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1、硅材料及衬底制备半导体材料半导体材料n目前用于制造半导体器件的材料有：目前用于制造半导体器件的材料有：元素半导体（元素半导体（Si Ge）化合物半导体（化合物半导体（GaAs InSb锑化铟）锑化铟）n本征半导体：本征半导体：不不 含含 任任 何何 杂杂 质质 的的 纯纯 净净 半半 导导 体体，其其 纯纯 度度 在在99.999999%（810个个9）。）。n掺杂半导体：掺杂半导体：半半导导体体材材料料对对杂杂质质的的敏敏感感性性非非常常强强，例例如如在在Si中中掺掺入入千千万万分分之之一一的的磷磷(P)或或者者硼硼（B），就就会会使使电电阻阻率降低率降低20万倍。万倍。2硅的共价键结构硅的
2、共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子3共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以导体中的自由电子很少，所以本征半导体本征半导体的导电能力很弱。的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，
3、形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+44杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体型半导体（主要载流子为电子（主要载流子为电子+，电子半，电子半导体）导体）P型半导体型半导体（主要载流子为空穴（主要载流子为空穴-，空穴半，空穴半导体）导体）5N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi
4、6空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动72.2.负电阻温度系数负电阻温度系数SiSi：T=300K T=300K=2 x 10=2 x 105 5 cmcm T=320K=2 x 10 T=320K=2 x 104 4cmcm3.3.具有整流效应具有整流效应绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体10121022.cm10-61012.cm10-6.cm 电阻率电阻率:电阻率可在很大范围内变化电阻率可在很大范围内变化1.11.1、半导体的主要特征半导体的主要特征2x105
5、cm0.2 cm2x105B 10-5P 10-5硅硅8 4.光电导效应光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发就激发出电子出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增导电性增加，阻值减低，加，阻值减低，这种现象称为这种现象称为光电导效应光电导效应。光敏电阻光敏电阻就就是基于这种效应的光电器件。是基于这种效应的光电器件。9 1839年，法国科学家贝克雷尔年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现
6、，光照能使半导体就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效光生伏打效应应”，简称，简称“光伏效应光伏效应”。5.具有光生具有光生伏特效应伏特效应10物质分为物质分为晶体晶体(单晶，多晶单晶，多晶)和非晶体和非晶体 单晶体单晶体:由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。构成的固体物质。（1 1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；外观判断；（2 2）周期性是晶体结构最基本的特征）
7、周期性是晶体结构最基本的特征多晶体：多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则小区域内原子周期性排列，整体不规则非晶体：非晶体：原子排列无序原子排列无序1.21.2半导体材料硅的结构特征半导体材料硅的结构特征11晶体的特点晶体的特点1 1）均匀性）均匀性,原子周期性排列原子周期性排列.2 2）各向异性各向异性,也叫非均质性也叫非均质性.(.(各个方向上物各个方向上物理和化学性质不同理和化学性质不同)3 3）有明显确定的熔点）有明显确定的熔点4 4）有特定的对称性）有特定的对称性5 5）使）使X X射线产生衍射射线产生衍射12硅的晶体结构：金刚石结构硅的晶体结构：金刚石结构金刚石结构金刚石结构每
8、个原子周围有四个最邻每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。稳定的共价键结构。共价键夹角：共价键夹角：1092813n,平面是单晶晶圆中最常用的方向。的晶圆较常用来作金属氧化物半导体集成电路，而方向的晶圆则通常用来制造双极型晶体管和集成电路，因为方向的原子表面密度高，故该面较为坚固且比较适合高功率的元件。14晶体的缺陷n点缺陷n线缺陷（位错）n面缺陷（层错）151.5半导体硅材
9、料及硅衬底晶片的制备半导体硅材料及硅衬底晶片的制备n制备原材料制备原材料多晶硅（多晶硅（polysilicon）n多晶硅多晶硅按按纯度分度分类可以分可以分为冶金冶金级（工（工业硅）硅）、太阳能、太阳能级、电子子级。n1 1、冶金级硅（、冶金级硅（MGMG）：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还：是硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。一般含原而成。一般含Si Si 为为90-95%90-95%以上，高达以上，高达 99.8%99.8%以以上。上。n2 2、太阳级硅、太阳级硅(SG)(SG)：纯度介于冶金级硅与电子级硅之：纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，至今未有明确界定。一般认为含间，至今未有明确界定。一般
