光电子器件工艺PPT

第2章晶体材料生长1.单晶硅的生长技术2.砷化镓晶体的生长技术3.材料外延技术（MBE,MOCVD）2.1.单晶硅的生长技术2.1.1晶圆制备晶圆制备生产流程：获取多晶→晶体生长→硅片制备→芯片制造阶段硅晶圆制备的四个阶段——A、B、C、D芯片制造的第一阶段：材料准备A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）D：晶棒到晶圆的制备ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)图4.9晶面的密勒指数用来描述硅晶体平面及其方向的参数称作密勒指数，其中（）用来表示特殊的平面，而表示对应的方向。2.1.1晶圆制备（1）获取多晶第一阶段：材料准备A：矿石到高纯气体的转变①冶炼SiO2+C→Si+CO↑得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu，要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g气体）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl3与SiCl4都是气态，SiHCl3的沸点仅为31℃精馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4B：气体到多晶的转变④还原多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低2.1.1晶圆制备（2）晶体生长第二阶段：晶体生长和晶圆制备定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直拉法、液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。①直拉法—Czochralski法（CZ法）起源1918年由Czochralski从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。方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。CZ拉晶仪1.熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；2.拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；3.环境控制系统气路供应系统流量控制器排气系统•电子控制反馈系统籽晶熔融多晶硅热屏蔽水套单晶硅石英坩锅碳加热部件单晶拉伸与转动机械CZ法图4.10CZ直拉单晶炉Photo4.1用CZ法生长的硅锭Photo4.2CZ拉单晶炉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1.熔硅将坩埚内多晶料全部熔化；注意事项：熔硅时间不易长；2.引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，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，控制温度使熔体在籽晶上结晶；拉晶过程将籽晶与熔体很好的接触。3.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20mm。4.放肩缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。5.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。6.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，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。②液体掩盖直拉法（LEC法）液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。本质上它和标准的直拉法（CZ）一样，为砷化镓做了一定改进。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。直拉法的一个缺点：坩埚中的氧进入晶体。对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，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。③区熔法区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一个籽晶固定到一端后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒接触区域。区熔法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图4.11区熔法晶体生长示意图直拉法和区熔法的比较硅棒举例（北京有色金属总院）12英寸，等径长400mm，晶体重81Kg。晶圆尺寸和参数表4.3直径(mm)厚度(m)面积(cm2)重量(grams/lbs)重量/25硅片(lbs)15067520176.7128/0.061.520072520314.1653.08/0.12330077520706.86127.64/0.287400825201256.64241.56/0.531388die200-mmwafer232die300-mmwafer更大直径硅片上芯片数的增长图4.13掺杂直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。