单晶硅经典案例.ppt

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1、1,微 电 子 工 艺,哈尔滨工业大学 田丽 86413442,2,绪论,引言 微电子工艺发展状况 微电子工艺特点与用途 本课程内容,3,早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。 1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业电子业的诞生。,1 引言,4,基本器件的两个发展阶段,分立元件阶段（19051959） 真空电子管、半导体晶体管 集成电路阶段（1959） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI,集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。,5,什么是

2、微电子工艺,微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。 不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺。 不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。,6,微电子工业生产过程图,7,npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程 -硅外延平面工艺举例,8,2 微电子工艺发展历程,诞生:1947年12月在美国的贝尔实验室，发明了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作pn结。,10,1958年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是硅平面工艺。,诞生,11,Jack Kilbys First I

3、ntegrated Circuit,Photo courtesy of Texas Instruments, Inc.,1959年2月，德克萨斯仪器公司（TI）工程师J.kilby申请第一个集成电路发明专利； 利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管、电阻和电容，并将其集成在一起的创举。 台式法-所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。,12,仙童（Fairchild）半导体公司,1959年7月，诺依斯提出：可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最好途径。 1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯

4、被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。 1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。,13,60年代的出现了外延技术，如：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般双极电路或晶体管制作在外延层上。 70年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。IC的集成度提高得以实现。 新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）,发展,14,张忠谋：台湾半导体教父,全球第一个集成电路标准加工厂（Foundry）是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为“晶体芯片加工之父”。,张忠谋,15,戈登-摩尔提出摩尔定律,英

5、特尔公司的联合创始人之一-戈登-摩尔 早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。 “摩尔定律”： 集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。,16,DROM集成度与工艺的进展,摩尔定律：每隔3年IC集成度提高4倍,17,2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，它采用英特尔0.13m制程技术生产，含有5500万个晶体管。 2002年8月13日：英特尔透露了90nm制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。 2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，采用英特尔0

6、.13m制程技术生产，包含7700万个晶体管。 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管-90nm制程技术生产。 2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，含有17.2亿个晶体管-90nm制程技术生产。 2006年7月27日：英特尔酷睿2双核处理器,含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65nm制程技术。 2007年1月8日：65nm制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日：英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的

7、45nm晶体管或微小开关中用来构建,18,电子产品发展趋势：更小，更快，更冷 现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。当前，光刻工艺线宽已达0.045微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为0.035微米，即35纳米。 另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。 微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。,未来,19,近10年来 ，“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（fabless）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为IDM（Integrated Device Manufacturer） 。 5年前英特尔做45纳米时

8、，台积电还停留在90纳米，中间隔了一个65纳米。但到45纳米，台积电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路线是45、32、22纳米，台积电的路线则是40、28、20纳米。,20,3 微电子工艺特点及用途,超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。 超纯 指所用材料方面，如衬底材料、功能性电子材料、水、气等； Si、Ge单晶纯度达11个9。 高技术含量 设备先进，技术先进。 高精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。 大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。,21,超净环境

9、,22,23,21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向 特征尺寸继续等比例缩小 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)- SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等-其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。,微电子技术的三个发展方向,24,工艺课程学习主要应用,制作微电子器件和集成电路 微机电系统 (microelectromechanicol System MEMS)的所依托的微加工技术 纳米技术，如光刻图形复制转移工艺，M

10、BE等,25,4 本课程内容,重点介绍单项工艺和其依托的科学原理。 简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。,26,课程 内容 框架图,27,教材与参考书,王蔚 微电子制造技术-原理与工艺 科学出版社 2010 关旭东 硅集成电路工艺基础北京大学出版 2003 清华大学集成电路工艺多媒体教学课件 2001 Stephen A. C.微电子制造科学原理与工程技术电子工业出版社，2003,28,考试与课程评定,期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩的60%； 平时成绩占40%， 出勤10%，小测验10%，作业20%。,29,第一章 硅的晶体结构,30,

11、第1章 单晶硅结构、制备方法,1.1 硅晶体结构的特点 1.2 硅晶体缺陷 1.3 硅中杂质 1.4 杂质在硅晶体中的溶解度 1.5 硅单晶的制备,31,1.1 硅晶体结构的特点,硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。,32,硅、锗、砷化镓电学特性比较,33,锗应用的最早，一些分立器件采用； GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件 从电学特性看硅并无多少优势,硅在其它方面有许多优势,34,35,硅作为电子材料的优点,原料充分；

