集成电路工艺原理

INFO130024.02 集成电路工艺原理第二章晶体生长 1

集成电路工艺原理

仇志军

[email protected]邯郸校区物理楼 435 室


上节课主要内容

CMOS 工艺：

光刻、氧化、扩散、刻蚀等

硅技术的历史沿革和未来发展趋势：

晶体管的诞生集成电路的发明平面工艺的发明CMOS 技术的发明摩尔定律（ Moore’s law ）VLSI 、 SoC 、 SIPConstant-field 等比例缩小原则ITRS ：技术代 / 节点


大纲（ 2 ）第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战


一、衬底材料的类型

1. 元素半导体 Si 、 Ge….

2. 化合物半导体 GaAs 、 SiC 、 GaN…


二、对衬底材料的要求 • 导电类型： N 型与 P 型都易制备；• 电阻率： 0.01-105·cm ，均匀性好（纵向、横向、微区）、可

靠性高（稳定、真实）；• 寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命；开关器件—短寿命；• 晶格完整性：低位错（ <1000 个 /cm2 ）；• 纯度高：电子级硅（ EGS ） --1/109 杂质； • 晶向： Si: 双极器件 --<111> ； MOS--<100> ； • 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。


Si ：

• 含量丰富，占地壳重量 25% ；• 单晶 Si 生长工艺简单，目前直径最大 18 英吋（ 450mm ）• 氧化特性好， Si/SiO2 界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、

介质隔离、绝缘栅等介质材料；• 易于实现平面工艺技术；


Ge ：

• 漏电流大，禁带宽度窄，仅 0.66eV(Si:1.1eV) ；• 工作温度低， 75℃（ Si:150℃）；• GeO2 易水解（ SiO2 稳定）；• 本征电阻率低： 47 ·cm （ Si: 2.3x105 ·cm ）；• 成本高。


Si 的基本特性 :

• FCC 金刚石结构，晶格常数 a=5.431 Å • 间接带隙半导体，禁带宽度 Eg=1.12eV• 相对介电常数， r=11.9• 熔点： 1417oC• 原子密度： 5x1022 cm-3

• 本征载流子浓度： ni=1.45x1010 cm-3

• 本征电阻率 =2.3x105 ·cm• 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率 h=450 cm2/Vs


三、起始材料 -- 石英岩（高纯度硅砂 --SiO2 ） 1. SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅： 98% ；

2. Si(s)+3HCl(g) →SiHCl3(g)+H2 ，三氯硅烷室温下呈液态沸点为 32℃，利用分馏法去除杂质；

3. SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g) ，得到电子级硅（片状多晶硅）。

300oC


单晶制备一、直拉法（ CZ 法）

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4. 电子控制反馈系统


拉晶过程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；


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。


硅片掺杂目的：使硅片具有一定电阻率（比如： N/P 型硅片 1-100 ·cm ）

分凝现象：由于杂质在固体与液体中的溶解度不一样，所以，杂质在固 - 液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。

分凝系数 : , Cs 和 Cl 分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度

一般情况下 k0<1 。

l

s

C

Ck 0


掺杂分布

dMCdS s

MM

SCl

0

MM

dMk

S

dS

0

0

假设熔融液初始质量为M0 ，杂质掺杂浓度为 C0 （质量浓度），生长过程中晶体的质量为M ，杂质在晶体中的浓度为 Cs ，留在熔液中杂质的质量为 S ，那么熔液中杂质的浓度 Cl为：

当晶体增加 dM 的重量：

1

000

0

1

k

s M

MCkC


有效分凝系数当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面附近熔体中堆积，形成浓度梯度

按照分凝系数定义：)0(0

l

s

C

Ck

由于 Cl(0)未知，然而为了描述界面粘滞层中杂质浓度偏离对固相中的杂质浓度的影响，引入有效分凝系数 ke:

l

se C

Ck


Dve ekk

kk /

00

0

)1(

当 /D>>1 ， ke 1 ，所以为了得到均匀的掺杂分布，可以通过较高的拉晶速率和较低的旋转速率。

D: 熔液中掺杂的扩散系数


直拉法生长单晶的特点

优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低 ; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制电阻率径向均匀性

缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10- 40ppm)


二、改进直拉生长法—磁控直拉技术原理：在直拉法 (CZ 法 ) 单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。

优点：减少温度波动；减轻熔硅与坩埚作用；使扩散层厚度增大降低了缺陷密度，氧的含量，提高了电阻分布的均匀性。


三、悬浮区熔法（ float-zone ， FZ法）方法：依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶 Si 与下方长出

的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。


悬浮区熔法（ float-zone ， FZ 法）

特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较 CZ 法高；无需坩埚、石墨托，污染少； FZ 单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；

缺点 : 单晶直径不及 CZ 法


掺杂分布

dxL

SkAdxCdS e

d 0

假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为 C0 （质量浓度）， d为硅的比重， S为熔融带中杂质的含量，那么当熔融带移动 dx距离时，熔融带中杂质的浓度变化 dS为：

Lxkes

eekCC /0 )1(1


区熔提纯利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。

一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（ K=0.01 ）单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好


多次区熔提纯


衬底制备衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工


整型

两端去除

径向研磨

定位面研磨


晶面定向与晶面标识由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件： {111} 面； MOS 器件： {100} 面。 8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。

1．主参考面（主定位面，主标志面）作为器件与晶体取向关系的参考；作为机械设备自动加工定位的参考；作为硅片装架的接触位置；

2. 次参考面（次定位面，次标志面）识别晶向和导电类型


8 inch 以下硅片

8 inch 以上硅片


切片、磨片、抛光1．切片将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片损耗占 1/3 。

2.磨片目的：去除刀痕与凹凸不平；改善平整度；使硅片厚度一致；

磨料：要求：其硬度大于硅片硬度。种类： Al2O3 、 SiC 、 ZrO 、 SiO2 、 MgO 等


3.抛光

目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光


晶体缺陷缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。

理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。

几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷


点缺陷缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。


线缺陷指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。

刃型位错 : 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。


螺位错 : 将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错


面缺陷二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。

孪晶界

晶粒间界


堆垛层错是指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布。


体缺陷由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度，当掺入的数量超过晶体可接受的浓度时，杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。


本节课主要内容

硅单晶的制备： CZ 直拉法、悬浮区熔法

掺杂分布：有效分凝系数

衬底制备：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工

晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷

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