• 西门子反应器 三氯硅烷和氢气被注入到西门子
反应器中，然后在加热的超纯硅棒上进行化学反 应（硅棒温度为1100℃），几天后工艺结束，将 淀积的SGS棒切成用于晶体生长的小片。
3.4晶体材料
晶体：原子在整个材料里重复排列成非常固定的结 构
非晶体或无定形结构：原子没有固定的周期性排列 的材料
3.4.1晶胞
• 在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本 的实体就是晶胞。
• 晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复 单元，它给出了晶体结构。
• 晶胞有一个框架结构，像一个立方体。与硅技术 相关的晶体结构是立方结构，这里是考虑面心立 方结构。
• 在一个晶体结构中，晶胞紧密地排列，因此存在 共有原子。
• 在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间 的结合能会引起材料的许多特性。
g.要求一定的直径和均匀性，并给出主次 定位面
此外，禁带宽度要适中，迁移率要高，杂
质补偿度低，等等。
5.3 半导体硅制备
• 制造IC级的硅晶圆分4个阶段进行： a.矿石到高纯气体的转变 b.气体到多晶的转变 c.多晶到单晶，掺杂晶棒的转变 d.晶棒到晶圆的制备
• 半导体级硅：用来制作芯片的高纯硅 （SGS），纯度达到99.9999999%，是 地球上最纯的物质之一。有一种称为多晶 或多晶硅的晶体结构。
• CZ单晶生长期间的掺杂
能够预知拉制晶体中掺杂剂的浓度很重要， 因为存在着分凝的过程，浓度问题并不像 初看上去那么直截了当。
定义一个分凝系数K0 K0=Cs/CL
对于直拉生长硅中的大多数杂质，K0﹤1， 意味着这些杂质倾向于处在液相中。
3.5.3区熔法
另一种晶体生长的方 法是区熔法，是20世 纪50年代发展起来的， 在特殊需要中使用， 所生产的单晶硅锭的 氧含量很低，并且能 生产到目前为止最纯 的硅单晶。生长系统 如图所示。
第五章 晶圆制备
5.1 概述
在这一章里，主要介绍沙子转变成晶体，以 及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤。
高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶 圆，最早使用的是1英寸，而现在300mm直径的 晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大，单 个芯片的生产成本就越低。然而，直径越大，晶 体结构上和电学性能的一致性就越难以保证，这 正是对晶圆生产的一个挑战。
籽晶
晶体
砷化 镓 熔化 物
氧化硼层
• 特点
直拉法的目的是实现均匀掺杂浓度的同时 精确地复制籽晶结构，得到合适的硅锭直 径并且限制杂质引入到硅中。
优点：工艺成熟，便于控制晶体外形和电 学参数，能成功地拉制低位错、大直径的 硅单晶，尤其制备10-4Ω•cm特殊低阻单晶。
缺点：难以避免来自石英坩埚和加热装置 的杂质污染，因而只能生产低阻单晶。另 外，由于存在杂质分凝效应和蒸发效应， 以及搅拌不均匀所形成的界面杂质积累层 等，还会使拉制的硅单晶沿轴向的电阻率 不一致，杂质缺陷较多。
惰性气体 （氩气）
滑动射 频线圈
• 制造SGS过程： 1. 用碳加热硅石来制备冶金级硅
SiC(s) SiO2 Si(l) SiO(g) CO(g)
2.通过化学反应将冶金级硅提纯以生成三氯 硅烷
Si(s) 3HCl(g) SiHCl3(g) H2(g)
3.利用西门子方法，通过三氯硅烷和氢气反 应来生产SGS
2SiHCl3(g) 2H2(g) 2Si(s) 6HCl(g)
5.2衬底材料的要求
a.导电类型：P或N
b.电阻率：0.001—100000Ω·cm
c.寿命：一般要求几到几千微秒 d.晶格完整性 e.纯度高：一般常说的9个9，微量杂质对半导体材
料的性能影响很大。微量杂质主要有受主、施主、 重金属、碱金属及非金属等。
f.晶向: ＜111＞、＜110＞及<100>等，对于 双极硅器件，一般要求＜111＞晶 向，MOS硅器件为<100>晶向，砷化 镓为<100>晶向。
• 如果晶体是单晶结构，那么所有的晶胞都 会沿着这个坐标轴重复排列。
3.5 晶体生长
• 半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。 • 这种半导体材料叫做晶棒，是从大块的具有多
晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。 • 把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的定
向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。 • 有三种不同的生长方法：直拉法 、区熔法 和
3.4.2 多晶和单晶 • 多晶：晶胞间不是规则排列的
• 单晶：晶胞间整洁而规则地排列
3.4.3晶体定向
• 晶向决定了在硅片中晶体结构的物理排列 是怎样的，不同晶向的硅片的化学、电学 和机械性质都不一样。
• 密勒指数：晶面通过一系列密勒指数的三 个数字组合来表示。
• 在密勒系统符号里，小括号（）用来表示 特殊平面，尖括号<>表示对应的方向，符 号是由平面与坐标轴交点而定的。
另外，由于应用了石英坩埚（SiO2），从 而在硅单晶中引入了氧。氧含量的典型值 为0.2~2*1018cm-3以上。当单晶生长过程中 经300—600 ℃温度范围的退火时，氧将获 得电活性，其作用如同施主，从而使电阻 率改变。
如果硅的纯度高，在高真空或大流量高纯
氩气氛下拉晶，通过合理的热场设计，以 及控制好温度和拉晶时的工艺参数等因素， 可控制氧含量。
液体掩盖直拉法.
3.5.1 直拉法
大部分的单晶都是 通过直拉法生长的。生 产过程如图所示。
旋转卡盘
籽晶
生长晶体
射频加热线圈
熔融 硅
3.，和标准的直 拉法一样，只是做了一些 改进。由于熔融物里砷的 挥发性通常采用一层氧化 硼漂浮在熔融物上来抑制 砷的挥发。故得其名，如 图所示。
• 如果晶胞移动了整数倍的矢量，可以找到 一个与原来完全一样的新的晶胞。
• 每个晶体材料具有独一无二的晶胞。
• 晶胞的重要性在于晶体作为一个整体可以 通过分析一个具有代表性的单元来研究。
• 硅晶胞原子排列具有金刚石结构
• 砷化镓晶体的晶胞结构称为闪锌矿结构
• 晶格：在晶体中原子的周期重复性的排列， 晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子 位于晶格结构的特定点。晶格总是包含一 个能代表整个晶格结构的单元—晶胞。