微電子工藝(1) - PRINT課件

1、0緒論、1硅襯底1緒論緒論21 1 引言引言早在早在18301830年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)對(duì)半導(dǎo)體的研究。對(duì)半導(dǎo)體的研究。 18741874年，電報(bào)機(jī)、電話和無(wú)線電相繼年，電報(bào)機(jī)、電話和無(wú)線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項(xiàng)新興發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項(xiàng)新興的工業(yè)的工業(yè)電子業(yè)的誕生電子業(yè)的誕生。3 基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段分立元件階段（分立元件階段（1905190519591959）真空電子管、半導(dǎo)體晶體管真空電子管、半導(dǎo)體晶體管集成電路階段（集成電路階段（19591959）SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI、ULSI

2、ULSI、ASICASIC4集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著子產(chǎn)品向著高效能、低消耗、高精度、高穩(wěn)高效能、低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化定、智能化的方向發(fā)展。的方向發(fā)展。 什么是微電子工藝什么是微電子工藝微電子工藝，微電子工藝，是指用半導(dǎo)體材料制作微電是指用半導(dǎo)體材料制作微電子產(chǎn)品的子產(chǎn)品的方法方法、原理原理、技術(shù)技術(shù)。不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個(gè)藝分解為多個(gè)基本相同基本相同的小單元（工序），的小單元（工序），

3、稱為稱為單項(xiàng)工藝。單項(xiàng)工藝。不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順序排列組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。序排列組合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。5目的、目的、方法方法微電子工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程圖微電子工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程圖6前工序前工序后工序后工序npn-Sinpn-Si雙極型晶體管芯片工藝流程雙極型晶體管芯片工藝流程-硅外延平面工藝舉例硅外延平面工藝舉例7舉例舉例n+npn+ebc返回返回3 3 微電子工藝特點(diǎn)及用途微電子工藝特點(diǎn)及用途超凈超凈 環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，室，ULSIULSI在在100100級(jí)超凈室制作，超凈臺(tái)達(dá)級(jí)超凈室制作，超凈臺(tái)達(dá)1010

4、級(jí)。級(jí)。超純超純 指所用材料方面，如襯底材料，指所用材料方面，如襯底材料，功能性電子功能性電子材料、水、氣，工藝材料等；材料、水、氣，工藝材料等； SiSi、GeGe單晶純度達(dá)單晶純度達(dá)1111個(gè)個(gè)9 9。高技術(shù)含量高技術(shù)含量 設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。高精度高精度 光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級(jí)，光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級(jí)，制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級(jí)，而精度更在制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級(jí)，而精度更在上述尺度之上。上述尺度之上。大批量，低成本大批量，低成本 圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實(shí)現(xiàn)。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實(shí)現(xiàn)。83.1主要特點(diǎn)主要特點(diǎn):超凈室結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理示

5、意圖超凈環(huán)境超凈環(huán)境 10113.2 3.2 主要應(yīng)用主要應(yīng)用制作微電子分立器件和集成電路制作微電子分立器件和集成電路微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng) (microelectromechanicol System, MEMS)的所依托的微加工技術(shù)的所依托的微加工技術(shù)納米技術(shù)，如納米技術(shù)，如光刻光刻圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，圖形復(fù)制轉(zhuǎn)移工藝，MBEMBE等等12集成電路集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SoC)- SoCSoC是一個(gè)通過(guò)是一個(gè)通過(guò)IP設(shè)計(jì)復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟設(shè)計(jì)復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟/ /硬硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程件協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域

6、相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科新的學(xué)科，例如，例如MEMS、DNA芯片等芯片等-其核其核心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與信息處理等主要功能集成在一個(gè)芯片上，而完成信息處理等主要功能集成在一個(gè)芯片上，而完成信息處理處理功能。信息處理處理功能。13拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域返回返回4 4 本課程內(nèi)容本課程內(nèi)容重點(diǎn)介紹單項(xiàng)工藝重點(diǎn)介紹單項(xiàng)工藝-原理、主要方法，原理、主要方法，及其所依托的基礎(chǔ)科學(xué)。及其所依托的基礎(chǔ)科學(xué)。簡(jiǎn)單介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封簡(jiǎn)單介紹典型產(chǎn)品的工藝流程，芯片的封裝、測(cè)試，以及新工藝、新技術(shù)、工藝技裝、測(cè)試，以及新工

7、藝、新技術(shù)、工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。1415第一單元第一單元硅襯底硅襯底1 單晶硅單晶硅結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2 硅錠及硅錠及圓片制備圓片制備3 外延外延基本單項(xiàng)基本單項(xiàng)工藝工藝第二單元第二單元氧化與摻氧化與摻雜雜第三單元第三單元薄膜制備薄膜制備第四單元第四單元光刻技術(shù)光刻技術(shù)4 氧化氧化5 擴(kuò)散擴(kuò)散6 離子離子注入注入7 CVD8 PVD9 光刻光刻10 現(xiàn)代光現(xiàn)代光刻技術(shù)刻技術(shù)11 刻蝕刻蝕第五單元第五單元工藝集成和工藝集成和測(cè)試封裝測(cè)試封裝12 金屬化金屬化與多層互連與多層互連13 工藝工藝集成集成14 測(cè)試測(cè)試封裝封裝課程內(nèi)容框架圖教材與參考書(shū)教材與參考書(shū)王蔚王蔚 等等集成電路制造技術(shù)集成

8、電路制造技術(shù)-原理與工原理與工藝藝(修訂版）電子工業(yè)出版社修訂版）電子工業(yè)出版社 2013關(guān)旭東關(guān)旭東 硅集成電路工藝基礎(chǔ)硅集成電路工藝基礎(chǔ)北京大北京大學(xué)出版學(xué)出版 2003Stephen A. C.微電子制造科學(xué)原理與微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)工程技術(shù)電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，2003清華大學(xué)清華大學(xué)集成電路工藝集成電路工藝多媒體教學(xué)多媒體教學(xué)課件課件 200116第一單元第一單元 硅硅 襯襯 底底 第第1 1章章 單晶硅特性單晶硅特性 第第2 2章章 硅片的制備硅片的制備 第第3 3章章 外延外延17第第1 1章章 單晶硅特性單晶硅特性1.1 1.1 硅晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)硅晶體的結(jié)構(gòu)特

9、點(diǎn)1.2 1.2 硅晶體缺陷硅晶體缺陷1.3 1.3 硅晶體中雜質(zhì)硅晶體中雜質(zhì)18 1.1 硅晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)硅晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)硅是微電子工業(yè)中應(yīng)硅是微電子工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材用最廣泛的半導(dǎo)體材料，占整個(gè)電子材料料，占整個(gè)電子材料的的9595左右，人們對(duì)左右，人們對(duì)它的研究最為深入，它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是成電路中基本上都是使用硅材料。使用硅材料。19硅四面體結(jié)構(gòu)硅四面體結(jié)構(gòu)鍵角：鍵角：109281 1、硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較、硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較20禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/

