔液中掺杂的扩散系数直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点优点优点:所生长单晶的直径较大成本相对较低: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。控制电阻率径向均匀性。缺点缺点:石英坩埚内壁被熔
11、硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响,: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(含氧量通常易引入氧碳杂质,不易生长高电阻率单晶(含氧量通常10-40ppm)。二、悬浮区熔法(二、悬浮区熔法(float-zonefloat-zone,FZFZ法)法)方法方法:依靠熔体表面张力,使熔区悬浮于多晶依靠熔体表面张力,使熔区悬浮于多晶SiSi与下方长出与下方长出 的单晶之间,通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。的单晶之间,通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。区熔晶体生长区熔晶体生长RF气体入口(惰性)熔融区可移动RF线圈多晶棒 (硅)籽晶惰性气体出口卡盘卡盘悬浮区
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