掺杂元素的选择掺杂方式杂质分布A：掺杂元素的选择杂质类型的选择硼、磷→P-型掺杂、N型掺杂液相掺杂直接掺元素母合金掺杂气相掺杂B1：直接掺杂在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度。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。B2：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。CZ法的特点是工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径的硅单晶。缺点是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。为了在最后得到所需电阻率的晶体，掺杂材料被加到拉单晶炉的熔体中，晶体生长中最常用的掺杂杂质是生产p型硅的三价硼或者生产n型硅的五价磷。硅中的掺杂浓度范围可以用字母和上标来表示，如下表所示。浓度(Atoms/cm3)杂质材料类型1014(极轻掺杂)1014to1016(轻掺杂)1016to1019(中掺杂)1019(重掺杂)五价nn--n-nn+三价pp--p-pp+表4.2硅掺杂浓度术语2.1.1晶圆制备（3）硅片制备硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）→切片→研磨→化学机械抛光（CMP）→背处理→双面抛光→边缘倒角→抛光→检验→氧化或外延工艺→打包封装晶体生长整形切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备图4.19硅片制备的基本工艺步骤整型两端去除径向研磨定位面研磨P-type(111)P-type(100)N-type(111)N-type(100)图4.21硅片标识定位边硅片上的成品率成品率=66gooddie88totaldie=75%图4.14定位槽被刻印的标识数字图4.22硅片定位槽和激光刻印切片锯刃图4.23内园切割机磨片和倒角图4.24抛光的晶圆边缘刻蚀图4.25用于去除硅片表面损伤的化学刻蚀抛光上抛光垫下抛光垫硅片磨料图4.26双面硅片抛光质量测量物理尺寸平整度微粗糙度氧含量晶体缺陷颗粒体电阻率改进的硅片要求Year(标准尺寸)1995(0.35m)1998(0.25m)2000(0.18m)2004(0.13m)硅片直径(mm)200200300300位置平整度A(m)位置尺寸(mmxmm)0.23(22x22)0.17(26x32)0.1226x320.0826x36上表面粗糙度(RMS)C(nm)0.20.150.10.1氧含量(ppm)D242232231.5221.5体微缺陷(缺陷数/cm2)50001000500100单元面积颗粒数(#/cm2)0.170.130.0750.055外延层厚度(%均匀性)(m)3.0(5%)2.0(3%)1.4(2%)1.0(2%)正偏差负偏差真空吸盘硅片参考平面平整度平整度是硅片最主要的参数之一，主要因为抛光工艺对局部位置的平整度是非常敏感的，硅片平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是通过硅片上的表面和一个规定参考面的距离得到的。图4.27硅片变形外延层在某些情况下，需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构(单晶)的硅表面。还需要保持对杂质类型和浓度的控制。这需要通过在硅表面淀积一个外延层来实现。在硅外延过程中硅基片作为籽晶，在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。外延层可以是n型也可以是p型，并不依赖原始硅片的掺杂类型。硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能，例如，可以在优化pn结的击穿电压的同时降低集电极串连电阻；在COMS集成电路中可以将闩锁效应降到最低。在外延层上制造器件可以解决集电结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓度的相互矛盾EXXmc1Xmc2n-epin+pn+Si衬底Rc器件隔离P-SubP+P+P+N-epiN-epiN+PN+pP-SubN-epi单晶硅层外延层硅园片外延层的厚度用于高速数字电路的典型厚度是0.5到5µm；用于硅功率器件的典型厚度是50到100µm。图4.29硅外延层的结构小结制造芯片的硅是一种在原子层面上有着重复FCC金刚石晶胞结构的晶体。晶向由密勒指数确定，(100)方向是MOS器件最常用的，而(111)则是双极器件常用的。为了生产芯片的需要，通过使用CZ法将多晶硅转变成制造所需的单晶硅锭。硅锭直径这些年一直在增长，以便在一个硅片上能做更多的器件并且通过规模经济降低成本。生长中主要需要控制的晶体缺陷是点缺陷、位错和层错。硅锭需要经历研磨、刻印定位槽、切片、磨片、倒角、刻蚀、抛光、清洗、检验才能制成合乎要求的硅片。2.1.1晶圆制备（4）芯片制造阶段集成电路芯片的显微照片第2章晶体材料生长3、分子束外延（MBE）（1）概述分子束外延设备复杂、价格昂贵，真空室真空度达10-9～10-11Torr，喷射炉可以根据需要喷射出多种分子（原子），另外监测装置可以对外延层生长速率、气体成分、结构和厚度进行实时监控。因此，分子束外延具有许多优点。•分子束外延（外延物质是原子的也叫原子束外延）是近年来才被普遍采用的一种物理气相外延工艺。•在超高真空下，热分子束由喷射炉喷出，射到衬底表面，外延生长出外延层。（2）设备（3）特点外延设备上有多个喷射口，可以生长多层、杂质分布.复杂的外延层，外延层最多层数可达104层。在整个外延过程中全程监控，因此外延层质量高。分子束外延多用于外延结构复杂、外延层薄的外延层，异质外延一般也采用分子束外延。生长慢（既是优点也是缺点），通常用于过高精度或过薄的外延层。