10、Vs）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/Vs）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征電阻率（cm）2.310547108鍺應(yīng)用的最早，現(xiàn)只有一些分立器件采用；鍺應(yīng)用的最早，現(xiàn)只有一些分立器件采用；GaAsGaAs是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，主要是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，主要是中等集成度的高速是中等集成度的高速I(mǎi)CIC，及超過(guò)，及超過(guò)GHzGHz的模擬的模擬ICIC使用，以及光電器件使用，以及光電器件從電學(xué)特性看硅并無(wú)多少優(yōu)勢(shì)從電學(xué)特性看硅并無(wú)多少優(yōu)勢(shì), ,但在其它方面但在其它方面有許多優(yōu)越性能。有許多優(yōu)越性能。21硅作為

11、電子材料的優(yōu)點(diǎn)：硅作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)：原料充分；原料充分；硅晶體表面易于生長(zhǎng)穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)于保硅晶體表面易于生長(zhǎng)穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；重量輕，密度只有重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/ ，熱導(dǎo)率高，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機(jī)械性能良好。機(jī)械性能良好。222 2、硅晶胞、硅晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：=5.4305原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原

12、子半徑：原子半徑：rSi=3a/8=1.17空間利用率：空間利用率：金剛石結(jié)構(gòu)的面心立方體金剛石結(jié)構(gòu)的面心立方體34. 034833arVnv1.2 1.2 硅晶向、晶面和堆積模型硅晶向、晶面和堆積模型24硅的幾種常用晶向的原子分布圖硅的幾種常用晶向的原子分布圖晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。標(biāo)記平行直線系上，這種直線系稱為晶列。標(biāo)記晶列方向用晶列方向用晶向指數(shù)晶向指數(shù), 記為記為m1m2m3 。用用表示等價(jià)的晶向表示等價(jià)的晶向.1/a1.41/a1.15/a1、晶向、晶向cab110111100001立方晶格的晶向

13、指數(shù)立方晶格的晶向指數(shù)100110a111a2a3R=m1x+m2y+m3z晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫晶面晶面。用晶面指數(shù)用晶面指數(shù)(h1h2 h3)標(biāo)記。如（標(biāo)記。如（100）晶面（又稱密勒指數(shù)）。等價(jià)晶）晶面（又稱密勒指數(shù)）。等價(jià)晶面表示為面表示為100立方晶系的立方晶系的100晶向和晶向和(100)面是垂直的。面是垂直的。25立方晶系立方晶系的幾種主的幾種主要晶面要晶面硅晶面硅晶面26硅常用晶面上原子分布硅常用晶面上原子分布Si面密度面密度: (100) 2/a2(110) 2.83/a2(111) 2.3

14、/a2面心立方晶格面心立方晶格27在在111晶向是立方密積，晶向是立方密積，(111)面是密排面面是密排面硅晶體為雙層立方密積結(jié)構(gòu)硅晶體為雙層立方密積結(jié)構(gòu)硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成，有雙層密排面成，有雙層密排面AABBCCAABBCC雙層密排面：原子距離最近，結(jié)合雙層密排面：原子距離最近，結(jié)合最為牢固，能量最低，腐蝕困難，最為牢固，能量最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長(zhǎng)中有容易暴露在表面，在晶體生長(zhǎng)中有表面成為表面成為111111晶面的趨勢(shì)。晶面的趨勢(shì)。兩層雙層密排面之間：原子距離最兩層雙層密排面之間：原子距離最遠(yuǎn)，結(jié)合脆弱，晶格缺陷容易在這遠(yuǎn)，結(jié)合

15、脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很容易沿著容易沿著111111晶面劈裂，這種易劈晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱為晶體的裂的晶面稱為晶體的解理面解理面。 28解理面解理面（111111）面為解理面，即為天然易破裂面。實(shí)際）面為解理面，即為天然易破裂面。實(shí)際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。（100100）面與（）面與（111111）面相交成矩形，（）面相交成矩形，（100100）面硅片）面硅片破裂時(shí)裂紋是呈矩形的；破裂時(shí)裂紋是呈矩形的；（111111）面和其它（）面和其它（111111）面相交呈三角形，因此）

16、面相交呈三角形，因此（111111）面硅片破裂時(shí)裂紋也是呈三角形，呈）面硅片破裂時(shí)裂紋也是呈三角形，呈6060角。角。硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶面的硅片作為襯底材料。面的硅片作為襯底材料。 29第一次課問(wèn)題：第一次課問(wèn)題：微電子工藝的主要特點(diǎn)?硅成為IC最主要的襯底材料的原因？在微電子工藝中常采用的硅晶向（面）？硅的雙層密排面是指哪個(gè)面？它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要特性？301.2 1.2 硅晶體缺陷硅晶體缺陷在高度完整的單晶硅片中，實(shí)際也存在缺在高度完整的單晶硅片中，實(shí)

17、際也存在缺陷。有：陷。有：零維零維-點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷、一維一維-線缺陷、線缺陷、二、三維二、三維-面缺陷和體缺陷面缺陷和體缺陷晶體缺陷對(duì)微電子工藝有多方面的影響。晶體缺陷對(duì)微電子工藝有多方面的影響。311.2.11.2.1 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷本征缺陷本征缺陷空位空位 A，A+、A - 、A 2-自間（填）隙原子自間（填）隙原子B弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)C填隙雜質(zhì)填隙雜質(zhì)D32kTEveNN/00kTEEivvivenpNN/00雜質(zhì)缺陷是非本征點(diǎn)缺陷，是指硅晶體雜質(zhì)缺陷是非本征點(diǎn)缺陷，是指硅晶體中的外來(lái)原子。中的外來(lái)原子。 填隙雜質(zhì)應(yīng)盡量避免，它破

18、壞了晶格的完整填隙雜質(zhì)應(yīng)盡量避免，它破壞了晶格的完整性，引起點(diǎn)陣的畸變，但對(duì)半導(dǎo)體晶體的電性，引起點(diǎn)陣的畸變，但對(duì)半導(dǎo)體晶體的電學(xué)性質(zhì)影響不大；學(xué)性質(zhì)影響不大；替位雜質(zhì)通常是有意摻入的雜質(zhì)。例如，硅替位雜質(zhì)通常是有意摻入的雜質(zhì)。例如，硅晶體中摻入晶體中摻入、族替位雜質(zhì)，目的是調(diào)節(jié)族替位雜質(zhì)，目的是調(diào)節(jié)硅晶體的電導(dǎo)率；摻入貴金屬硅晶體的電導(dǎo)率；摻入貴金屬AuAu等，目的是等，目的是在硅晶體中添加載流子復(fù)合中心，縮短載流在硅晶體中添加載流子復(fù)合中心，縮短載流子壽命。子壽命。331.2.21.2.2 線缺陷線缺陷線缺陷最常見(jiàn)的就是線缺陷最常見(jiàn)的就是位錯(cuò)位錯(cuò)。位錯(cuò)附近，原。位錯(cuò)附近，原子排列偏離了嚴(yán)格