12、硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要； 重量轻，密度只有2.33g/cm3； 热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/ ，热导率高，1.50W/cm； 单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好； 机械性能良好。,36,硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞,37,1.2 硅晶向、晶面和堆积模型,38,硅晶面,晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2 h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为100 100晶向和(100)面是垂直的。,立方晶系的几种主要晶面,39,硅晶面,硅常用晶面上原子分布,Si面密度:

13、(100) 2/a2,(110) 2.83/a2,(111) 2.3/a2,40,ABAB 六角密积 （镁型）,ABCABC 立方密积 （铜型）,堆积模型图,41,六角密积,42,立方密积：第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层的 2，4，6 位，不同于 AB 两层的位置，这是 C 层。,43,面心立方晶格,在111晶向是立方密积， (111)面是密排面,44,硅晶体为双层立方密积结构,硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AABBCC 双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为111晶面的趋势。 两层双层密排面之间：原子距离最

14、远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着111晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。,45,解理面,（111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。 （100）面与（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的； （111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈60角。 硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。,46,1.2 硅晶体缺陷,在高度完美的单晶硅片中，实际也存在缺陷。有： 零维-点缺陷、 一维-线缺陷

15、、 二、三维-面缺陷和体缺陷 晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。,47,点缺陷,本征 空位 A，A+、A - 、A 2- 自间（填）隙原子B 弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷 杂质 替位杂质C 填隙杂质D,http:/ 杂质中，填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；而替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入A、A族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。,49,线缺陷,线缺陷最常见的就是位错。位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位

16、置发生了错乱。 位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界处形成位错。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。,50,刃位错和螺位错,位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂直称刃位错；位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。 硅晶体的双层密排面间原于价键密度最小，结合最弱，滑移常沿111面发生，位错线也就常在111晶面之间。该面称为滑移面。,51,刃形位错的运动,攀移,滑移,原位,52,面缺陷和体缺陷,面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。 体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一种体缺陷。,53,缺陷的产生及结团,缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中

17、能够诱导缺陷的应力主要有三种： 存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错； 晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷； 硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。 结团作用 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量,54,缺陷的去除,缺陷在器件的有源区（晶体管所在位置）影应响其性能，必须设法使之减少。 单晶生长时的工艺控制； 非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂； 本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。,55,1.3 硅中杂质,半导

18、体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有故意掺入的和无意掺入的。 故意掺入Si中的杂质有A、VA族,金。故意杂质具有电活性，能改变硅晶体的电学特性。 无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。,56,Si中杂质类型,间隙式杂质 主要是A和A族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。 替位式杂质 主要是A和A族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。 间隙替位式杂质 大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种

19、位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。,57,1.3.1杂质对Si电学特性的影响,A、VA族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质 金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质,58,硅晶体中杂质能级和电离能,59,硅单晶电阻率与掺杂浓度关系曲线,硅的电阻率-掺杂浓度曲线,不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿。 硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是N型硅。 不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能发送到导带。,60,1.3.2 杂质在硅晶体中的溶解度,一种元素

20、B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体。 一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度。,61,固溶体,固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体和间隙式固溶体。 Si中A、VA族杂质形成替位式有限固溶体。 替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件： 原子半径相差小于15，称“有利几何因素” r：Si 1.17, B 0.89, P 1.10 ； 原子外部电了壳层结构相似； 晶体结构的相似。,62,硅晶体中杂质的固溶度,掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的硅片加热，再快速冷却，杂

21、质浓度可超出其固溶度的10倍以上。,63,相图知识,相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法。 相定义为物质存在的一种状态，这一状态是由一组均匀的性质来表征的。 当混合物体系中的各相均处于热力学平衡状态，一般包括一个以上固相的这种状态图就是相图。 相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图。,64,相图用途,由材料的成分和温度预知平衡相； 材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律； 估算平衡相的数量。 预测材料的组织和性能,65,相图的构成：由两条曲线将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L

22、表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用表示；两条曲线之间是双相区，标记L+表示。,二元匀晶相图,66,相图与冷却曲线的关系：,成分一定，在冷却过程中，不同的相热容量不相同，如果系统散热能力一样，温度随时间的变化(冷却)曲线上的斜率将不同，曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时的温度，利用这一特点，由实测的冷却曲线可以作出相图。,67,两相平衡时的数量分配规律杠杆定律,如图，合金x在温度T1将由两相长期并存，这时两相的成分和数量保持不变。过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点，经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分，,设mL和m分别为两相的数

