现代半导体器件物理与工艺.ppt

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1、晶体生长和外延现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30晶体生长与外延对分立器件而言，最重要的半导体是硅和砷化镓。本小节主要讨论这两种半导体单晶最常用的技术。一种是单晶生长，获得高质量的衬底材料；另外一种时“外延生长”，即在单晶衬底上生长另一层单晶半导体（同质或异质材料）。起始材料多晶半导体单晶晶片SiSiO2GaAsGa，As蒸馏与还原合成晶体生长晶体生长研磨、切割抛光研磨、切割抛光从原料到磨光晶片的制造流程CZ法生长单晶硅－起始材料高纯度的硅砂与

2、不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应SiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级硅Cz直拉法掺杂物质的分布由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。(1)融体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0（每克的融体中掺杂的重量）。生长过程中，当已生长晶体的重量为M时，留在融体中的掺杂数量（重量）为S。当晶体增加dM的重量，融体相对应减少的掺

3、杂（－dS）为Cs为晶体中的掺杂浓度（重量表示）。此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl(2)(3)结合（2）、（3），将（1）代入可得若初始掺杂重量为C0M0，积分（4）可得(4)(5)解出（5）式，且结合（3）式可得(6)有效分凝系数当晶体生长时，掺杂剂会持续不断地被排斥而留在融体中(K0<1)。如果排斥率比参杂的扩散或搅动而产生的传送率高时，在界面的地方会有浓度梯度产生，如图所示。其分凝系数为定义一有效分凝系数考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的融体层，层内只有因拉出需要补充融体而产生的流动。层外参杂浓度为常数Cl，层内参杂浓度可用

4、第3章的连续性方程式来表示。在稳态式，右边第二项、第三项是有意义的(C代替np，v代替μnE)解为第一个边界条件是在x＝0时，C＝Cl(0)；第二个边界条件式所有掺杂总数守恒，即流经界面的掺杂流量和必须等于零。考虑掺杂原子在融体中的扩散（忽略在固体中的扩散），可以得到将边界条件代入且在x＝δ时C＝Cl，可以得到因此在晶体内的均匀掺杂分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。悬浮区熔法悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单

5、晶所含有的更低杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、高压等器件。杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)，因此有：而且S0＝C0ρdAL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。从积分式可得或因为，因此如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0＝ClAρdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略，由前面的积分式可得因为，从上式可得因此，如果Kex

6、/L很小，则除了在最后凝固的尾端外，Cs在整个距离中几乎维持定值。对某些开关器件而言，如高压可控硅。必须用到大面积芯片，对均与度要求较高。采用中子辐照工艺。此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅砷化镓晶体的生长技术－起始材料砷化镓的起始材料是以物理特性和化学特性均很纯的砷和镓元素和合成的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。不像硅可以在熔点时有相对较低的蒸汽压（1412℃时约为10-1Pa），砷在砷化镓的熔点（1240℃）时有高出许多的蒸汽压。在气相中砷以两种主要形式存在

7、：As2及As4。砷化镓生长工艺合成砷化镓通常在真空密闭的石英管系统中进行，此管有2个温度区。高纯度的砷放置在石墨舟中加热到601-620℃；而高纯度的镓放置在另一个石墨舟中，加热到稍高于砷化镓熔点（1240-1260℃）的温度。此情形下，会形成过多的砷蒸汽压，一来会使砷蒸汽压输送到镓的熔融态进而转变成砷化镓。二来可以防止在炉管形成的砷化镓再次分解。当熔融态冷却时，就可以产生高纯度的多晶砷化镓。有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体

8、密封起来。氧化硼会溶解二氧化硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为P型掺杂剂，而硒、硅和锑用