19、的子排列偏離了嚴(yán)格的周期性，相對(duì)位置發(fā)周期性，相對(duì)位置發(fā)生了錯(cuò)亂。生了錯(cuò)亂。位錯(cuò)可看成由位錯(cuò)可看成由滑移滑移形形成，滑移后兩部分晶成，滑移后兩部分晶體重新吻合。在交界體重新吻合。在交界處形成位錯(cuò)。用處形成位錯(cuò)。用滑移滑移矢量矢量表征滑移量大小表征滑移量大小和方向。和方向。34123BA缺陷附近共價(jià)鍵被壓縮1、拉長(zhǎng)2、懸掛3，存在應(yīng)力刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)位錯(cuò)主要有刃位錯(cuò)和螺位位錯(cuò)主要有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移矢量垂錯(cuò)：位錯(cuò)線與滑移矢量垂直稱直稱刃位錯(cuò)；刃位錯(cuò)；位錯(cuò)線與滑位錯(cuò)線與滑移矢量平行，稱為移矢量平行，稱為螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)。硅晶體的硅晶體的雙層密排面雙層密排面間原間原子價(jià)鍵密度最小，

20、結(jié)合最子價(jià)鍵密度最小，結(jié)合最弱，滑移常沿弱，滑移常沿111面發(fā)生，面發(fā)生，位錯(cuò)線也就常在位錯(cuò)線也就常在111晶面晶面之間。該面稱為之間。該面稱為滑移面?；泼?。35刃形位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)刃形位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)36攀移攀移滑移滑移1.2.31.2.3 面缺陷和體缺陷面缺陷和體缺陷面缺陷主要是面缺陷主要是由于原子堆積由于原子堆積排列次序發(fā)生排列次序發(fā)生錯(cuò)亂，稱為堆錯(cuò)亂，稱為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)層錯(cuò)。 體缺陷是雜質(zhì)體缺陷是雜質(zhì)在晶體中沉積在晶體中沉積形成；晶體中形成；晶體中的空隙也是一的空隙也是一種體缺陷。種體缺陷。 37缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)缺陷是存在應(yīng)力的標(biāo)志，微電子工藝過(guò)程中能夠缺陷是存在

21、應(yīng)力的標(biāo)志，微電子工藝過(guò)程中能夠誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成熱塑性應(yīng)力，誘生位錯(cuò)；熱塑性應(yīng)力，誘生位錯(cuò)；晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。結(jié)團(tuán)現(xiàn)象結(jié)團(tuán)現(xiàn)象 高濃度低維缺陷傾向于集

22、聚，形成更高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量。高維缺陷，釋放能量。38缺陷的去除缺陷的去除 缺陷在器件的有源區(qū)影應(yīng)響其性能，缺陷在器件的有源區(qū)影應(yīng)響其性能，必須設(shè)法使之減少。必須設(shè)法使之減少。單晶生長(zhǎng)時(shí)的工藝控制；單晶生長(zhǎng)時(shí)的工藝控制；非本征吸雜，在無(wú)源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)非本征吸雜，在無(wú)源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)來(lái)吸雜；來(lái)吸雜；本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。391.3 1.3 硅中雜質(zhì)硅中雜質(zhì)半導(dǎo)體材料多以摻雜混合物狀態(tài)出現(xiàn)，半導(dǎo)體材料多以摻雜混合物狀態(tài)出現(xiàn)，雜質(zhì)有雜

23、質(zhì)有故意摻入故意摻入的和的和無(wú)意摻入無(wú)意摻入的。的。故意摻入故意摻入SiSi中的雜質(zhì)，如中的雜質(zhì)，如、V V族具族具有有電活性的電活性的雜質(zhì)雜質(zhì), ,或或AuAu等等能改變硅晶能改變硅晶體的某種特性的雜質(zhì)。體的某種特性的雜質(zhì)。無(wú)意摻入無(wú)意摻入SiSi中的雜質(zhì)有氧，碳等。中的雜質(zhì)有氧，碳等。40Si中雜質(zhì)類型中雜質(zhì)類型間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì) 主要是主要是族元素，有：族元素，有：Na、K、Li、H等，等，它們通常無(wú)電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率它們通常無(wú)電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快?？?。替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 主要是主要是和和族元素，具有電活性，在硅族元素，具有電活性，在硅中有較高

24、的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙中有較高的固濃度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。間隙間隙替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì) 大多數(shù)過(guò)渡元素：大多數(shù)過(guò)渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無(wú)電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。位于間隙的雜質(zhì)無(wú)電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。411.3.11.3.1 雜質(zhì)對(duì)雜質(zhì)對(duì)SiSi電學(xué)特性的影響電學(xué)

25、特性的影響、V V族族電活性電活性雜質(zhì)主要有：硼、雜質(zhì)主要有：硼、磷、砷，銻等磷、砷，銻等淺淺能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)金等雜質(zhì)在室溫金等雜質(zhì)在室溫時(shí)難以電離，多時(shí)難以電離，多數(shù)無(wú)電活性，是數(shù)無(wú)電活性，是復(fù)合中心復(fù)合中心，具有，具有降低硅中載流子降低硅中載流子壽命的作用，是壽命的作用，是深能級(jí)雜質(zhì)深能級(jí)雜質(zhì)42束縛電子束縛電子自由電子自由電子P+PDCDEE 施主電離能施主電離能 空穴空穴BB受主電離能受主電離能 vAAEE 硅晶體中雜質(zhì)能級(jí)和電離能硅晶體中雜質(zhì)能級(jí)和電離能43硅的電阻率硅的電阻率- -摻雜濃度曲線摻雜濃度曲線不同類型雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)電不同類型雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象能力相互抵消的現(xiàn)象叫叫雜

26、質(zhì)補(bǔ)償雜質(zhì)補(bǔ)償。硅中同時(shí)存在磷和硼，硅中同時(shí)存在磷和硼，若磷的濃度高于硼，若磷的濃度高于硼，那么這就是那么這就是N N型硅。型硅。不過(guò)導(dǎo)帶中的電子濃不過(guò)導(dǎo)帶中的電子濃度并不等于磷雜質(zhì)濃度并不等于磷雜質(zhì)濃度，因?yàn)殡婋x的電子度，因?yàn)殡婋x的電子首先要填充受主，余首先要填充受主，余下的才能發(fā)送到導(dǎo)帶。下的才能發(fā)送到導(dǎo)帶。1.3.2 固溶度和相圖固溶度和相圖一種元素一種元素B(B(溶質(zhì)溶質(zhì)) )引入到另一種元素引入到另一種元素A(A(溶劑溶劑) )晶體晶體中時(shí)，在達(dá)到一定濃度之前，不會(huì)有中時(shí)，在達(dá)到一定濃度之前，不會(huì)有新相新相產(chǎn)生，仍保持原產(chǎn)生，仍保持原A A晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶體稱為體

27、稱為固溶體固溶體。一定溫度，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡濃一定溫度，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡濃度，這一平衡濃度就稱為該雜質(zhì)度，這一平衡濃度就稱為該雜質(zhì)B B在晶體在晶體A A中中的的固溶度固溶度。45一、固溶度一、固溶度固溶體固溶體固溶體主要可分為兩類：固溶體主要可分為兩類： 替位式固溶體替位式固溶體和和間隙式固溶體間隙式固溶體。 Si中中、V族雜質(zhì)形成替位式有限固溶體。族雜質(zhì)形成替位式有限固溶體。替位式固溶體溶劑和溶質(zhì)應(yīng)滿足必要條件：替位式固溶體溶劑和溶質(zhì)應(yīng)滿足必要條件：原子半徑相差小于原子半徑相差小于15，稱，稱“有利幾何因素有利幾何因素” r：Si ：1.17, B ：0.89, P ：1.

