硅材料及衬底制备ppt课件.ppt
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1、第一章,电子工程系 陈曦,硅材料及衬底制备,刘玉岭 等编,微电子化学技术基础,化学工业出版社,2005 李乃平 主编,微电子器件工艺,华中理工大学出版社,1995关旭东 编著,硅集成电路工艺基础,北京大学出版社,2008张厥宗 编著,硅单晶抛光片的加工技术,化学工业出版社,2005,参考书:,本章内容,1.1 半导体硅材料简介 半导体材料的分类与基本特性半导体材料硅的结构特征集成电路对硅材料的要求1.2 大直径硅单晶材料的制备半导体硅原材料的提纯大直径硅单晶的制备方法半导体单晶材料中的缺陷及有害杂质杂质吸除1.3 衬底制备方法单晶棒的整形与定向晶片加工,1.1 半导体硅材料简介,按导电能力划分
2、,半导体材料按组分划分,半导体器件以半导体材料为基本原材料,一、半导体材料分类,导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化,根据这一性质,通过控制掺杂的水平来获得所需的半导体材料导电能力。,导电能力随光照、外加电场、磁场的作用而发生显著变化。,1.半导体材料的导电能力,导电能力随温度上升而迅速增加,300K下在纯净硅中掺入微量的杂质磷原子,使硅的纯度为99.9999,其电阻率由21400cm变为0.2cm。,二.半导体材料的基本特性,半导体含有两种载流子:电子(带负电)和空穴(带正电),2.导电类型(P型和N型半导体),本征半导体(纯净硅):载流子的浓度在室温下为,当硅中掺入族元素(P、As)时,
3、硅中多数载流子为电子 N型半导体。掺杂浓度用CD(ND)表示。,当硅中掺入族元素(B、Al)时,硅中多数载流子为空穴 P型半导体。掺杂浓度用CA(NA)表示。,Tni(T),当硅中掺入两种杂质(B、P)时,补偿半导体。如CDCA,则补偿后为N型;CACD,则补偿后为P型;CD=CA补偿型本征半导体。,三、半导体硅材料的结构特征,硅单晶面心立方晶格套构,硅六棱柱晶胞三维结构,双层原子面,相邻的双层原子面,硅晶体结构主要晶面上原子排列的特点,导电类型:N型或P型,np电阻率:大小、径向、轴向及微区均匀性和真实性要高寿命:均匀性和真实性要高晶体的完美性:无晶格缺陷和有害杂质沉积,晶向标识:标识出反映
4、衬底材料晶向的主、次定位面,晶向:双极型器件要求用晶向的单晶 MOS器件要求用晶向的单晶,1.基本要求:,四、半导体器件对硅单晶材料的要求,2.集成电路技术的发展与硅材料的关系,集成电路的特征尺寸逐渐缩小,芯片面积逐渐增大,降低生产成本,提高硅晶圆片的直径,集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片的浅表层,现代集成电路应采取尽可能低的加工温度来完成管芯的制造,也可采用吸除技术,为满足高性能和高集成度,采用多层薄膜结构,对单晶材料的检测分析方法和测试工具提出高要求,一、半导体硅的原材料,1.2 大直径硅单晶材料的制备,1.原材料提纯,原料(石英石-SiO2),粗硅,四氯化硅,高纯四氯化硅,高纯多晶硅,
5、高温碳还原SiO2+2C=Si+2CO(16001800),高温氯化Si+2Cl2=SiCl4(500700氯化)冷凝后为液态,精馏提纯多级物化精馏,高温氢还原SiCl4+2H2=Si+4HCl(10001200),多晶硅的性质:1.化学性质与单晶硅大致相同,与硅有相似的腐蚀方法;2.可进行掺杂,形成P型或N型多晶硅(MOS的栅极)。,2.多晶硅的结构特点与性质,单晶:指在整个晶体内原子都是周期性的规则排列。多晶:指在晶体内每个局部区域里原子是周期性的规则排列,可以看成是由许多取向不同的小单晶体(晶粒)组成的。在晶粒之间存在一个很薄的过渡层(晶粒间界),在该层内必须实现晶向转变。,多晶体结构的
