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1、第一章第一章 衬底制备衬底制备主主 讲：毛讲：毛 维维西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院第一章第一章 衬底制备衬底制备 1.1衬底材料衬底材料1.1.1衬底材料的类型衬底材料的类型n1.元素半导体元素半导体Si、Ge、C（金刚石）（金刚石）n2.化合物半导体化合物半导体GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTen3.绝缘体绝缘体蓝宝石蓝宝石表表1周期表中用作半导体的元素周期表中用作半导体的元素n 族族 族族 族族 族族 族族n第第2周期周期BC Nn第第3周期周期AlSi P Sn第第4周期周期ZnGaGe As Sen第第5周期周期CdInSn Sb Ten第
2、第6周期周期HgPb 元素半导体元素半导体Si：n占地壳重量占地壳重量20%-25%；n单晶直径最大，目前单晶直径最大，目前16英吋（英吋（400mm）,每每3年增加年增加1英寸；英寸；nSiO2作用作用:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多层布线）、绝缘栅、缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料；电容的介质材料；n多晶硅（多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散）：栅电极、杂质扩散源、互连线（比铝布线灵活）；源、互连线（比铝布线灵活）；元素半导体元素半导体Ge：漏电流大：禁带宽度窄，仅漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.12eV)；工作温
3、度低：工作温度低：75（Si:150）；）；GeO2:易水解（易水解（SiO2稳定）；稳定）；本征电阻率低：本征电阻率低：47cm（Si:2.3105cm）；）；成本高。成本高。n优点：电子和空穴迁移率均高于优点：电子和空穴迁移率均高于Sin最新应用研究：应变最新应用研究：应变Ge技术技术-Ge沟道沟道MOSFET第一章第一章 衬底制备衬底制备1.1.2对衬底材料的要求对衬底材料的要求1.导电类型：导电类型：N型与型与P型都易制备；型都易制备；2.电阻率：电阻率：10-3108cm，且均匀性好（纵向、横，且均匀性好（纵向、横向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；向、微区）、可靠性高（稳定、真实）
4、；3.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；4.晶格完整性：无位错、低位错（晶格完整性：无位错、低位错（1000个个/cm2）；）；第一章第一章 衬底制备衬底制备1.1.2对衬底材料的要求对衬底材料的要求5纯度：电子级硅（纯度：电子级硅（EGS,electronic-grade-silicon）-1/109杂质；杂质；6晶向：双极器件晶向：双极器件-；MOS-；GaAs-；7直径：直径：8平整度：平整度：9主、次定位面：主、次定位面：10.禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。第一章第一章 衬底制备衬底制备1.
5、1.3起始材料起始材料-石英岩（高纯度硅砂石英岩（高纯度硅砂-SiO2）SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：冶金级硅：98%；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），利用分馏法去除杂质；馏法去除杂质；SiHCl3(g)+H2Si(s)+3HCl(g)，电子级硅电子级硅（片状多晶硅）。（片状多晶硅）。第一章第一章 衬底制备衬底制备1.2 1.2 单晶的制备单晶的制备 1.2.1直拉法（直拉法（CZ法）法）1.拉晶仪拉晶仪构成：构成：炉体炉体 拉晶装置拉晶装置 环境控制环境控制 电
6、子控制及电源系统电子控制及电源系统 柴可拉斯基拉晶仪柴可拉斯基拉晶仪1.1.拉晶仪拉晶仪炉体炉体n石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液；n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；n旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转；n加热装置：加热装置：RF线圈；线圈；拉晶装置拉晶装置n籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；n旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针；环境控制环境控制n真空系统：真空系统：n气路系统：提供惰性气体；气路系统：提供惰性气体；n排气系统：排气系统：电子控制及电源系统电子控制及电源系统2.2.拉晶过程拉晶过程例，例，2.5
7、2.5及及3 3英寸硅单晶制备英寸硅单晶制备熔硅熔硅n调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；引晶（下种）引晶（下种）n籽晶预热：位置籽晶预热：位置-熔硅上方；熔硅上方；目的目的-避免对热场的扰动太大；避免对热场的扰动太大；n与熔硅接触：温度太高与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断；籽晶熔断；温度太低温度太低-过快结晶；过快结晶；合适温度合适温度-籽晶与熔硅可长时间接籽晶与熔硅可长时间接 触，既不会进一步融化，也不会生长；触，既不会进一步融化，也不会生长；2.2.拉晶过程拉晶过程收颈收颈n目的：抑制位错从籽晶目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸；向晶体延伸；n直径：