28、10 ；原子外部電了殼層結(jié)構(gòu)相似；原子外部電了殼層結(jié)構(gòu)相似；晶體結(jié)構(gòu)也應(yīng)相似。晶體結(jié)構(gòu)也應(yīng)相似。46硅晶體中雜質(zhì)的固溶度硅晶體中雜質(zhì)的固溶度摻雜濃度可摻雜濃度可以超過(guò)固溶以超過(guò)固溶度度。給含雜質(zhì)原給含雜質(zhì)原子的硅片加子的硅片加熱，再快速熱，再快速冷卻，雜質(zhì)冷卻，雜質(zhì)濃度可超出濃度可超出其固溶度的其固溶度的1010倍以上倍以上。47二、相圖知識(shí)二、相圖知識(shí)48相圖相圖是用來(lái)討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示是用來(lái)討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法。方法。相相指的是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。用一組均勻指的是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。用一組均勻的性質(zhì)來(lái)表征。的性質(zhì)來(lái)表征。相圖與大氣壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常相圖與大氣

29、壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常壓工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。壓工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。 49相圖的構(gòu)成相圖的構(gòu)成：由兩條曲線：由兩條曲線將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為上面的一條曲線稱為液相液相線線，液相線之上為液相的，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用單相區(qū)，常用L L表示；下表示；下面的一條曲線稱為面的一條曲線稱為固相線固相線，固相線之下為固溶體的單固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用相區(qū)，常用表示；兩條表示；兩條曲線之間是曲線之間是雙相區(qū)雙相區(qū)，標(biāo)記，標(biāo)記L+L+表示。表示。 二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D兩相平衡

30、時(shí)的數(shù)量分配規(guī)律杠桿規(guī)則兩相平衡時(shí)的數(shù)量分配規(guī)律杠桿規(guī)則50合金合金x，T1時(shí)，兩相并存。過(guò)時(shí)，兩相并存。過(guò)x點(diǎn)作水平線交液相線點(diǎn)作水平線交液相線a點(diǎn)和固點(diǎn)和固相線相線c點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明a、c點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分固體的成分設(shè)設(shè)mL、m 分別為兩相的數(shù)分別為兩相的數(shù)量，量，由質(zhì)量守恒定律可推由質(zhì)量守恒定律可推導(dǎo)出：導(dǎo)出：一般用占總體數(shù)量的百分比一般用占總體數(shù)量的百分比的相對(duì)值來(lái)表示。的相對(duì)值來(lái)表示。把把a(bǔ)xcaxc當(dāng)成一杠桿，則滿足當(dāng)成一杠桿，則滿足杠桿力的平衡原理，所以稱杠桿力的平衡原理，所以稱之為之為杠桿規(guī)則杠桿規(guī)則。杠桿規(guī)則適用所有

31、兩相平衡杠桿規(guī)則適用所有兩相平衡連續(xù)性固溶體：鍺連續(xù)性固溶體：鍺- -硅相圖硅相圖51硅硅-鍺可完全互溶，又稱為鍺可完全互溶，又稱為同晶體同晶體系系，用杠桿規(guī)則計(jì)算各組分量，用杠桿規(guī)則計(jì)算各組分量LS1414938.3結(jié)晶區(qū)結(jié)晶區(qū)T1T2CmClCSLSSMLLSMWCCLWCCS鋁-硅體系相圖 純鋁的熔點(diǎn)是純鋁的熔點(diǎn)是660660，純硅的，純硅的熔點(diǎn)是熔點(diǎn)是14171417，在，在硅熔體中摻入鋁，硅熔體中摻入鋁，或在鋁熔體中摻或在鋁熔體中摻入硅，熔體的凝入硅，熔體的凝固點(diǎn)都下降，凝固點(diǎn)都下降，凝固點(diǎn)最小值為固點(diǎn)最小值為577577，這一點(diǎn)，這一點(diǎn)稱為稱為共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)，這，這一點(diǎn)的組分稱為一點(diǎn)

32、的組分稱為共晶組成，共晶共晶組成，共晶點(diǎn)硅原子占原子點(diǎn)硅原子占原子總數(shù)的總數(shù)的11.3%11.3%。 52砷砷- -硅體系相圖硅體系相圖兩種中間化合物：兩種中間化合物：SiAsSiAs和和SiAsSiAs2 2。有三個(gè)體系，。有三個(gè)體系，Si-Si-SiAsSiAs，SiAs-SiAsSiAs-SiAs2 2，SiAsSiAs2 2- -AsAs。有一重量比為有一重量比為86%As86%As熔融體熔融體從高溫開(kāi)始冷卻。在溫度從高溫開(kāi)始冷卻。在溫度達(dá)達(dá)10201020時(shí)，固體時(shí)，固體SiAsSiAs從從熔體中結(jié)晶出來(lái)，熔體成熔體中結(jié)晶出來(lái)，熔體成為富砷相，直到溫度降至為富砷相，直到溫度降至944

33、944，這時(shí)液相組成為，這時(shí)液相組成為90%As+10%Si90%As+10%Si。溫度繼續(xù)下。溫度繼續(xù)下降時(shí)，固體的降時(shí)，固體的SiAsSiAs與一些與一些剩余的熔體結(jié)合形成液體剩余的熔體結(jié)合形成液體+SiAs+SiAs2 2相，相，SiAsSiAs被包在被包在SiAsSiAs2 2中。當(dāng)溫度降至中。當(dāng)溫度降至786786，SiAsSiAs2 2和和相都從相都從液相析出。該體系稱液相析出。該體系稱包晶包晶體系體系。（Si）53第二章第二章 硅片的制備硅片的制備2.1 多晶硅的制備多晶硅的制備2.2 單晶硅生長(zhǎng)單晶硅生長(zhǎng) 2.3 硅片制造硅片制造542.1 2.1 多晶硅的制備多晶硅的制備制備