6、示意图,直拉法CZ(Czochralski),区熔法FZ(Float-Zone),中子嬗变掺杂法,二、硅单晶制备方法,直拉硅单晶炉结构示意图,1.直拉法,单晶生长过程,准备工作1.处理好多晶硅,放入炉内坩埚中;2.抽真空或通入氩气进行熔硅处理;3.待熔硅稳定后,即可拉制单晶。,拉晶过程(示意图),3.随着单晶的生长,坩埚必须自动跟随液面下降而上升,保持液面在温度场中的位置不变,以获得均匀的电阻率;同时拉晶速度自动调节以保持等径生长。,直拉法生长单晶过程示意图,多晶硅,1.籽晶轴以一定的速度旋转;同时坩埚反方向旋转。,2.细颈为了抑制位错向下延伸;通过增加提拉速度来实现。,基本原理,将多晶硅在真
7、空或惰性气体保护下加热,使多晶硅熔化,然后利用籽晶来拉制单晶硅。单晶生长过程实际上是硅由液相固相的转化过程。该转化过程实现的条件:液相-固相界面附近存在温度梯度(dT/dz)。,1.在转化的过程中,界面附近区域(过渡层)中存在着由界面结晶硅的热流密度和由熔硅界面的热流密度;两者之差为界面区单位时间内释放的潜能;,说明:,2.随着晶体生长,部分熔硅转化为晶体,使液面不断下降。,3.为了形成n型或p型衬底材料,拉晶过程中可加入掺杂剂。,请记录,界面区域的热传输一维连续性方程:,固-液界面温度分布,单晶生长的速度g(dz/dt),假设在界面附近区域(过渡区),由界面结晶硅的热流密度为,由熔硅界面的热
8、流密度为,则两者之差为界面区单位时间内释放的潜能E(即E=J1-J2);,硅单晶生长的最大速度g=,假设硅的固、液转化体积不变,令:坩埚的半径为R;单晶的半径为r;则根据VL=VS可得:,液面下降的最大速度l:,即界面附近液相一侧无温度梯度时,则单位面积硅结晶的速度(即硅单晶生长速度g)最大。,液面下降的速度l:,固溶度 在一定温度下,杂质能溶入固体硅中的最大浓度。平衡浓度 平衡时杂质在固体或液体中的浓度。平衡分凝系数 0 平衡时杂质在相接触的两相物质(或两种物质)中的平衡浓度之比。0为一常数,随系统而变化。如:在硅(S)硅(L)系统中,磷0=0.35;硼0=0.8;在硅二氧化硅系统中,磷m=
9、10;硼m=0.3;有效分凝系数 e 平衡时杂质在固体界面处的平衡浓度与液体中过渡区外的杂质浓度(非平衡浓度)之比。e表示杂质浓度之比偏离平衡分凝系数0的程度。,杂质分布,请记录,杂质在熔硅中的非平衡浓度,(1)过渡区的杂质分布,过渡区杂质的连续性方程:,在拉晶过程中,由于分凝效应,杂质在界面附近的过渡区中存在一定的分布,表示单位时间内过渡区杂质数的变化等于从熔硅扩散到过渡区的杂质数与从过渡区结晶成固体硅的杂质数总合。,边界条件:z=0,C(0)=Cl;Q=0;即可求得过渡区的杂质分布为:,稳态时:,过渡区,固相(单晶),液相(熔硅),固-液界面,图2 固-液界面杂质分布,Cl,l,平衡时杂质
10、通量总和为零,C(l)=Cl,(2)单晶硅中的杂质分布CSO,当杂质浓度偏离平衡浓度时,界面就有杂质流过(Q0),形成非平衡条件下的界面杂质流。因此,可用有效分凝系数e来表示单晶硅中沿生长轴方向杂质(质量比)浓度;,可见,e 主要受结晶速度l(dT/dz)、杂质在熔硅中的扩散系数Dl(T)的影响。,Wl为初始熔硅的质量,WS为结晶硅的质量;Cl0为熔硅的初始杂质质量比浓度.,单晶硅电阻率是CSO的函数,而CSO 随e(T,dT/dz)变化。所以,保证拉晶过程中的T、dT/dz的稳定性对单晶电阻率的均匀性很重要。,拉制大直径单晶硅的注意事项,1.晶体旋转方向的选择:在拉制单晶时,熔硅中存在着由d