23、量，由物质不灭可推导出：,一般用占总体数量的百分比的相对值来表示。如果把线段axc当成一杠杆，则他们满足杠杆力的平衡原理，所以称之为杠杆定律。,用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便。适用所有两相平衡。,68,连续性固溶体：锗-硅相图,69,铝-硅体系相图,纯铝的凝固点（熔点）是660，纯硅的凝固点是1412，在硅熔体中掺入铝，或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点最小值为577，这一点称为共晶点，这一点的组分称为共晶组成，共晶点硅原子占原子总数的11.3%。,L,70,砷-硅体系相图,两种中间化合物：SiAs和SiAs2。有三个体系，Si-SiAs，SiAs-SiAs2，S

24、iAs2-As。 有一重量比为86%As熔融体从高温开始冷却。在温度达1020时，固体SiAs从熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降至944，这时液相组成为90%As+10%Si。温度继续下降时，固体的SiAs与一些剩余的熔体结合形成液体+SiAs2相，SiAs被包在SiAs2中。当温度降至786，SiAs2和相都从液相析出。该体系称包晶体系。,71,本章小结,晶体结构，作为芯片衬底的主要晶向、晶面的特点； 晶体缺陷类型、产生原因，以及对工艺有重要影响的点缺陷的特点； 晶体中杂质类型，对硅电阻率的影响，以及固溶度。,72,2.1 多晶硅的制备 2.2 单晶硅生长 2.3 硅片制造,第二章

25、 硅（单晶）片制备,73,2.1 多晶硅的制备,制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学的、物理的提纯工艺就制出半导体纯度的多晶硅。电子级多晶硅纯度可达11N。,74,半导体纯度多晶硅制备流程,冶炼 SiO2+2C Si+ 2CO 主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu 要进一步提纯。 酸洗 hydrochlorination 化学提纯 Si + 3HCl SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4 硅不溶于酸，所以粗硅初步提纯是用HCl、 H2SO4、王水、等混酸泡洗至i含量99.7%以上。 蒸馏提纯 distill

26、ation 利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯物理提纯 先将酸洗过的硅氧化为SiHCl3或 SiCl4，常温下SiHCl3 沸点31.5，与SiCl4 沸点57.6都是液态，蒸馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4。 分解 discomposition SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 氢气易于净化，且在Si中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。,75,76,多晶硅结构模型和性质,多晶硅呈各向同性 多晶硅是由无数微小晶粒以不同取向无规则的堆积而成，晶粒内部原子排列有

27、序，晶粒的大小和取向与制备方法、工艺条件有关，晶粒各向异性，在晶粒与晶粒之间是晶界，晶界处原子排列无序，多晶硅的晶粒各个取向都有 多晶硅内杂质在晶粒与晶界之间有分凝效应 晶粒内杂质浓度低，而晶界处杂质浓度高；晶界处形成大量晶体缺陷，由此产生陷阱效应，易俘获载流子。 多晶硅与单晶硅比较具有：电阻率大，且电阻的温度系数可通过掺杂浓度选正、负、零；杂质在其内部扩散速率快；少子寿命低，约比单晶硅低三个数量级。,77,2.2 单晶硅生长,采用熔体生长法制备单晶硅棒 多晶硅熔体硅单晶硅棒 按制备时有无使用坩埚又分为两类 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。,78,直拉法-Czochra

28、lski法(CZ法)原理,物质的本质：原子以哪种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强，排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量-这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前。粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。,固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。决定因

29、素有三方面:,79,结晶的热力学条件,热力学定律指出，在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能（即能够对外做功的那部分能量）降低的方向进行。 晶体生长过程亦即相变过程。熔体硅晶体硅，是相界面推移过程。,（1）G-T曲线 a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。 dG/dT=-S b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。 d2G/d2T=-Cp/T c 液相曲线斜率大于固相： 由一次导数大小确定。 二曲线相交于一点，即材料的熔点。,80,结晶的热力学条件,因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T= Tm时，液相和固相的自由能相等，处

30、于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。 当T Tm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。 结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。,81,由结晶热力学，在单一的组元情况下，在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为： 为密度，为界面能（界面张力），A为表面积 G0，是自发过程，Tm 为熔点， 定义：表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度，T=T- Tm。过冷度越大自发过程越

31、易发生-过冷是结晶的必要条件之一,82,单晶的制备,根据凝固理论，要想得到单晶体，在凝固的过程中只有晶体长大而不能有新的晶核形成，采取的措施就是：,熔体的纯度非常高，防止非均匀形核； 液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生长但不足以发生自发形核； 引入一个晶体(晶种)，仅让这个晶体在此环境中长大。,83,结晶动力学,研究结晶物质的结晶形成方式和过程以及结晶速率对时间、温度和分子结构等影响因素的依赖关系。 固液界面处，熔体硅必须释放热能（结晶潜能L），并在界面处产生一大的温度梯度（约100/cm)。在一维分析中，令界面处单位体积内的能流平衡,-液态和固态硅在熔融温度下的热导率,- 质量