34、多晶硅，是采用地球上最普遍的原制備多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也稱硅石），就是二氧化硅，料石英砂（也稱硅石），就是二氧化硅，通過(guò)通過(guò)冶煉冶煉獲得多晶硅，再經(jīng)一系列化學(xué)獲得多晶硅，再經(jīng)一系列化學(xué)的、物理的的、物理的提純提純就制出半導(dǎo)體純度的多就制出半導(dǎo)體純度的多晶硅。晶硅。電子級(jí)多晶硅純度可達(dá)電子級(jí)多晶硅純度可達(dá)11N11N。55冶煉是采用木炭或其它含碳物質(zhì)如煤、焦冶煉是采用木炭或其它含碳物質(zhì)如煤、焦油等來(lái)還原石英砂，得到硅，硅的含量在油等來(lái)還原石英砂，得到硅，硅的含量在98-9998-99之間，稱為冶金級(jí)硅，也稱為粗硅之間，稱為冶金級(jí)硅，也稱為粗硅或硅鐵?；蚬梃F。 SiO2+2C

35、Si+ 2CO主要雜質(zhì)：主要雜質(zhì)：FeFe、AlAl、C C、B B、P P、Cu Cu 要進(jìn)一步提要進(jìn)一步提純。純。 561600-18002.1.2 2.1.2 提純提純酸洗酸洗 硅不溶于酸，粗硅初步提純是用硅不溶于酸，粗硅初步提純是用HCl、 H2SO4、王王水、水、HFHF等混酸泡洗至等混酸泡洗至i含量含量99.7%99.7%以上。以上。化學(xué)提純化學(xué)提純 蒸餾提純蒸餾提純 利用物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，而在精餾塔中通過(guò)精餾利用物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，而在精餾塔中通過(guò)精餾來(lái)對(duì)其進(jìn)行提純來(lái)對(duì)其進(jìn)行提純 。物理提純物理提純 Si + 3HCl SiHCl3 + H2 Si + 2Cl2 SiCl4分解分解 氫

36、氣易于凈化，且在氫氣易于凈化，且在SiSi中溶解度極低，因此，多用中溶解度極低，因此，多用H H2 2來(lái)還原來(lái)還原SiHCl3和和SiCl4，還原得到的硅就是半導(dǎo)體純度的多，還原得到的硅就是半導(dǎo)體純度的多晶硅。晶硅。 SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl SiHCl3 + H2 Si + 3HCl 572.2 單晶硅生長(zhǎng)單晶硅生長(zhǎng)采用熔體生長(zhǎng)法采用熔體生長(zhǎng)法制備單晶硅棒制備單晶硅棒多晶硅多晶硅熔體硅熔體硅單晶硅棒單晶硅棒 按制備時(shí)有無(wú)使用按制備時(shí)有無(wú)使用坩堝坩堝又分為兩類又分為兩類有坩堝的：直拉法、磁控直拉法；有坩堝的：直拉法、磁控直拉法；無(wú)坩堝的：懸浮區(qū)熔法無(wú)坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。 5

37、82.2 2.2 內(nèi)容內(nèi)容2.2.12.2.1 直拉法直拉法-Czochralski, CZ法法19181918年，切克勞斯基（年，切克勞斯基（J. CzochralskiJ. Czochralski）從熔融金屬中拉制出了金屬細(xì)燈絲。從熔融金屬中拉制出了金屬細(xì)燈絲。 在在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代初期，年代初期，G. K. TealG. K. Teal和和J. J. B. LittleB. Little采用類似的方法從熔融硅中拉采用類似的方法從熔融硅中拉制出了單晶硅錠，開(kāi)發(fā)出直拉法生長(zhǎng)單制出了單晶硅錠，開(kāi)發(fā)出直拉法生長(zhǎng)單晶硅錠技術(shù)。晶硅錠技術(shù)。 目前拉制的單晶硅錠直徑已可達(dá)目前拉制的單晶硅錠

38、直徑已可達(dá)450mm450mm，1818英寸。英寸。 60具體直拉方法具體直拉方法61在坩堝中放入多晶硅，在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔融，用一加熱使之熔融，用一個(gè)夾頭夾住一塊適當(dāng)個(gè)夾頭夾住一塊適當(dāng)晶向的晶向的籽晶籽晶，將它懸，將它懸浮在坩堝上，拉制時(shí)，浮在坩堝上，拉制時(shí)，一端插入熔體直到熔一端插入熔體直到熔化，然后再緩慢向上化，然后再緩慢向上提拉，這時(shí)在液提拉，這時(shí)在液- -固固界面經(jīng)過(guò)逐漸冷凝就界面經(jīng)過(guò)逐漸冷凝就形成了單晶。形成了單晶。1 1、CzCz法單晶爐法單晶爐四部分組成：四部分組成：爐體部分爐體部分 有坩堝、水有坩堝、水冷裝置和拉桿等機(jī)械冷裝置和拉桿等機(jī)械傳動(dòng)部分；傳動(dòng)部分；加熱控

39、溫系統(tǒng)加熱控溫系統(tǒng) 有光學(xué)有光學(xué)高溫計(jì)、加熱器、隔高溫計(jì)、加熱器、隔熱裝置等；熱裝置等；真空部分真空部分 有機(jī)械泵、有機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、測(cè)真空計(jì)等；擴(kuò)散泵、測(cè)真空計(jì)等；控制部分控制部分 電控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)等 62TDR-ATDR-A型單晶爐照片型單晶爐照片2 2、CZCZ法工藝流程法工藝流程準(zhǔn)備：準(zhǔn)備：腐蝕多晶腐蝕多晶- -準(zhǔn)備籽晶準(zhǔn)備籽晶- -裝爐裝爐- -真空操作真空操作 開(kāi)爐：開(kāi)爐：升溫升溫- -水冷水冷- -通氣通氣 生長(zhǎng)：生長(zhǎng)：引晶引晶- -縮晶縮晶- -放肩放肩- -等徑生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)- -收尾收尾 引晶引晶是將是將籽晶籽晶與熔體很好的接觸與熔體很好的接觸 縮晶縮晶是籽晶與晶錠間縮頸至

40、是籽晶與晶錠間縮頸至2-3mm2-3mm 放肩放肩是將晶體直徑放大至需要的尺寸是將晶體直徑放大至需要的尺寸等徑生長(zhǎng)等徑生長(zhǎng)是在拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)以是在拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)以一定速度一定速度提拉提拉，制出等徑單晶，制出等徑單晶收尾收尾是結(jié)束單晶生長(zhǎng)是結(jié)束單晶生長(zhǎng)。 停爐：降溫停爐：降溫- -停氣停氣- -停止抽真空停止抽真空- -開(kāi)爐開(kāi)爐63籽晶的作用籽晶的作用 籽晶是作為復(fù)制樣本，使拉制出的硅錠和籽晶是作為復(fù)制樣本，使拉制出的硅錠和籽晶有相同的晶向；籽晶有相同的晶向；籽晶是作為晶核，有較大晶核的存在可以籽晶是作為晶核，有較大晶核的存在可以減小熔體向晶體轉(zhuǎn)化時(shí)必須克服的能壘減小

