晶體生長

我們看到的半導體晶圓是從一塊完整的半導體大晶體切成出來形成的。這些晶體，也被稱為錠，是由大塊的內(nèi)在物質(zhì)生長而成的具有多晶結(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型的要求進行，這個總體的過程稱為晶體增長。

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

Czochralski方法

大多數(shù)硅晶體是通過CZ法生長的(如下圖所示)。主要的制備設備由石英(二氧化硅)坩堝組成，由周圍的線圈加熱攜帶射頻(RF)波或通過電加熱器來進行加熱。坩堝里面要裝好塊狀多晶的半導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,一個種子晶體正好與液體物質(zhì)的表面接觸(稱為晶體，參與這個融化的過程)。種子是一個小晶體，具有成品晶體所需的相同晶體方向(如下圖所示)。化學蒸汽可以產(chǎn)生種子技術(shù)。在實踐中，它們是先前生長的晶體碎片，可以作為種子使用。

晶體的生長開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致熔體的薄膜粘附在去籽，然后冷卻。在冷卻過程中，第一層原子熔化半導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)復制種子晶體的方向。凈效果是種子的晶體取向在生長的晶體中傳播。熔體中的摻雜原子融入到生長的晶體中，形成n型或p型晶體。

為了能夠達到摻雜均勻，晶體完美，并且實現(xiàn)晶圓的直徑可控，在加熱過程中不斷通過改變壓力來施加影響，加熱速率受到控制，坩堝和坩堝沿相反方向旋轉(zhuǎn)整個晶體生長過程。過程控制需要復雜的反饋該系統(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。首先形成一個細脖子，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，直徑達450毫米(18英寸)。一個450毫米晶圓的重量約800公斤，需要經(jīng)過3天的時間才能生長。

較重的晶體會導致小直徑(約4毫米)的種子破裂。一種解決方案是通過一種叫做“頸突”的過程來開始生長。在生長初期，生長增厚的切片。它提供了機械的支撐較大晶體的強度(見下圖所示)。

Liquid-Encapsulated Czochralski

Liquid-encapsulated czochralski (LEC)晶體生長方法，可以用來種植砷化鎵。這個過程與標準的CZ過程基本相同，但有一個重大的修改。這種與一般方法不同的修改點是必需的，因為砷在熔體中的蒸發(fā)特性和一般材料不同。在晶體生長的溫度下，鎵和砷發(fā)生反應，砷會蒸發(fā)，進而產(chǎn)生不均勻的晶體。

有兩種方法可以解決這個問題。一種是對晶體生長室加壓，抑制砷的蒸發(fā)。另一個是LEC過程(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