32、传递速度,式中,84,提拉速度问题,在直拉工艺条件下，两个热扩散项都为正值，且第一项第二项，所以晶锭提升有一个最大提拉速度 假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生（第一项为0），熔体部分没有温度梯度，则,85,直拉法-Czochralski法(CZ法),在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。,86,单晶炉,四部分组成： 炉体部分，有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分； 加热控温系统，有光学高温计、加热器、隔热装置等； 真空部分，有机械泵、扩散泵、测

33、真空计等。 控制部分，电控系统等,西安矽美单晶硅公司单晶生产照片,87,CZ法工艺流程,准备 腐蚀清洗多晶-籽晶准备-装炉-真空操作 开炉 升温-水冷-通气 生长 引晶-缩晶-放肩-等径生长-收尾 停炉 降温-停气-停止抽真空-开炉,缩颈作用示意图,88,引晶 是将籽晶与熔体很好的接触。 缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm。 放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸。 等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。拉升速度、转速，以及温度决定晶体直径大小，缩晶与放肩处的直径也是由拉升速度、转速，以及温度控制。 收尾 结束单晶生长。,生长,89,籽晶是必不可少的，因为当

34、熔体温度低于熔点时，在熔体中将出现晶体微粒，即晶核，晶核在母相内各处出现的几率相同。为了克服相当大的表面能垒（界面势垒） -表面张力，需要相当大的过冷度才能形成晶核。 理想工艺是在晶体生长时只产生一个晶核，整个晶棒是完整的单晶，所以籽晶的加入就是做晶核，力图生长出完整的单晶。,籽晶的作用,90,提拉速度，晶体的质量对提拉速度很敏感，在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。 温度场的分布应适当，实际上坩埚内熔体温度呈一定分布。 籽晶的质量，晶格完好，表面无划痕、无氧化物。 缩颈，目的是终止籽晶位错和缺陷，

35、可多次缩颈。,晶锭（棒）质量控制,91,晶体生长的相关理论,分凝 合金掺杂 熔融液的对流搅拌,92,晶体掺杂-分凝（segregation）,可直接在坩埚内加入杂质元素制造特定电阻率圆片。 对于固相-液相的界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在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。 杂质分凝作用的大小描述-分凝系数k，定义为杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比 k=Cs/Cl 蒸发常数E N=EACl 杂质浓度分布与k、E有关。,N:气相杂质浓度 A:液相面积,93,硅中常见杂质的分凝系数和蒸发常数,分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法 蒸发常数太大

36、的杂质不能用液相掺杂方法,94,分凝对杂质分布均匀性影响,在CZ法长晶中，若液体凝固速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散现象不明显，则晶棒内轴向杂质分布浓度,95,例题,从含有0.01%磷的熔料中拉制硅棒，求：晶棒顶端磷浓度；如果晶棒长1m，截面均匀，在何处磷浓度是晶棒顶端处的2倍（kP=0.35）（答:约0.67） 晶棒顶端杂质浓度为C0，x处杂质浓度为Cx=2C0,96,CZ法缺陷,直拉法生长单晶硅多是采用液相法掺杂，液相法掺杂受杂质分凝、杂质蒸发，以及坩埚污染影响大，因此，直拉法生长的单晶硅掺杂浓度的均匀性较差。 纵向 考虑杂质分凝 横向 温度场 坩埚影响，即

37、氧的引入 SiO2Si+O2,97,晶体掺杂,轻掺杂（ n-Si、p-Si），杂质浓度在10141016/cm3之间，多用于大功率整流器件； 中等掺杂（nSi、pSi ），杂质浓度在10161018/cm3之间，主要用于晶体管器件； 重掺杂（n+Si p+Si），杂质浓度在10181020 /cm3之间，是外延用的单晶衬底。,98,液相掺杂 直接掺元素 母合金掺杂 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂-中子嬗变掺杂技术,掺杂方式,99,母合金掺杂,将杂质元素先制成硅的合金（如硅锑合金，硅硼合金），再按所需的计量掺入合金。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。 采用母合金掺杂方式的原因是：掺入杂质剂量很小

38、，如电阻率为1cm的n-Si，杂质为砷时，由电阻率-掺杂浓度曲线，砷杂质浓度6*1015/cm3,硅单位体积原子数5*1022/cm3，5千克硅，只需掺入1毫克砷，计量很小，误差难免，如果采用砷硅合金的话，就能增加掺入计量，从而减小误差。,100,气相掺杂区熔硅单晶,利用杂质的扩散机理，在用区熔法拉制硅单晶的过程中加入气相杂质氛围，并通过控制杂质气体的杂质含量和气体流量的方法控制单晶的电阻率。 在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量的含掺杂元素的杂质气体。在杂质气氛下，蒸发常数小的杂质部分溶入熔体硅中，掺入单晶体内。无坩埚生长单晶法，一般采用气相掺杂方法。,101,NTD法是一种内掺杂方法，所用