41、熔體向晶體轉(zhuǎn)化時(shí)必須克服的能壘（即界面勢(shì)壘）（即界面勢(shì)壘）。籽晶對(duì)晶錠質(zhì)量有影響，所選籽晶應(yīng)晶格籽晶對(duì)晶錠質(zhì)量有影響，所選籽晶應(yīng)晶格完好，表面無(wú)劃痕、無(wú)氧化物完好，表面無(wú)劃痕、無(wú)氧化物64縮頸的作用縮頸的作用縮頸能終止拉單晶初期籽晶中縮頸能終止拉單晶初期籽晶中的位錯(cuò)、表面劃痕等缺陷，以的位錯(cuò)、表面劃痕等缺陷，以及籽晶與熔體連接處的缺陷向及籽晶與熔體連接處的缺陷向晶錠內(nèi)延伸。籽晶缺陷延伸到晶錠內(nèi)延伸。籽晶缺陷延伸到只有只有2-3mm2-3mm的頸部表面時(shí)就終的頸部表面時(shí)就終止了。止了。為保證拉制的硅錠晶格完整，為保證拉制的硅錠晶格完整，可以進(jìn)行多次縮頸。可以進(jìn)行多次縮頸。65縮頸作用示意圖縮頸作

42、用示意圖提拉速度控制提拉速度控制晶錠的拉升速度、轉(zhuǎn)速，坩堝轉(zhuǎn)速及溫度決定著晶晶錠的拉升速度、轉(zhuǎn)速，坩堝轉(zhuǎn)速及溫度決定著晶體直徑的大小，通常坩堝轉(zhuǎn)速及溫度是一定的，因體直徑的大小，通常坩堝轉(zhuǎn)速及溫度是一定的，因此此用提拉速度控制晶體直徑用提拉速度控制晶體直徑。晶錠質(zhì)量對(duì)提拉速度也很敏感，在靠近熔體處晶體晶錠質(zhì)量對(duì)提拉速度也很敏感，在靠近熔體處晶體的點(diǎn)缺陷濃度最高，快速冷卻能阻止這些缺陷結(jié)團(tuán)。的點(diǎn)缺陷濃度最高，快速冷卻能阻止這些缺陷結(jié)團(tuán)。點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)后多為位錯(cuò)環(huán)，這些環(huán)相對(duì)硅棒軸中心后多為位錯(cuò)環(huán)，這些環(huán)相對(duì)硅棒軸中心呈漩渦狀分布，呈漩渦缺陷。呈漩渦狀分布，呈漩渦缺陷。典型的拉桿提拉速度一般

43、在典型的拉桿提拉速度一般在10m/s10m/s左右。左右。66直拉法生長(zhǎng)單晶硅，坩堝污染影響大：直拉法生長(zhǎng)單晶硅，坩堝污染影響大：氧的引入：氧的引入：SiOSiO2 2Si+OSi+O2 2多采用液相摻雜，受雜質(zhì)分凝、雜質(zhì)蒸發(fā)影多采用液相摻雜，受雜質(zhì)分凝、雜質(zhì)蒸發(fā)影響摻雜濃度的均勻性較差。響摻雜濃度的均勻性較差?？v向縱向 考慮雜質(zhì)分凝考慮雜質(zhì)分凝橫向橫向 溫度場(chǎng)溫度場(chǎng) 673 3、CZCZ法缺點(diǎn)法缺點(diǎn)CZ法熔料中環(huán)流形成法熔料中環(huán)流形成熔體表面中心處溫度最低，坩熔體表面中心處溫度最低，坩堝壁面和底部溫度最高。熔體堝壁面和底部溫度最高。熔體的溫度梯度帶來(lái)密度梯度，坩的溫度梯度帶來(lái)密度梯度，坩堝壁

44、面和底部熔體密度最低，堝壁面和底部熔體密度最低，表面中心處熔體密度最高。地表面中心處熔體密度最高。地球重力場(chǎng)的存在使得坩堝上部球重力場(chǎng)的存在使得坩堝上部密度高的熔體向下，而底部、密度高的熔體向下，而底部、壁面密度低的熔體向上流動(dòng)，壁面密度低的熔體向上流動(dòng)，形成自然對(duì)流。形成自然對(duì)流。熔體流動(dòng)的危害：熔體流動(dòng)的危害： 1 1）引起生長(zhǎng)條紋的產(chǎn)生，）引起生長(zhǎng)條紋的產(chǎn)生，有損晶體均勻性；有損晶體均勻性； 2 2）對(duì)流使坩堝中的氧進(jìn)到）對(duì)流使坩堝中的氧進(jìn)到熔體表面，使晶體中氧量增加。熔體表面，使晶體中氧量增加。 68第二次課問(wèn)題：點(diǎn)缺陷主要有哪幾種？點(diǎn)缺陷主要有哪幾種？解釋雜質(zhì)的電活性？若摻入解釋雜質(zhì)

45、的電活性？若摻入AuAu后硅的電阻率后硅的電阻率并未變化，那么這并未變化，那么這AuAu有電活性么？有電活性么？雜質(zhì)的結(jié)團(tuán)作用是指什么？雜質(zhì)的結(jié)團(tuán)作用是指什么？固溶度是指什么？固溶度是指什么？69 2.2.2 2.2.2 單晶生長(zhǎng)原理單晶生長(zhǎng)原理熔體硅熔體硅晶體硅晶體硅晶體生長(zhǎng)過(guò)程也就是相變過(guò)程，是晶體生長(zhǎng)過(guò)程也就是相變過(guò)程，是相界面推移過(guò)程。相界面推移過(guò)程。701 1、結(jié)晶的熱力學(xué)條件、結(jié)晶的熱力學(xué)條件71熱力學(xué)原理：熱力學(xué)原理：在熱力學(xué)平衡狀態(tài)，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)，一切自發(fā)過(guò)程都是朝著系統(tǒng)吉布一切自發(fā)過(guò)程都是朝著系統(tǒng)吉布斯自由能降低的方向進(jìn)行。斯自由能降低的方向進(jìn)行。在一定過(guò)冷度下，液體中若

46、出在一定過(guò)冷度下，液體中若出現(xiàn)晶體，總吉布斯自由能變化現(xiàn)晶體，總吉布斯自由能變化為：為： G Gs s ( (T T, ,P P) ) G GL L ( (T T, ,P P)+)+A A過(guò)冷度越大自發(fā)過(guò)程越易發(fā)生過(guò)冷度越大自發(fā)過(guò)程越易發(fā)生- -過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件之一過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件之一吉布斯自由能與溫度的關(guān)系吉布斯自由能與溫度的關(guān)系過(guò)冷度：過(guò)冷度：T=TT=Tm m-T -T 界面能界面能，即，即界面張力界面張力G=UTS+pV=HTSG 0，是自發(fā)過(guò)程，是自發(fā)過(guò)程2 2、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)對(duì)單晶生長(zhǎng)速度進(jìn)行分析對(duì)單晶生長(zhǎng)速度進(jìn)行分析：固液界面處，熔體硅必須釋放熱固液界面處，熔體硅