10、认为含SiSi在在 99.99%99.9999%99.99%99.9999%（4 46 6个个9 9）。）。主要用于主要用于太阳能太阳能电池芯片池芯片的生的生产制造制造n3 3、电子级硅（、电子级硅（EGEG）：一般要求含）：一般要求含Si 99.9999%Si 99.9999%以上，以上，超高纯达到超高纯达到99.9999999%99.9999999%99.999999999%99.999999999%（9 91111个个9 9）。其导电性介于）。其导电性介于 10 10-4-4 10 101010 欧厘米。欧厘米。主要用于主要用于半半导体芯片制造。体芯片制造。16n多晶硅的制备多晶硅的制备
11、n单晶硅制备单晶硅制备n单晶硅性能测试单晶硅性能测试n单晶硅加工，形成晶圆单晶硅加工，形成晶圆17多晶硅的制备方法多晶硅的制备方法n四氯化硅还原法四氯化硅还原法n三氯氢硅氢还原法三氯氢硅氢还原法n硅烷热分解法硅烷热分解法18n石英砂的主要成份是二氧化石英砂的主要成份是二氧化硅硅n从沙到冶金级硅从沙到冶金级硅(MGSmetallurgical grade(MG)silicon纯度纯度9899)nMGS 粉末放粉末放进反应炉进反应炉和和氯化氢反应氯化氢反应生三生三氯硅烷氯硅烷(TCS)n经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷经由气化和凝结过程纯化三氯硅烷n三氯硅烷和氢气反应生成三氯硅烷和氢气反应生成电子级
12、硅材料电子级硅材料(EGS)nEGS熔化和晶熔化和晶体体提拉提拉制备单晶硅制备单晶硅 直拉法直拉法 悬浮区熔法悬浮区熔法四氯化硅还原法四氯化硅还原法（从砂到硅）（从砂到硅）19四氯化硅还原法四氯化硅还原法（从砂到硅）（从砂到硅）加熱加熱(2000 C)SiO2 +C Si +CO2 砂砂 碳碳 冶金級矽冶金級矽 二氧化碳二氧化碳20制备制备TCS（三三氯硅烷氯硅烷）Si+HCl TCS 矽粉末矽粉末氯化氫氯化氫過濾器過濾器冷凝器冷凝器純化器純化器99.9999999%純純度的三氯矽烷度的三氯矽烷反應器反應器,300 C21 加熱加熱(1100 C)SiHCl3 +H2 Si +3HCl 三氯矽
13、烷三氯矽烷 氫氣氫氣 電子級矽材料電子級矽材料 氯化氫氯化氫电子级硅电子级硅材料材料22反应室反应室液態三液態三氯矽烷氯矽烷H2載送氣體載送氣體的氣泡的氣泡氫和三氯矽氫和三氯矽烷烷製程反製程反應室應室TCS+H2EGS+HCl電子級電子級矽材料矽材料23电子级硅电子级硅材料材料資料來源:http:/ 1 1）设备：）设备：石英坩埚、高频加热线圈等石英坩埚、高频加热线圈等 2 2）材料：）材料：半导体多晶材料和掺杂物、籽晶半导体多晶材料和掺杂物、籽晶 3 3）条件：）条件：（1 1）结晶温度（）结晶温度（2 2）结晶中心）结晶中心单晶硅的制备单晶硅的制备1.7 1.7 直拉法生长硅单晶直拉法生长
14、硅单晶2526直拉法直拉法:切切克洛斯基克洛斯基(CZ)法法石墨坩堝石墨坩堝單晶矽矽棒單晶矽矽棒單晶矽種晶單晶矽種晶石英坩堝石英坩堝加熱線圈加熱線圈1415 C融熔的矽2728查克洛斯基法晶查克洛斯基法晶体体提拉提拉資料來源資料來源:http:/ Method)加熱加熱線圈線圈多晶矽多晶矽棒棒單晶矽單晶矽種晶種晶加熱線圈移動加熱線圈移動融熔矽融熔矽30兩種方法的比較兩種方法的比較n查克洛斯基查克洛斯基(CZ)法是較常用的方法法是較常用的方法q價格便宜價格便宜q較大的晶圓尺寸較大的晶圓尺寸(直徑直徑300 mm)n悬浮区熔悬浮区熔法法(FZ Method)q純度較高(不用坩堝)q價格較高,晶圓尺
15、寸較小(150 mm)31n直拉法是生长元素和直拉法是生长元素和III-V族化合物半导体体族化合物半导体体单晶的主要方法。单晶的主要方法。n该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶该法是在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。晶的方向长大。32n一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的硅锭，生长的单晶硅就像是籽晶的复制品单晶硅就像是籽晶的复制品n坩锅里的硅被单晶炉加热，硅变成熔体坩锅里的硅
16、被单晶炉加热，硅变成熔体n籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。锅的旋转方向相反。n随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中体会因为表面张力而提高。随着籽晶从熔体中拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。拉出，与籽晶有同样晶向的单晶就生长出来。33工艺过程工艺过程(掌握掌握)1.1.籽晶熔接籽晶熔接:加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟籽晶下降与液面接近
17、，使籽晶预热几分钟，俗称俗称“烤晶烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击2.2.引晶和缩颈：引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时此时 要控制好温度，要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫骤叫“引晶引晶”，又称，又称“下种下种”。“缩颈缩颈”是指在引晶后略是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。其为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶
