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:導體；絕緣體；半導體。半導體材料具有較小的禁帶寬度其值介于絕緣體和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。這種行為在半導體被加熱時發(fā)生因而其導電性隨溫度增加而提高(對導體而言則正相反)。硅是用來制造芯片的主要半導體材料，也是半導體產(chǎn)業(yè)中最重要的材料。鍺是第一個用做半導體的材料，它很快被硅取代了，這主要有四個原因：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，其含量僅次于氧。然而，自然界中幾乎不存在單質的硅，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半導體級硅用來做芯片的高純硅被稱為半導體級硅（semiconductgradesilicon）或者SGS，有時也被稱做電子級硅。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)冶金級硅。SiC（固體）SiO2（固體）→Si（液體）SiO（氣體）CO（氣體）第二步，將冶金級硅壓碎并通過化學反應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)過再一次化學過程并用氫氣還原制備出純度為99.9999999%的半導體級硅。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。半導體級硅具有半導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）。半導體級硅的西門子反應器提純的SGS多晶2.2晶體結構不僅半導體級硅的超高純度對制造半導體器件非常關鍵，而且它也要有近乎完美的晶體結構。只有這樣才能避免對器件特性非常有害的電學和機械缺陷。單晶就是一種固體材料，在許多的原子長程范圍內原子都在三維空

5、間中保持有序且重復的結構。3D結構的單元晶胞非晶材料是指非晶固體材料，它們沒有重復的結構，并且在原子級結構上體現(xiàn)的是雜亂的兩式結合，代入K0的表達式，則有：若初始摻雜重量為C0M0，對上式積分為：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熱量且不會形成單晶。另一方面，較快的冷卻速度導致晶體中出現(xiàn)較大的熱梯度，產(chǎn)生熱應力。但是，拉晶速度過慢，點缺陷的濃度很高。氧含量控制（控制熔料溫度，或采取磁場中生長）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，會釋放出相當多的氧，融入熔硅中，其中95％的部分以SiO的形式從熔硅表面逸出，一部分混入生長的單晶硅中?！纠}】書P20例1一個用直拉法所生長的硅錠，應該在熔融液中摻入多少硼原子，才能使其每立方米包含1016個硼原子？假設開始在坩堝里有60kg的硅，若要達到上述摻雜濃度應該加入多少克的硼（硼的摩爾質量為10.8g）？已知熔

7、融硅的密度為2.53gcm32.3.2區(qū)熔法區(qū)熔法生長單晶硅錠是把摻雜好的多晶硅棒鑄在一個模型里。一個籽晶固定到一端然后放進生長爐中。用射頻線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區(qū)域。晶體生長中的加熱過程沿著晶棒的軸向移動。區(qū)熔法示意如圖2.5。區(qū)熔法晶體生長區(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方向的長度，A是硅棒的橫截面積，ρd是硅的密度。某一時刻：S為熔融帶中所含摻雜總量，當熔融帶移動一段距離dx時，其增加的摻雜量dS可用