47、必須釋放熱能（結(jié)晶潛能能（結(jié)晶潛能L L），并在界面處產(chǎn)生一大的溫度梯度（約），并在界面處產(chǎn)生一大的溫度梯度（約100/cm)100/cm)。分析一維情況，忽略對(duì)流和輻射，在界面處單。分析一維情況，忽略對(duì)流和輻射，在界面處單位體積內(nèi)的能流平衡時(shí)，有：位體積內(nèi)的能流平衡時(shí)，有：72lksk-液態(tài)和固態(tài)硅在熔融溫度下的熱導(dǎo)率液態(tài)和固態(tài)硅在熔融溫度下的熱導(dǎo)率dtdm- 質(zhì)量傳遞速度質(zhì)量傳遞速度兩個(gè)熱擴(kuò)散項(xiàng)都為正值，所以晶錠提升有兩個(gè)熱擴(kuò)散項(xiàng)都為正值，所以晶錠提升有一個(gè)一個(gè)最大提拉速度最大提拉速度最大提拉速度最大提拉速度假設(shè)向上擴(kuò)散到固體的熱量都由界面處結(jié)晶潛熱產(chǎn)生，假設(shè)向上擴(kuò)散到固體的熱量都由界面處

48、結(jié)晶潛熱產(chǎn)生，熔體部分沒(méi)有溫度梯度，則第一項(xiàng)為熔體部分沒(méi)有溫度梯度，則第一項(xiàng)為0 0，用長(zhǎng)度生長(zhǎng)速率，用長(zhǎng)度生長(zhǎng)速率表征：表征：dtdxAdtdm計(jì)算的最大提拉速度計(jì)算的最大提拉速度2.7mm/min2.7mm/min。實(shí)際熔體溫度梯度不為。實(shí)際熔體溫度梯度不為0 0，對(duì)流和輻射傳熱也不能忽略對(duì)流和輻射傳熱也不能忽略實(shí)際提拉速度是考慮實(shí)際提拉速度是考慮質(zhì)量質(zhì)量和和效率效率兩方面因素而定兩方面因素而定2.2.3 2.2.3 晶體摻雜晶體摻雜輕摻雜輕摻雜（ n n- -SiSi、p p- -SiSi），雜質(zhì)濃度在），雜質(zhì)濃度在1010141410101616/cm/cm3 3之間，多用于大功率整流

49、器件；之間，多用于大功率整流器件；中等摻雜中等摻雜（n n-SiSi、p p-Si Si ），雜質(zhì)濃度在），雜質(zhì)濃度在1010161610101818/cm/cm3 3之間，主要用于之間，主要用于ICIC和晶體管器件；和晶體管器件； 重?fù)诫s重?fù)诫s（n n+ +-Si pSi p+ +-SiSi），雜質(zhì)濃度在），雜質(zhì)濃度在1010181810102020 /cm/cm3 3之間，是外延用的單晶襯底。之間，是外延用的單晶襯底。74摻雜方式方法：摻雜方式方法：液相摻雜液相摻雜直接摻元素，母合金摻雜直接摻元素，母合金摻雜 氣相摻雜氣相摻雜 中子輻照（中子輻照（NTD）摻雜）摻雜-中子中子嬗變摻雜技術(shù)嬗

50、變摻雜技術(shù)75液相摻雜是直接在坩堝內(nèi)加入雜質(zhì)元素或?qū)㈦s質(zhì)制作為硅液相摻雜是直接在坩堝內(nèi)加入雜質(zhì)元素或?qū)㈦s質(zhì)制作為硅的合金再加入。在計(jì)算雜質(zhì)計(jì)量時(shí)必須考慮雜質(zhì)的的合金再加入。在計(jì)算雜質(zhì)計(jì)量時(shí)必須考慮雜質(zhì)的分凝分凝和和蒸發(fā)蒸發(fā)。分凝現(xiàn)象分凝現(xiàn)象：對(duì)于固：對(duì)于固- -液界面，由于雜質(zhì)在不同相中的溶解度液界面，由于雜質(zhì)在不同相中的溶解度不一樣，所以雜質(zhì)在界面兩邊材料中分布的平衡濃度是不不一樣，所以雜質(zhì)在界面兩邊材料中分布的平衡濃度是不同的；同的；分凝系數(shù)分凝系數(shù)k：對(duì)：對(duì)雜質(zhì)分凝作用的大小描述，雜質(zhì)分凝作用的大小描述，定義為定義為雜質(zhì)在固雜質(zhì)在固相中的溶解度與雜質(zhì)在液相中的溶解度之比：相中的溶解度與雜

51、質(zhì)在液相中的溶解度之比： k=Cs/Cl 761 1、液相摻雜、液相摻雜蒸發(fā)現(xiàn)象：蒸發(fā)現(xiàn)象：是指坩堝中熔體內(nèi)的雜質(zhì)從熔是指坩堝中熔體內(nèi)的雜質(zhì)從熔體表面蒸發(fā)到氣相中的現(xiàn)象；體表面蒸發(fā)到氣相中的現(xiàn)象；蒸發(fā)常數(shù)蒸發(fā)常數(shù)E：是用來(lái)是用來(lái)表征雜質(zhì)蒸發(fā)難易的表征雜質(zhì)蒸發(fā)難易的參數(shù)。參數(shù)。 N=EAClN:氣相雜質(zhì)濃度，氣相雜質(zhì)濃度，A:液相面積液相面積771 1、液相摻雜、液相摻雜硅中常見(jiàn)雜質(zhì)的硅中常見(jiàn)雜質(zhì)的k k和和e e分凝系數(shù)很小的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法分凝系數(shù)很小的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法蒸發(fā)常數(shù)太大的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法蒸發(fā)常數(shù)太大的雜質(zhì)不能用液相摻雜方法78硅中常見(jiàn)雜質(zhì)的分凝系數(shù)和蒸發(fā)常數(shù)硅中

52、常見(jiàn)雜質(zhì)的分凝系數(shù)和蒸發(fā)常數(shù)參數(shù)參數(shù)BAlGa In OPAsSb分凝系數(shù)分凝系數(shù)0.800.00180.00723.6*10-40.250.350.270.02蒸發(fā)常數(shù)蒸發(fā)常數(shù)510-610-410-3510-310-4510-3710-2分凝現(xiàn)象對(duì)雜質(zhì)分布均勻性影響分凝現(xiàn)象對(duì)雜質(zhì)分布均勻性影響在在CZCZ法晶錠中，若熔體結(jié)晶速度極為緩慢，雜質(zhì)在法晶錠中，若熔體結(jié)晶速度極為緩慢，雜質(zhì)在熔融液中始終均勻分布，且雜質(zhì)在固態(tài)晶體內(nèi)擴(kuò)散熔融液中始終均勻分布，且雜質(zhì)在固態(tài)晶體內(nèi)擴(kuò)散現(xiàn)象不明顯，則晶錠軸向雜質(zhì)分布濃度為：現(xiàn)象不明顯，則晶錠軸向雜質(zhì)分布濃度為：10)1 (ksXkCC式中，式中，C0-硅熔

