第2章 硅和硅片制備.ppt.convertor

1、第二章硅和硅片制備圖2.1化學(xué)元素周期表根據(jù)流經(jīng)材料電流的不同可分為三類材料:導(dǎo)體；絕緣體；半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料具有較小的禁帶寬度其值介于絕緣體和導(dǎo)體之間。這個(gè)禁帶寬度允許電子在獲得能量時(shí)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。這種行為在半導(dǎo)體被加熱時(shí)發(fā)生因而其導(dǎo)電性隨溫度增加而提高(對(duì)導(dǎo)體而言則正相反)。硅是用來制造芯片的主要半導(dǎo)體材料，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中最重要的材料。鍺是第一個(gè)用做半導(dǎo)體的材料，它很快被硅取代了，這主要有四個(gè)原因：1）硅的豐裕度2）更高的熔化

2、溫度允許更寬的工藝容限3）更寬的工作溫度范圍4）氧化硅的自然生成硅是地球上含量第二豐富的元素，其含量?jī)H次于氧。然而，自然界中幾乎不存在單質(zhì)的硅，絕大部分的硅是以化合物的形式存在，如各種硅酸鹽和二氧化硅等。要獲得高純度的硅，就必須將這些化合物中的硅還原出來。圖2.2地殼元素含量分布2.1半導(dǎo)體級(jí)硅用來做芯片的高純硅被稱為半導(dǎo)體級(jí)硅（semiconductgradesilicon）或者SGS，有時(shí)也被稱做電子級(jí)硅。現(xiàn)介紹一種得到SGS的主要

3、方法：第一步，在還原氣體環(huán)境中，通過加熱含碳的硅石（SiO2），一種純沙，來生產(chǎn)冶金級(jí)硅。SiC（固體）SiO2（固體）→Si（液體）SiO（氣體）CO（氣體）第二步，將冶金級(jí)硅壓碎并通過化學(xué)反應(yīng)生成含硅的三氯硅烷氣體。Si（固體）3HCl（氣體）→SiHCl3（氣體）H2（氣體）加熱第三步，含硅的三氯硅烷氣體經(jīng)過再一次化學(xué)過程并用氫氣還原制備出純度為99.9999999%的半導(dǎo)體級(jí)硅。2SiHCl3（氣體）2H2（氣體）→2Si（固體

4、）6HCl（氣體）這種生產(chǎn)純SGS的工藝稱為西門子工藝。半導(dǎo)體級(jí)硅具有半導(dǎo)體制造要求的超高純度，它包含少于百萬分之（ppm）二的碳元素和少于十億分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的摻雜元素）。半導(dǎo)體級(jí)硅的西門子反應(yīng)器提純的SGS多晶2.2晶體結(jié)構(gòu)不僅半導(dǎo)體級(jí)硅的超高純度對(duì)制造半導(dǎo)體器件非常關(guān)鍵，而且它也要有近乎完美的晶體結(jié)構(gòu)。只有這樣才能避免對(duì)器件特性非常有害的電學(xué)和機(jī)械缺陷。單晶就是一種固體材料，在許多的原子長(zhǎng)程范圍內(nèi)原子都在三維空

5、間中保持有序且重復(fù)的結(jié)構(gòu)。3D結(jié)構(gòu)的單元晶胞非晶材料是指非晶固體材料，它們沒有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，并且在原子級(jí)結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)的是雜亂的兩式結(jié)合，代入K0的表達(dá)式，則有：若初始摻雜重量為C0M0，對(duì)上式積分為：解得：拉晶速度控制（先快后慢，降低溫度）拉晶速度過快，固體部分來不及散調(diào)熱量且不會(huì)形成單晶。另一方面，較快的冷卻速度導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)較大的熱梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力。但是，拉晶速度過慢，點(diǎn)缺陷的濃度很高。氧含量控制（控制熔料溫度，或采取磁場(chǎng)中生長(zhǎng)）Cz工

6、藝中，用來裝填熔料的坩堝通常是用熔融石英（fusedsilica，一種非晶SiO2）制成。在1500攝氏度的高溫下，會(huì)釋放出相當(dāng)多的氧，融入熔硅中，其中95％的部分以SiO的形式從熔硅表面逸出，一部分混入生長(zhǎng)的單晶硅中?！纠}】書P20例1一個(gè)用直拉法所生長(zhǎng)的硅錠，應(yīng)該在熔融液中摻入多少硼原子，才能使其每立方米包含1016個(gè)硼原子？假設(shè)開始在坩堝里有60kg的硅，若要達(dá)到上述摻雜濃度應(yīng)該加入多少克的硼（硼的摩爾質(zhì)量為10.8g）？已知熔

7、融硅的密度為2.53gcm32.3.2區(qū)熔法區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個(gè)模型里。一個(gè)籽晶固定到一端然后放進(jìn)生長(zhǎng)爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域。晶體生長(zhǎng)中的加熱過程沿著晶棒的軸向移動(dòng)。區(qū)熔法示意如圖2.5。區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)區(qū)熔法摻雜分布初始條件：硅棒上摻雜濃度為C0，L是熔融帶沿x方向的長(zhǎng)度，A是硅棒的橫截面積，ρd是硅的密度。某一時(shí)刻：S為熔融帶中所含摻雜總量，當(dāng)熔融帶移動(dòng)一段距離dx時(shí)，其增加的摻雜量dS可用