半导体制造工艺晶体的生长(1).ppt
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1、1,半导体器件与工艺,2,一、衬底材料的类型 元素半导体 Si、Ge. 2. 化合物半导体 GaAs、SiC 、GaN,3,二、对衬底材料的要求,导电类型:N型与P型都易制备; 电阻率:0.01-105cm,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(;MOS-; 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。,4,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
2、术;,5,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。,6,Si 的基本特性: FCC 金刚石结构,晶格常数a=5.431 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,7,三、起始
3、材料-石英岩(高纯度硅砂-SiO2),SiO2+SiCSi(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金级硅:98%; 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; SiHCl3(g)+ H2Si(s)+ 3HCl(g),得到电子级硅(片状多晶硅)。,300oC,8,单晶制备,一、直拉法(CZ法),CZ 拉晶仪 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; 拉晶装置 籽晶夹持器:夹持籽晶(单晶); 旋转提拉装置:逆时针; 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 电子
4、控制反馈系统,9,拉晶过程,熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ;注意事项:熔硅时间不易长; 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;,10,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。,11,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”。,12,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
5、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。,13,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。,14,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k01。,15,掺杂分布,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
6、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:,16,17,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:,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:,18,当/D1,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,19,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
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