晶體生長(zhǎng)

我們看到的半導(dǎo)體晶圓是從一塊完整的半導(dǎo)體大晶體切成出來(lái)形成的。這些晶體，也被稱(chēng)為錠，是由大塊的內(nèi)在物質(zhì)生長(zhǎng)而成的具有多晶結(jié)構(gòu)的并且未摻雜的材料。將多晶塊轉(zhuǎn)化為單晶結(jié)構(gòu)的大晶體的過(guò)程中，必須要保證晶體具有正確的取向和并且要依照的n型或p型的要求進(jìn)行，這個(gè)總體的過(guò)程稱(chēng)為晶體增長(zhǎng)。

有三種不同的方法可以用來(lái)生長(zhǎng)晶體:Czochralski方法(CZ)，液體法和浮動(dòng)區(qū)技術(shù)。

Czochralski方法

大多數(shù)硅晶體是通過(guò)CZ法生長(zhǎng)的(如下圖所示)。主要的制備設(shè)備由石英(二氧化硅)坩堝組成，由周?chē)木€(xiàn)圈加熱攜帶射頻(RF)波或通過(guò)電加熱器來(lái)進(jìn)行加熱。坩堝里面要裝好塊狀多晶的半導(dǎo)體材料和少量的摻雜劑。選擇不同的摻雜材料就可以形成n型或p型晶體。首先，在1415℃下將聚合物和摻雜劑加熱到液態(tài)(如下圖所示)。接下來(lái),一個(gè)種子晶體正好與液體物質(zhì)的表面接觸(稱(chēng)為晶體，參與這個(gè)融化的過(guò)程)。種子是一個(gè)小晶體，具有成品晶體所需的相同晶體方向(如下圖所示)。化學(xué)蒸汽可以產(chǎn)生種子技術(shù)。在實(shí)踐中，它們是先前生長(zhǎng)的晶體碎片，可以作為種子使用。

晶體的生長(zhǎng)開(kāi)始于種子慢慢升到熔體之上。表面種子和熔體之間的張力導(dǎo)致熔體的薄膜粘附在去籽，然后冷卻。在冷卻過(guò)程中，第一層原子熔化半導(dǎo)體材料將自己定向到晶體結(jié)構(gòu)的種子上。原子連續(xù)的層繼續(xù)復(fù)制種子晶體的方向。凈效果是種子的晶體取向在生長(zhǎng)的晶體中傳播。熔體中的摻雜原子融入到生長(zhǎng)的晶體中，形成n型或p型晶體。

為了能夠達(dá)到摻雜均勻，晶體完美，并且實(shí)現(xiàn)晶圓的直徑可控，在加熱過(guò)程中不斷通過(guò)改變壓力來(lái)施加影響，加熱速率受到控制，坩堝和坩堝沿相反方向旋轉(zhuǎn)整個(gè)晶體生長(zhǎng)過(guò)程。過(guò)程控制需要復(fù)雜的反饋該系統(tǒng)集成了轉(zhuǎn)速、拉速和熔體等參數(shù)溫度。水晶被拉成三段。首先形成一個(gè)細(xì)脖子，然后是晶體體，末端有鈍尾。CZ方法能夠生產(chǎn)晶體幾英尺長(zhǎng)，直徑達(dá)450毫米(18英寸)。一個(gè)450毫米晶圓的重量約800公斤，需要經(jīng)過(guò)3天的時(shí)間才能生長(zhǎng)。

較重的晶體會(huì)導(dǎo)致小直徑(約4毫米)的種子破裂。一種解決方案是通過(guò)一種叫做“頸突”的過(guò)程來(lái)開(kāi)始生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)初期，生長(zhǎng)增厚的切片。它提供了機(jī)械的支撐較大晶體的強(qiáng)度(見(jiàn)下圖所示)。

Liquid-Encapsulated Czochralski

Liquid-encapsulated czochralski (LEC)晶體生長(zhǎng)方法，可以用來(lái)種植砷化鎵。這個(gè)過(guò)程與標(biāo)準(zhǔn)的CZ過(guò)程基本相同，但有一個(gè)重大的修改。這種與一般方法不同的修改點(diǎn)是必需的，因?yàn)樯樵谌垠w中的蒸發(fā)特性和一般材料不同。在晶體生長(zhǎng)的溫度下，鎵和砷發(fā)生反應(yīng)，砷會(huì)蒸發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的晶體。

有兩種方法可以解決這個(gè)問(wèn)題。一種是對(duì)晶體生長(zhǎng)室加壓，抑制砷的蒸發(fā)。另一個(gè)是LEC過(guò)程(如下圖所示)。LEC使用一層三氧化二硼(B2O3)材料漂浮在水面上熔化以抑制砷的蒸發(fā)。在這種方法中，大約1atm的壓力是壓力室內(nèi)要求。

審核編輯：劉清