53、體初始濃度；硅熔體初始濃度； X -已拉制出的晶體占硅總量的比例已拉制出的晶體占硅總量的比例舉例:從含有從含有0.01%0.01%磷或硼的熔料中拉硅錠，晶錠頂端雜磷或硼的熔料中拉硅錠，晶錠頂端雜質(zhì)的濃度？如果晶錠長(zhǎng)質(zhì)的濃度？如果晶錠長(zhǎng)1m1m，在何處雜質(zhì)濃度是頂端，在何處雜質(zhì)濃度是頂端濃度的濃度的2 2倍？倍？晶錠頂端晶錠頂端: :80182201057 . 10001. 035. 0105PC182201040001. 08 . 0105BC設(shè)分別在設(shè)分別在xP、xB處磷、硼雜質(zhì)濃度處磷、硼雜質(zhì)濃度為晶錠頂端雜質(zhì)濃度的為晶錠頂端雜質(zhì)濃度的2倍倍得：得：xP0.66m xB0.97m母合金摻雜

54、母合金摻雜將雜質(zhì)元素先制成硅的合金，如硅銻合金，硅硼將雜質(zhì)元素先制成硅的合金，如硅銻合金，硅硼合金，再按所需的計(jì)量摻入合金。這種方法適于合金，再按所需的計(jì)量摻入合金。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。制備一般濃度的摻雜。母合金摻雜原因母合金摻雜原因：摻入雜質(zhì)劑量很小，如果采用：摻入雜質(zhì)劑量很小，如果采用合金的話，就能增加摻入計(jì)量，從而合金的話，就能增加摻入計(jì)量，從而減小誤差減小誤差。舉例：舉例：=1.cm=1.cm，n-Sin-Si，雜質(zhì)為砷時(shí)，由，雜質(zhì)為砷時(shí)，由- -n n曲曲線，砷雜質(zhì)濃度線，砷雜質(zhì)濃度6 6* *10101515/cm/cm3 3, ,硅單位體積原子數(shù)硅單位體積原子數(shù)5 5

55、* *10102222/cm/cm3 3，5 5千克硅，只需摻入千克硅，只需摻入1 1毫克砷，計(jì)量很毫克砷，計(jì)量很小，誤差難免，小，誤差難免，812 2、氣相摻雜、氣相摻雜在單晶爐內(nèi)通入的惰在單晶爐內(nèi)通入的惰性氣體中加入一定量性氣體中加入一定量的含摻雜元素的雜質(zhì)的含摻雜元素的雜質(zhì)氣體。在雜質(zhì)氣氛下，氣體。在雜質(zhì)氣氛下，蒸發(fā)常數(shù)小的雜質(zhì)部蒸發(fā)常數(shù)小的雜質(zhì)部分溶入熔體硅中，摻分溶入熔體硅中，摻入單晶體內(nèi)。入單晶體內(nèi)。無(wú)坩堝的懸浮區(qū)熔法無(wú)坩堝的懸浮區(qū)熔法生長(zhǎng)單晶時(shí)，一般采生長(zhǎng)單晶時(shí)，一般采用氣相摻雜方法。用氣相摻雜方法。 823 3、中子輻照（、中子輻照（NTDNTD）摻雜）摻雜NTD法是一種內(nèi)摻雜

56、方法，將本征硅單晶放在核法是一種內(nèi)摻雜方法，將本征硅單晶放在核反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照，使硅中的天然同位素反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照，使硅中的天然同位素30Si俘獲中子后產(chǎn)生不穩(wěn)定的俘獲中子后產(chǎn)生不穩(wěn)定的31Si, 釋放一個(gè)電子釋放一個(gè)電子后生成穩(wěn)定的后生成穩(wěn)定的31P，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅單晶的磷摻雜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硅單晶的磷摻雜硅有三種同位素：其中硅有三種同位素：其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象：有中子嬗變現(xiàn)象：28Si ：92.28% , 29Si ：4.67% , 30Si ：3.05%， 30Si 31Si+ 31Si 31P+e83中子中子半衰期半衰期2.62h中子輻照摻雜特點(diǎn)中子輻照摻雜特點(diǎn)得到高均勻性的得

57、到高均勻性的NTDNTD硅單晶。硅單晶。最大摻雜濃度，最大摻雜濃度，1.53*1021/cm3 為了消除硅單晶在反應(yīng)堆中受到中子輻照而為了消除硅單晶在反應(yīng)堆中受到中子輻照而產(chǎn)生的快中子轟擊位錯(cuò)、產(chǎn)生的快中子轟擊位錯(cuò)、通量感生位錯(cuò)等通量感生位錯(cuò)等輻照損傷缺陷，提高中照單晶的少子壽命，輻照損傷缺陷，提高中照單晶的少子壽命，需要將需要將NTDSiNTDSi在在HClHCl、O O2 2、和、和ArAr氣氛中進(jìn)行高氣氛中進(jìn)行高溫溫(800(800950)950)熱處理。熱處理。842.2.4 磁控直拉法（磁控直拉法（MCZ法）法） 在直拉法單晶爐上附加了一在直拉法單晶爐上附加了一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)，工藝與

58、一個(gè)穩(wěn)定的強(qiáng)磁場(chǎng)，工藝與一般直拉法相同，能生長(zhǎng)大直般直拉法相同，能生長(zhǎng)大直徑的，無(wú)氧的，均勻的單晶徑的，無(wú)氧的，均勻的單晶硅。硅。在在CZ法單晶爐上加一強(qiáng)磁法單晶爐上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，高傳導(dǎo)熔體硅的流動(dòng)因場(chǎng)，高傳導(dǎo)熔體硅的流動(dòng)因切割磁力線而產(chǎn)生洛侖茲力，切割磁力線而產(chǎn)生洛侖茲力，這相當(dāng)于增強(qiáng)了熔體的粘性，這相當(dāng)于增強(qiáng)了熔體的粘性，熔體對(duì)流受阻。熔體對(duì)流受阻。洛侖茲力洛侖茲力 F=qB85 MCZ單晶爐單晶爐西安理工大學(xué)工廠承擔(dān)的國(guó)家西安理工大學(xué)工廠承擔(dān)的國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目，計(jì)劃項(xiàng)目，07年年6月月15日通過(guò)了中國(guó)科技部的驗(yàn)收日通過(guò)了中國(guó)科技部的驗(yàn)收 磁場(chǎng)方向磁場(chǎng)方向86電 流 方向VMCZ1）縱向磁場(chǎng)HMCZ2）橫向磁場(chǎng)3）尖角形磁場(chǎng) 各種各種MCZ爐的磁場(chǎng)分布爐的磁場(chǎng)分布軸向MCZ法拉制法拉制Si棒照片棒照片北京有色金屬總院采用北京有色金屬總院采用MCZ法生產(chǎn)的法生產(chǎn)的12吋硅吋硅棒，等經(jīng)長(zhǎng)棒，等經(jīng)長(zhǎng)400mm，晶體重晶體重81Kg。872.2.5 懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法（FZ法） 多晶與單晶均由夾具夾著，由多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