西电集成电路制造技术第一章 衬底制备

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1、第一章衬底制备主讲：毛维mwxidian@126.com西安电子科技大学微电子学院第一章衬底制备1.1衬底材料1.1.1衬底材料的类型1.元素半导体Si、Ge、C（金刚石）2.化合物半导体GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTe3.绝缘体蓝宝石表1周期表中用作半导体的元素Ⅱ族Ⅲ族Ⅳ族Ⅴ族Ⅵ族第2周期BCN第3周期AlSiPS第4周期ZnGaGeAsSe第5周期CdInSnSbTe第6周期HgPb元素半导体Si：①占地壳重量20%-25%；②单晶直径最大，目前16英吋（400mm）,每3年增加1英寸；③S

2、iO2作用:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料；④多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散源、互连线（比铝布线灵活）；元素半导体Ge：①漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.12eV)；②工作温度低：75℃（Si:150℃）；③GeO2:易水解（SiO2稳定）；④本征电阻率低：47Ω·cm（Si:2.3×105Ω·cm）；⑤成本高。优点：电子和空穴迁移率均高于Si最新应用研究：应变Ge技术--Ge沟道MOSFET第一章衬底制备1.1.2对衬底材料的要求1.导电类型：

3、N型与P型都易制备；2.电阻率：10-3–108Ω·cm，且均匀性好（纵向、横向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；3.寿命（少数载流子）：晶体管—长寿命；开关器件—短寿命；4.晶格完整性：无位错、低位错（<1000个/cm2）；第一章衬底制备1.2单晶的制备1.2.1直拉法（CZ法）1.拉晶仪构成：①炉体②拉晶装置③环境控制④电子控制及电源系统柴可拉斯基拉晶仪1.拉晶仪①炉体石英坩埚：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

4、置：逆时针；③环境控制真空系统：气路系统：提供惰性气体；排气系统：④电子控制及电源系统2.拉晶过程例，2.5及3英寸硅单晶制备①  熔硅调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；②  引晶（下种）籽晶预热：位置---熔硅上方；目的---避免对热场的扰动太大；与熔硅接触：温度太高---籽晶熔断；温度太低---过快结晶；合适温度--籽晶与熔硅可长时间接触，既不会进一步融化，也不会生长；2.拉晶过程③收颈目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸；直径：2-3mm；长度：>20mm；拉速：3.5mm/min④放肩温度：降15-40℃；拉速

5、：0.4mm/min；2.拉晶过程⑤收肩当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：拉速：2.5mm/min；⑥等径生长拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在温度场保持相对固定；⑦收尾熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。1.2.2悬浮区熔法（float-zoneFZ法）1.2单晶的制备1.2单晶的制备1.2.2悬浮区熔法特点：①可重复生长、提纯单晶；②无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；③ FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点：单晶直径不及CZ法。1.2单晶的制备1.2.3水平区熔法（布里吉曼法）--G

6、aAs单晶1.3衬底制备衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。1.3.1晶体定向晶体具有各向异性器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如双极器件：{111}面；MOS器件：{100}面。晶体定向的方法1.光图像定向法（参考李乃平）①腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许多由低指数小平面围成、与晶面具有一定对应关系的小腐蚀坑；②光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平行光反映出不同的图像，从而确定晶面。1.3.1晶体定向2.X射线衍射法方法：劳埃法；转动晶体法；原理：①入射角θ应满足：nλ=2dsi

7、nθ；②晶面米勒指数h、k、l应满足：h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）；h2+k2+l2=4n（n为偶数）。1.3.2晶面标识原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；硅单晶的解理面：{111} ；1.主参考面（主定位面，主标志面）①起识别划片方向作用；②作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；③作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；2.次参考面（次定位面，次标志面）识别晶向和导电类型1.3.2晶面标识1.3.2晶面标识1.3.3晶片加工切片、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

8、片。切片基本决定了晶片的晶向、平行度、弯曲度，切片损耗占1/3。1.3.3晶片加工1.3.3晶片加工2.磨片目的：①  使各片厚度一致；②  使各硅片各处厚度均匀；③ 改善平整度。磨料：① 要求：其硬度大于硅片硬度。② 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等1.3.3晶片加工3.抛光目的：进一步消除表面缺陷，获得高度