39、原始硅单晶是不掺杂的本征单晶，将它放在原子反应堆中进行中子辐照，使硅中的天然同位素30Si俘获中子后产生不稳定的31Si,经过半衰期(2.62h)的衰变生产不稳定的31P，从而实现对硅单晶的磷(n型)掺杂 硅有三种同位素：28Si 92.28% , 29Si 4.67% ,30Si 3.05%，其中30Si有中子嬗变现象： 30Si 31Si+ 31Si 31P+,中子辐照（NTD）掺杂 Neutral Transmutation Doping Silicon Monocrystal,102,中子辐照（NTD）掺杂 Neutral Transmutation Doping Silicon Mo

40、nocrystal,可得到高均匀性的NTD硅单晶。 最大掺杂浓度，1.53*1021/cm3 为了消除硅单晶在反应堆中受到中子辐照而产生的快中子轰击位错、通量感生位错等辐照损伤缺陷，提高中照单晶的少子寿命，需要将NTDSi在HCl、O2、和Ar气氛中进行高温(800950)热处理。,103,CZ法熔料中环流形成,熔体表面中心处温度最低，坩埚壁面和底部温度最高。熔体的温度梯度带来密度梯度，坩埚壁面和底部熔体密度最低，表面中心处熔体密度最高。地球重力场的存在使得坩埚上部密度高的熔体向下，而底部、壁面密度低的熔体向上流动，形成自然对流。 熔体流动的危害： 1）引起生长条纹的产生，有损晶体均匀性； 2

41、）对流使坩埚中的氧进到熔体表面，使晶体中氧量增加。,104,磁控直拉法（MCZ法）,在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶硅。 在CZ法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。 洛仑兹力 F=qB,MCZ单晶炉 西安理工大学工厂承担的国家863计划项目，07年6月15日通过了中国科技部的验收,105,水平磁场与坩埚内熔体各部位的相互作用,106,MCZ法拉制Si棒照片,北京有色金属总院采用MCZ法生产的12吋硅棒，等经长400mm，晶体重81Kg。,107,悬浮区熔法（F

42、Z法）,悬浮区熔法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。,悬浮区熔装置示意图,108,不同生长技术可获得的最小载流子浓度,三种方法比较,直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅棒是目前采用最多的硅棒生产方法，但有氧。 磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅棒。设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。 悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000c

43、m以上,109,1.6.3 硅片制造,切片工艺流程： 单晶生长 切断 滚磨 定晶向 切片 倒角 研磨 腐蚀 抛光 清洗 包装,110,定晶向,硅片主要晶向、晶型的定位平边 用X射线衍射确定晶向，X射线被晶体衍射时，通过测量衍射线的方位可以确定出晶体取向,111,切片，倒角，抛光,切片，（111）（100）切片偏差小于1，但外延用（111）片应偏出30.5。 倒角，将切割好的晶片的锐利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生 抛光，单晶硅片表面需要改善微缺陷，从而获得高平坦度的抛光面。抛光的设备：多片式抛光机，单片式抛光机。 抛光的方式：先粗抛，去除损伤层，一般去除量约在10-20m；再精

44、抛，改善晶片表面的微粗糙程度，一般去除量1m以下。,112,硅片规格及用途,按直径划分 按单晶生长方法划分 CZ硅：二极管、外延衬底、太阳能电池、集成电路 MCZ硅：用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅 FZ硅：高压大功率器件，可控整流器件 外延硅：晶体管，集成电路领域，如逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在集成电路制造中有更好的适用性 按掺杂情况划分 按用途划分,113,二极管级单晶硅片 技术参数（隆基硅产业集团产品规格）,114,举例：,CZ法制备=1cm的 n-Si单晶50kg，掺As多少？ 由-n曲线，nAs=5*1015/cm3，nSi=5*1022/cm3，密度As=5.73g/cm3， Si=2.33g/cm3 ，只需掺入的As：,115,第一单元 内容总结,硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞 基本参数 111晶面解理性 硅晶体缺陷 结团作用；缺陷的去除 硅中杂质；固溶体；固溶度 相图 硅单晶片制备 多晶硅制备；直拉法原理；提拉速度；分凝； CZ法熔料中环流形成； 硅片制备流程；主要晶向、晶型的定位方式,