8、直径：2-3mm；n长度：长度：20mm；n拉速：拉速：3.5mm/min放肩放肩n温度：降温度：降15-40；n拉速：拉速：0.4mm/min；2.2.拉晶过程拉晶过程 收肩收肩n当肩部直径比所需直径小当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：时，提高拉速：n拉速：拉速：2.5mm/min；等径生长等径生长n拉速：；拉速：；n熔硅液面在温度场保持相对固定；熔硅液面在温度场保持相对固定；收尾收尾n熔硅料为熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。时，停止坩埚跟踪。1.2.2悬浮区熔法悬浮区熔法（float-zoneFZ法）法）1.2单晶的制备单晶的制备1.2单晶的制备单晶的制备1.2.2悬浮区熔
9、法悬浮区熔法n特点：特点：可重复生长、提纯单晶；可重复生长、提纯单晶；无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；法高；FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；n缺点：缺点：单晶直径不及单晶直径不及CZ法。法。1.2单晶的制备单晶的制备1.2.3水平区熔法水平区熔法（布里吉曼法）（布里吉曼法）-GaAs单晶单晶1.3衬底制备衬底制备n衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。工。1.3.1晶体定向晶体定向n晶体具有各向异性晶体具有各向异性器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如器件一般制
10、作在不同米勒指数面的晶片上，如双极器件：双极器件：111面；面；MOS器件：器件：100面。面。n晶体定向的方法晶体定向的方法1.光图像定向法（参考李乃平）光图像定向法（参考李乃平）腐腐蚀蚀：要要定定向向的的晶晶面面经经研研磨磨、腐腐蚀蚀，晶晶面面上上出出现现许许多多由由低低指指数数小小平平面面围围成成、与与晶晶面面具具有有一一定定对对应应关关系系的小腐蚀坑；的小腐蚀坑；光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平行光反映出不同的图像，从而确定晶面平行光反映出不同的图像，从而确定晶面。1.3.1晶体定向晶体定向2.X射线衍射法射线衍射法n方法：劳埃法；
11、转动晶体法；方法：劳埃法；转动晶体法；n原理：原理：入射角入射角应满足：应满足：n=2dsin；晶面米勒指数晶面米勒指数h、k、l应满足：应满足：h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）；为奇数）；h2+k2+l2=4n（n为偶数）。为偶数）。1.3.2晶面标识晶面标识n原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；硅单晶的解理面：硅单晶的解理面：111；1.主参考面（主定位面，主标志面）主参考面（主定位面，主标志面）n起识别划片方向作用；起识别划片方向作用；n作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；n作为硅片装架的接触位置，可减少硅
12、片损耗；作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；2.次参考面（次定位面，次标志面）次参考面（次定位面，次标志面）识别晶向和导电类型识别晶向和导电类型1.3.2晶面标识晶面标识1.3.2晶面标识晶面标识1.3.3晶片加工晶片加工n切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光1.切片切片n将将已已整整形形、定定向向的的单单晶晶用用切切割割的的方方法法加加工工成成符符合一定要求的单晶薄片。合一定要求的单晶薄片。n切切片片基基本本决决定定了了晶晶片片的的晶晶向向、平平行行度度、弯弯曲曲度度，切片损耗占切片损耗占1/3。1.3.3晶片加工晶片加工1.3.3晶片加工晶片加工2.磨片磨片n目的：目的：使各片厚度一致；使
13、各片厚度一致；使各硅片各处厚度均匀；使各硅片各处厚度均匀；改善平整度。改善平整度。n磨料：磨料：要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。种类：种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等等1.3.3晶片加工晶片加工3.抛光抛光n目目的的：进进一一步步消消除除表表面面缺缺陷陷，获获得得高高度度平平整整、光洁及无损层的光洁及无损层的“理想理想”表面。表面。n方方法法：机机械械抛抛光光、化化学学抛抛光光、化化学学机机械械抛抛光光（CMP,chemical-mechanicalpolishing）机机械械抛抛光光:与与磨磨片片工工艺艺原原理理相相同同，磨磨料料更更细细（0.1-0.
14、5m），），MgO、SiO2、ZrO；n优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。1.3.3晶片加工晶片加工化学抛光（化学腐蚀）化学抛光（化学腐蚀）a.酸性腐蚀酸性腐蚀典型配方：典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比体积比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O注意腐蚀温度：注意腐蚀温度：t=30-50,表面平滑；表面平滑；t75mm）;2）不需搅拌；）不需搅拌；3）表面无损伤。）表面无损伤。n缺点：平整度差缺点：平整度差1.3.3晶片加工晶片加工化学机械抛光（化学机械抛光（CMP)n特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。n典型抛光液：典型抛光液：SiO2+NaOH(SiO2化学机械抛光化学机械抛光)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2典型的化学机械典型的化学机械抛光原理示意图抛光原理示意图1.3.3晶片加工晶片加工芯片制造、芯片测试与拣选、装芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测配与封装以及终测芯片制造、芯片测试与拣选、装芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测配与封装以及终测