集成电路制造工艺作者刘新彭勇蒲大雁主编第2章硅衬底的制备课件.pptxVIP

第2章 硅衬底的制备本章学习目标：1.了解半导体材料的特点，以及半导体材料的分类。2. 掌握常用的半导体材料硅和锗。3.了解常用的化合物半导体材料。4. 掌握非晶、晶体的概念，掌握多晶和单晶结构的区别。5. 掌握单晶硅的制备过程。6. 熟悉硅锭到晶圆片的制备过程。2.1 半导体材料1.半导体材料的分类 元素半导体 元素半导体大约有十几种，处于IIIA族-VIIA族的金属与非金属的交界处，如Ge(锗)，Si（硅），Se（硒），Te（碲）等。 化合物半导体 由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质的化合物称为化合物半导体材料。（1）二元化合物半导体 IIIA族和VA族元素组成的IIIA-VA族化合物半导体。IIB族和VIA族元家组成的IIB-VIA族化合物半导体。 （ 2）多元化合物半导体 IB-IIIA -(VIA)2组成的多元化合物半导体等。IB-VA-(VIA)2组成的多元化合物半导体等。(IB)2-IIB-IVA-(VIA)4组成的多元化合物半导体等。(3）非晶态半导体 原子排列短程有序、长程无序的半导体称为非晶态半导体，主要有非晶Si、非晶Ge、非晶Te、非晶Se等元素半导体及GeTe，As2Te3，Se2As3等非晶化合物半导体。2. 2 常用的半导体材料1.半导体材料硅和锗 硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆。两者相比，锗的金属性更显著。锗的室温本征电阻率约为50Ω.cm而硅的约为2.3×105Ω.cm，硅在切割时易碎裂。 锗的禁带宽度为0.66eV，硅的禁带宽度为1.12eV。锗的室温电子迁移率为3800 cm2/Vs，硅为1800 cm2/Vs。 硅和锗在常温下化学性质是稳定的，但升高温度时，很容易同氧、氯等多种物质发生化学反应，所以在自然界没有游离状态的硅和锗存在硅被选为主要的半导体材料主要原因有：（1）硅的丰裕度。硅是地球上第二丰富的元素，占地壳成分的25%。（2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限。硅的熔点是14120C，远高于锗的9370C的熔点，更高的熔点使得硅可以承受更高的工艺温度。（3）更宽的工作温度范围。硅半导体器件的工作温度比锗的工作温度范围要宽，增加了半导体的应用范围和可靠性。（4）氧化硅的自然生成。二氧化硅是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部玷污。。 2. 砷化镓砷化镓（GaAs）的晶体结构是闪锌矿型，每个原子和周围最近邻的四个其它原子发生键合。 砷化镓的化学键和能带结构与硅、锗不同，为直接带隙结构。砷化镓的禁带宽度比硅、锗都大，为1.43eV。砷化镓具有双能谷导带，在外电场下电子在能谷中跃迁，迁移率变化，电子转移后电流随电场增大而减小，产生“负阻效应”。砷化镓的介电常数和电子有效质量均小，电子迁移率高，是一种特性比较全面兼有多方面优点的材料。 2.2 硅材料的制备 1. 半导体级硅的制备 用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon），或者SGS。从天然硅中获得达到生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步（见表2-2）表2-2 制备半导体级硅（SGS）的过程三氯硅烷和氢气被注入到西门子反应器中（见图2-3）。然后再加热的超纯硅棒上进行化学反应（硅棒的温度再1100℃）图2-3 半导体级硅的西门子反应器2. 晶体结构单晶是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复状态。图2-4表示了在单晶结构中原子是怎样连接在一起的，这种称作晶格。（1）非晶材料非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。图2-4 晶体结构的原子排列 图2-5 非晶原子结构（2）多晶与单晶结构如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫多晶材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶硅结构，就叫做多晶硅。多晶结构就像一堆砖一样，每块砖代表一个晶胞，但从整体来看却是多晶结构，因为这些晶胞并没有按照一定的顺序重复排列（见图2-6）。（b）单晶硅(a)多晶硅图2-6 多晶和单晶结构3. 单晶硅的制备目前制备单晶硅的主要方法有直拉法（即CZ法）和悬浮区熔法，85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。 （1）直拉法 1918年，切克劳斯基（J.Czochralski）从熔融金属中 拉制出了金属细灯丝。受此启发， 在 20世纪 50年代初期，Teal和Little采用类似的方法从熔融硅中拉制出单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。单晶炉单晶炉可分为四个部分：炉体、机械传动系统、加热温控系统以及气体传送系统（见图2-7）。图2-7 拉单晶炉（2）直拉法生长单晶硅过程① 准备工作用氢氟酸对其进行抛光达到清洗的目的；选择籽晶时要注意避开缺