晶圓-襯底制備

第一章襯底制備

1.1襯底材料1.1.1襯底材料的類型1.元素半導體

Si、Ge、C（金剛石）2.化合物半導體

GaAs、SiGe

、SiC

、GaN、

ZnO

、HgCdTe3.絕緣體藍寶石表1周期表中用作半導體的元素

Ⅱ族 Ⅲ族 Ⅳ族 Ⅴ族 Ⅵ族 第2周期 B C N 第3周期 Al Si P S 第4周期 Zn Ga

Ge As Se 第5周期 Cd In Sn

Sb Te 第6周期 Hg Pb

元素半導體Si：①占地殼重量20%-25%；②單晶直徑最大，目前16英吋（400mm）,每3年增加

1英吋；③SiO2:掩蔽膜、鈍化膜、介質隔離、絕緣介質（多層布線）、絕緣柵、MOS電容的介質材料；④多晶硅（Poly-Si）：柵電極、雜質擴散源、互連線（比鋁布線靈活）；元素半導體Ge：①漏電流大：禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)；②工作溫度低：75℃（Si:150℃）；③GeO2:易水解（SiO2穩定）；④本征電阻率低：47Ω·cm（Si:2.3X105Ω·cm）；⑤成本高。優點：電子和空穴遷移率均高于Si最新應用研究：應變Ge技術--Ge溝道MOSFET第一章襯底制備1.1.2對襯底材料的要求1．導電類型：N型與P型都易制備；2．電阻率：10-3–108Ω·cm，且均勻性好（縱向、橫向、微區）、可靠性高（穩定、真實）；3．壽命（少數載流子）：晶體管—長壽命；開關器件—短壽命；4．晶格完整性：無位錯、低位錯（<1000個/cm2）；第一章襯底制備1.1.2對襯底材料的要求5．純度：電子級硅（EGS,electronic-grade-silicon）--1/109雜質；

6．晶向：雙極器件--<111>；MOS--<100>；

GaAs--<100>；7．直徑：8．平整度：9．主、次定位面：10.禁帶寬度、遷移率、晶格匹配等。第一章襯底制備1.1.3起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）①SiO2+SiC+C→Si(s)+SiO(g)+CO(g),

冶金級硅：98%；②Si(s)+3HCl(g)→SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態（沸點為32℃），利用分餾法去除雜質；③SiHCl3(g)+H2→Si(s)+3HCl(g)，電子級硅（片狀多晶硅）。

第一章襯底制備1.2單晶的制備

1.2.1直拉法（CZ法）1．

拉晶儀①爐子石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉裝置：順時針轉；加熱裝置：RF線圈；

柴可拉斯基拉晶儀1．拉晶儀②拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉提拉裝置：逆時針；③環境控制真空系統：氣路系統：提供惰性氣體；排氣系統：④電子控制及電源系統

2.拉晶過程例，2.5及3英吋硅單晶制備①

熔硅調節坩堝位置；注意事項：熔硅時間不易長；②

引晶（下種）籽晶預熱：目的---避免對熱場的擾動太大；位置---熔硅上方；與熔硅接觸：溫度太高---籽晶熔斷；溫度太低---籽晶不熔或不生長；

合適溫度--籽晶與熔硅可長時間接觸，既不會進一步融化，也不會生長；

2.拉晶過程③收頸

目的：抑制位錯從籽景向晶體延伸；直徑：2-3mm；長度：>20mm；拉速：3.5mm/min

④放肩溫度：降15-40℃；拉速：0.4mm/min；

2.拉晶過程⑤收肩當肩部直徑比所需直徑小3-5mm時，提高拉速：

2.5mm/min；⑥等徑生長拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在溫度場保持相對固定；⑦

收尾熔硅料為1.5kg時，停止坩堝跟蹤。

1.2單晶的制備1.2.2懸浮區熔法（float-zone

FZ法）1.2單晶的制備1.2.2懸浮區熔法特點：①可重復生長、提純單晶；②

無需坩堝、石墨托，污染少，純度較CZ法高；③

FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點：

單晶直徑不及CZ法。1.2單晶的制備1.2.3水平區熔法（布里吉曼法）

--GaAs單晶1.3襯底制備襯底制備包括：整形、晶體定向、晶面標識、晶面加工。1.3.1晶體定向晶體具有各向異性器件一般制作在低米勒指數面的晶片上，如雙極器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶體定向的方法

1．光圖像定向法（參考李乃平）

①腐蝕：要定向的晶面經研磨、腐蝕，晶面上出現許多由低指數小平面圍成、與晶面具有一定對應關系的小腐蝕坑；②光照：利用這些小腐蝕坑的宏觀對稱性，正入射平行光反映出不同的圖像，從而確定晶面。1.3.1晶體定向

2.X射線衍射法方法：勞埃法；轉動晶體法；原理：①入射角θ應滿足：nλ=2dsinθ；②晶面米勒指數h、k、l應滿足：

h2+k2+l2=4n-1（n為奇數）；

h2+k2+l2=4n（n為偶數）。1.3.2晶面標識原理：各向異性使晶片沿解理面易裂開；硅單晶的解理面：{111}

；

1.主參考面（主定位面，主標志面）①起識別劃片方向作用；②作為硅片（晶錠）機械加工定位的參考面；③作為硅片裝架的接觸位置，可減少硅片損耗；2.次參考面（次定位面，次標志面）識別晶向和導電類型

1.3.2晶面標識1.3.3

晶片加工（參考莊同曾）切片、磨片、拋光1．切片將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。切片基本決定了晶片的晶向、平行度、翹度，切片損耗占1/3。1.3.3晶片加工2.磨片目的：①

使各片厚度一致；②

使各硅片各處厚度均勻；③

改善平整度。

磨料：①

要求：其硬度大于硅片硬度。②

種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等1.3.3晶片加工3.拋光目的：進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。方法：機械拋光、化學拋光、化學機械拋光（CMP,chemical-mechanicalpolishing）①

機械拋光:與磨片工藝原理相同，磨料更細（0.1-0.5μm），MgO、SiO2、ZrO；優點：表面平整；缺點：損傷層深、速度慢。1.3.3晶片加工②化學拋光（化學腐蝕）a.酸性腐蝕典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(體積比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO↑+8H2O注意腐蝕溫度：T=30-50℃,表面平滑；

T<25℃,表面不平滑。1.3.3晶片加工b.堿性腐蝕：KO