衬底制备课件.ppt

1、第一章第一章 衬底制备衬底制备主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院第1页，共37页。第一章第一章 衬底制备衬底制备 1.1 衬底材料衬底材料1.1.1 衬底材料的类型衬底材料的类型n1.元素半导体元素半导体 Si、Ge、C（金刚石）（金刚石）n2.化合物半导体化合物半导体 GaAs、SiGe、SiC、GaN、ZnO、HgCdTen3.绝缘体绝缘体 蓝宝石蓝宝石第2页，共37页。表表1 周期表中用作半导体的元素周期表中用作半导体的元素n 族族 族族 族族 族族 族族n第第2周期周期BC Nn第第3周期周期AlSi P Sn第第4周期周期ZnGaGe As

2、 Sen第第5周期周期CdInSn Sb Ten第第6周期周期HgPb第3页，共37页。元素半导体元素半导体Si：n占地壳重量占地壳重量20%-25%；n单晶直径最大，目前单晶直径最大，目前16英吋（英吋（400mm）,每每 3年增加年增加1英寸；英寸；nSiO2作用作用:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝 缘介质（多层布线）、绝缘栅、缘介质（多层布线）、绝缘栅、MOS电容的介质材料；电容的介质材料；n多晶硅（多晶硅（Poly-Si）：栅电极、杂质扩散）：栅电极、杂质扩散 源、互连线（比铝布线灵活）；源、互连线（比铝布线灵活）；第4页，共37页。元素半导体元素半导体Ge：

3、漏电流大：禁带宽度窄，仅漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.12eV)；工作温度低：工作温度低：75（Si:150）；）；GeO2:易水解（易水解（SiO2稳定）；稳定）；本征电阻率低：本征电阻率低：47cm（Si:2.3105cm）；）；成本高。成本高。n优点：电子和空穴迁移率均高于优点：电子和空穴迁移率均高于Sin最新应用研究：应变最新应用研究：应变Ge技术技术-Ge沟道沟道MOSFET第5页，共37页。第一章第一章 衬底制备衬底制备1.1.2 对衬底材料的要求对衬底材料的要求 1.导电类型：导电类型：N型与型与P型都易制备；型都易制备；2.电阻率：电阻率：10-3108cm，

4、且均匀性好（纵向、横，且均匀性好（纵向、横 向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；向、微区）、可靠性高（稳定、真实）；3.寿命（少数载流子）：晶体管寿命（少数载流子）：晶体管长寿命；长寿命；开关器件开关器件短寿命；短寿命；4.晶格完整性：无位错、低位错（晶格完整性：无位错、低位错（1000个个/cm2）；）；第6页，共37页。第一章第一章 衬底制备衬底制备1.1.2 对衬底材料的要求对衬底材料的要求 5纯度：电子级硅（纯度：电子级硅（EGS,electronic-grade-silicon）-1/109杂质；杂质；6晶向：双极器件晶向：双极器件-；MOS-；GaAs-；7直径：直径：8平整度：平

5、整度：9主、次定位面：主、次定位面：10.禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。第7页，共37页。第一章第一章 衬底制备衬底制备1.1.3 起始材料起始材料-石英岩（高纯度硅砂石英岩（高纯度硅砂-SiO2）SiO2+SiC+CSi(s)+SiO(g)+CO(g),冶金级硅：冶金级硅：98%；Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2，三氯硅烷室温下呈液态（沸点为三氯硅烷室温下呈液态（沸点为32），利用分），利用分 馏法去除杂质；馏法去除杂质；SiHCl3(g)+H2Si(s)+3HCl(g)，电子级硅电子级硅（片状多晶硅）。（片状多晶硅）。第8页，共37页。第一章

6、第一章 衬底制备衬底制备1.2 1.2 单晶的制备单晶的制备 1.2.1 直拉法（直拉法（CZ法）法）1.拉晶仪拉晶仪构成：构成：炉体炉体 拉晶装置拉晶装置 环境控制环境控制 电子控制及电源系统电子控制及电源系统 第9页，共37页。柴可拉斯基拉晶仪柴可拉斯基拉晶仪第10页，共37页。第11页，共37页。1.1.拉晶仪拉晶仪炉体炉体n石英坩埚：盛熔融硅液；石英坩埚：盛熔融硅液；n石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；n旋转装置：顺时针转；旋转装置：顺时针转；n加热装置：加热装置：RF线圈；线圈；拉晶装置拉晶装置n籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；籽晶夹持器：夹持籽晶（单

7、晶）；n旋转提拉装置：逆时针；旋转提拉装置：逆时针；环境控制环境控制n真空系统：真空系统：n气路系统：提供惰性气体；气路系统：提供惰性气体；n排气系统：排气系统：电子控制及电源系统电子控制及电源系统第12页，共37页。2.2.拉晶过程拉晶过程例，例，2.52.5及及3 3英寸硅单晶制备英寸硅单晶制备 熔硅熔硅n调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；调节坩埚位置；注意事项：熔硅时间不易长；引晶（下种）引晶（下种）n籽晶预热：位置籽晶预热：位置-熔硅上方；熔硅上方；目的目的-避免对热场的扰动太大；避免对热场的扰动太大；n与熔硅接触：温度太高与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断；籽晶熔断；温度太低温度太