11、T/dz和转动引起的热对流,会使液面出现波纹和起伏,从而造成界面杂质过渡区的不平衡和不稳定,导致单晶径向电阻率不均匀。为了保证热对流的稳定性,一般采用晶体旋转方向与坩埚旋转方向相反来抑制。,2.晶体旋转速度的选择 由于熔硅中的C与石英(SiO2)坩埚反应生成SiO和CO,两者的挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定,引起液面波动。采用旋转晶体形成的强迫对流会减少CO挥发,导致硅单晶中含O量过高。因此,单晶的旋转速度要优化选择。,3.籽晶承载应力 大直径单晶的重力较大,而拉制时籽晶的颈部(d=3mm)截面积较小。因此,要求单晶(直径D=200mm)的长度应小于2m。,直拉单晶的发展现状,现
12、有工艺水平,目前国外采用直拉法可生产、研制618的硅单晶(150450mm),直拉单晶的特点,C、O含量较高,高达1018cm-3 原因:熔硅中的C与石英SiO2发生反应生成CO,受热对流影响不易挥发。直拉法适宜拉制直径大、电阻低的硅单晶;主要用于VLSI 器件的制作;存在轴向、径向电阻率的不均匀性。,措施:磁场直拉法(MCZ)和连续加料直拉法,悬浮区熔法:多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直固定在区溶炉上、下轴之间。水平区熔法:多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平固定在区溶炉左、右轴之间。,制备方法分类,基本原理,将籽晶与多晶硅棒紧粘在一起,利用分段熔融多晶棒,在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中,使多晶
13、硅转变成单晶硅。,2.区熔法,制备过程,将预先处好的多晶硅棒和籽晶粘在一起,竖直固定在区熔炉的上、下轴之间,以高频感应线圈等方法加热。利用电磁场浮力和熔硅表面的张力与重力的平衡作用,使所产生的熔区能稳定地悬浮在硅棒之间;在真空或氩气、氢气等气氛下,按照特定的工艺条件,使溶区在硅棒上从头至尾定向移动,如此反复多次,使多晶硅棒沿籽晶长成单晶硅。,悬浮区熔法,区熔单晶的发展现状,目前采用区熔法 可生产、研制8 的硅单晶(200mm)主流为46 的硅单晶(100150mm),C、O含量低(原因:不使用石英坩埚)。在VFZ(真空下)C、O含量为10141016cm-3;在MFZ(氩气气氛中)为51015
14、21016cm-3;直径较小,区熔法适宜拉制高阻、小直径单晶;主要用于功率器件的制作。在等径、微区电阻率均匀性方面的特性还不够理想;存在轴向、径向电阻率的不均匀性。,区熔单晶的特点(与直拉单晶相比),措施:中子嬗变(掺杂)法,3.中子嬗变(掺杂)法,中子嬗变法:利用热中子(即低能中子)对高阻单晶进行辐照,从而使其电阻率发生改变的方法。,用途 主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性进行调整。,基本原理,利用硅中存在的三种均匀分布的稳定的28Si,29Si,30Si同位素(含量分别为92.21%,4.7%,3.0%)在热中子辐照下发生嬗变反应,生成31Si蜕变后形成稳定的31P,从而使硅单晶中的磷含
15、量增加,形成掺杂。,特点:,掺杂浓度的控制精度高,可达5%。因为中子辐照不会引起其它杂质,掺杂浓度可由中子通量密度和辐照时间控制(即CP=210-4 t)。中子辐照会产生大量晶格缺陷,因此中子嬗变掺杂后必须进行退火处理,以消除辐照损伤。退火条件:750800,13h。,嬗变反应:,28Si(n,)29Si29Si(n,)30Si30Si(n,)31Si,31P+-(半衰期2.62h),32S+-(半衰期343.2h),中子,光子,掺杂剂,三种单晶制备方法的比较,请记录,高压器件采用区熔中照(NTD)单晶,内容回顾,硅单晶的制备方法直拉法区熔法,将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热,使多晶硅熔化,
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