18、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。颈一般要长于错的延伸。颈一般要长于20mm20mm343.3.放肩：放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为的直径为止。这称为“放肩放肩”。在放肩时可判别晶体是否是单在放肩时可判别晶体是否是单晶晶，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征，否则要将其熔掉重新引晶。单晶体外形上的特征棱的出棱的出现现可帮助我们判别，可帮助我们判别，方向应有对称三条棱，方向应有对称三条棱，方向方向有对称的四条棱。有
19、对称的四条棱。4.4.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：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，称为径不再增大，称为收肩收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要生长。此时要严格控制温度和拉速不变。严格控制温度和拉速不变。5.5.收晶收晶：晶体生长所需长度后，晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度拉速不变，升高熔体温度或或熔体熔体温度不变，加快拉速，温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。使晶体脱离熔体液面。35一一 单晶硅的切割单晶硅的切割1 1 切断：切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规
20、目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度2 2 直径滚磨：直径滚磨：把不均匀的直径变得均匀一致把不均匀的直径变得均匀一致3 3 晶体定向定面、电导率和电阻率的检查晶体定向定面、电导率和电阻率的检查 1 1）检查是否得到所需要的晶向晶面）检查是否得到所需要的晶向晶面 2 2）检查半导体被掺杂后的电导率，以保证掺杂类型的正确。）检查半导体被掺杂后的电导率，以保证掺杂类型的正确。4 4 切片切片硅单晶的加工硅单晶的加工3637二二 硅单晶的研磨硅单晶的研磨 1 1 目的：目的：去除切片中残留的表面损伤，
21、晶圆表面完去除切片中残留的表面损伤，晶圆表面完全平整；全平整；2 2 磨片：磨片：研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。38化學機械研磨製程化學機械研磨製程研磨液研磨液研磨墊研磨墊壓力壓力晶圓夾具晶圓夾具晶圓晶圓3940 指将切割成的晶片，锐利的边缘容易脱弱产生碎指将切割成的晶片，锐利的边缘容易脱弱产生碎屑。因此要屑。因此要把税利边修整成圆弧形把税利边修整成圆弧形，防止晶片边防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，缘破裂及晶格缺陷产生，称为倒角（或者整圆）称为倒角（或者整圆）三三 硅单晶的倒角硅单晶的倒角使晶圆边缘圆滑的机械工艺使晶圆边缘圆滑的机械工艺。41四四 硅单晶片
22、的抛光硅单晶片的抛光 1 1 抛光目的：抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。晶圆表面光滑，像镜面一样亮。2 2 抛光的过程：抛光的过程：化学和机械化学和机械两种过程同时进行。两种过程同时进行。3 3 化学腐蚀液化学腐蚀液：用于腐蚀晶圆表面用于腐蚀晶圆表面4 4 机械摩擦：机械摩擦：同时去掉不平整的区域，获得最平同时去掉不平整的区域，获得最平整的晶圆表面。整的晶圆表面。42200 mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化的晶圓厚度和表面平坦度的變化76 m mm914 m mm晶圓切片之後晶圓切片之後邊緣圓滑化之後邊緣圓滑化之後76 m mm914 m mm12.5 m mm814 m mm2.5 m
23、 mm750 m mm725 m mm幾乎是零缺陷的表面幾乎是零缺陷的表面粗磨之後粗磨之後蝕刻之後蝕刻之後CMP 之後之後43 n1.1.集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐渐增大渐增大 (1)(1)微缺陷对芯片的影响增大微缺陷对芯片的影响增大 (2)(2)器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的 密度，分布特点，电活性等更加敏感密度，分布特点，电活性等更加敏感集成电路的发展对硅片的要求集成电路的发展对硅片的要求44n2.2.为了降低成本，硅圆片的直径越来越大为了降低成本，硅圆片的直径越来越大 (1)(1)硅片电参数径向均匀性问题硅片
24、电参数径向均匀性问题 (2)(2)硅片平整度问题硅片平整度问题n3.3.集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片浅集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片浅表层表层 n4.4.集成电路越来越普遍的采用低温工艺集成电路越来越普遍的采用低温工艺n5.5.金属和介质薄膜淀积的层数越来越多金属和介质薄膜淀积的层数越来越多45本章重点：本章重点：n1.半导体材料的主要特点半导体材料的主要特点n2.硅的晶体结构硅的晶体结构n3.硅单晶材料的加工制造过程硅单晶材料的加工制造过程n4.直拉法生长单晶过程直拉法生长单晶过程46此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