8、低-过快结晶；过快结晶；合适温度合适温度-籽晶与熔硅可长时间接籽晶与熔硅可长时间接 触，既不会进一步融化，也不会生长；触，既不会进一步融化，也不会生长；第13页，共37页。2.2.拉晶过程拉晶过程收颈收颈n 目的：抑制位错从籽晶目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸；向晶体延伸；n 直径：直径：2-3mm；n 长度：长度：20mm；n 拉速：拉速：3.5mm/min 放肩放肩n 温度：降温度：降15-40；n 拉速：拉速：0.4mm/min；第14页，共37页。2.2.拉晶过程拉晶过程 收肩收肩n当肩部直径比所需直径小当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高拉速：时，提高拉速：n拉速：拉速：2.5m

9、m/min；等径生长等径生长n拉速：拉速：1.3-1.5mm/min；n熔硅液面在温度场保持相对固定；熔硅液面在温度场保持相对固定；收尾收尾n 熔硅料为熔硅料为1.5kg时，停止坩埚跟踪。时，停止坩埚跟踪。第15页，共37页。第16页，共37页。第17页，共37页。1.2.2 悬浮区熔法悬浮区熔法（float-zone FZ法）法）1.2 单晶的制备单晶的制备第18页，共37页。1.2 单晶的制备单晶的制备1.2.2 悬浮区熔法悬浮区熔法n特点：特点：可重复生长、提纯单晶；可重复生长、提纯单晶；无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较无需坩埚、石墨托，污染少，纯度较CZ法高；法高；FZ单晶：高纯、高阻

10、、低氧、低碳；单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；n缺点：缺点：单晶直径不及单晶直径不及CZ法。法。第19页，共37页。1.2 单晶的制备单晶的制备1.2.3 水平区熔法水平区熔法（布里吉曼法）（布里吉曼法）-GaAs单晶单晶第20页，共37页。1.3 衬底制备衬底制备n衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。衬底制备包括：整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工。第21页，共37页。1.3.1 晶体定向晶体定向 n晶体具有各向异性晶体具有各向异性 器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如器件一般制作在不同米勒指数面的晶片上，如 双极器件：双极器件：111面；面；MOS器件：器件：100面。面。

11、n晶体定向的方法晶体定向的方法 1.光图像定向法（参考李乃平）光图像定向法（参考李乃平）腐蚀：要定向的晶面经研磨、腐蚀，晶面上出现许腐蚀：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；腐蚀坑；光照：利用这些小腐蚀坑的宏观对称性，正入射平行光光照：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，从而确定晶面反映出不同的图像，从而确定晶面。第22页，共37页。第23页，共37页。1.3.1 晶体定向晶体定向 2.X射线衍射法射线衍射法n方法：劳埃法；转动晶体法；方法：劳埃法；转动晶体法；n原

12、理：原理：入射角入射角应满足：应满足：n=2dsin；晶面米勒指数晶面米勒指数h、k、l应满足：应满足：h2+k2+l2=4n-1（n为奇数）；为奇数）；h2+k2+l2=4n（n为偶数）。为偶数）。第24页，共37页。1.3.2 晶面标识晶面标识n原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；原理：各向异性使晶片沿解理面易裂开；硅单晶的解理面：硅单晶的解理面：111；1.主参考面（主定位面，主标志面）主参考面（主定位面，主标志面）n起识别划片方向作用；起识别划片方向作用；n作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；作为硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；n作为硅片装架的接触位置，可减少硅片损耗；作为硅片装架

13、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）次参考面（次定位面，次标志面）识别晶向和导电类型识别晶向和导电类型 第25页，共37页。1.3.2 晶面标识晶面标识第26页，共37页。1.3.2 晶面标识晶面标识第27页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工n切片、磨片、抛光切片、磨片、抛光1.切片切片n将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。合一定要求的单晶薄片。n切片基本决定了晶片的晶向、平行度、弯曲度，切片基本决定了晶片的晶向、平行度、弯曲度，切片损耗占切片损耗占1/3。第28页，共37页。1.3.3 晶片加工

14、晶片加工第29页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工2.磨片磨片n目的：目的：使各片厚度一致；使各片厚度一致；使各硅片各处厚度均匀；使各硅片各处厚度均匀；改善平整度。改善平整度。n磨料：磨料：要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。种类：种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等等 第30页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工3.抛光抛光n目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的光洁及无损层的“理想理想”表面。表面。n方法：机械抛光、化学抛光、方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光化学机械抛光（CMP,chem

15、ical-mechanical polishing）机械抛光机械抛光:与磨片工艺原理相同，磨料更细与磨片工艺原理相同，磨料更细（0.1-0.5m），），MgO、SiO2、ZrO；n优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。优点：表面平整；缺点：损伤层深、速度慢。第31页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工化学抛光（化学腐蚀）化学抛光（化学腐蚀）a.酸性腐蚀酸性腐蚀 典型配方：典型配方：HF:HNO3:CH3COOH=1:3:2(体积比体积比)3Si+4HNO3+18HF=3H3SiF6+4NO+8H2O 注意腐蚀温度：注意腐蚀温度：t=30-50,表面平滑；表面平滑；t75mm）;2）不需搅

16、拌；）不需搅拌；3）表面无损伤。）表面无损伤。n缺点：平整度差缺点：平整度差 第33页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工化学机械抛光（化学机械抛光（CMP)n特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。特点：兼有机械与化学抛光两者的优点。n典型抛光液：典型抛光液：SiO2+NaOH(SiO2化学机械抛光化学机械抛光)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 典型的化学机械典型的化学机械抛光原理示意图抛光原理示意图第34页，共37页。1.3.3 晶片加工晶片加工第35页，共37页。芯片制造、芯片测试与拣选、装配与芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测封装以及终测第36页，共37页。芯片制造、芯片测试与拣选、装配芯片制造、芯片测试与拣选、装配与封装以及终测与封装以及终测第37页，共37页。