1、第第1 1章章硅材料与衬底制备2023年5月18日2l半导体材料的分类与基本特性半导体材料的分类与基本特性l半导体材料硅的结构特征半导体材料硅的结构特征l集成电路对硅材料的要求集成电路对硅材料的要求l半导体硅原材料的提纯半导体硅原材料的提纯l大直径硅单晶的制备方法大直径硅单晶的制备方法l半导体单晶材料中的缺陷及有害杂质半导体单晶材料中的缺陷及有害杂质l杂质吸除技术杂质吸除技术l单晶棒的整形与定向单晶棒的整形与定向l晶片加工晶片加工主主 要要 内内 容容2023年5月18日32023年5月18日41.0 集成电路材料集成电路材料 分分 类类材材 料料电电 导导 率率导体导体铝、金、钨、铜等金铝、
2、金、钨、铜等金属，镍铬等合金属，镍铬等合金105 Scm-1半导体半导体硅、锗、砷化镓、磷硅、锗、砷化镓、磷化铟等化铟等10-910-2 Scm-1绝缘体绝缘体SiO2(二氧化硅二氧化硅)、SiON(氮氧氮氧化硅化硅)、Si3N4(氮化硅氮化硅)等等10-2210-14 Scm-1硅、砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料硅、砷化镓和磷化铟是最基本的三种半导体材料半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用，掺入杂质可改变电导半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用，掺入杂质可改变电导率率/热敏效应热敏效应/光电效应光电效应 2023年5月18日5金属材料金属材料金属材料的功能、作用：金属
3、材料的功能、作用：1.形成器件电极的欧姆接触或肖特基结接触形成器件电极的欧姆接触或肖特基结接触2.形成器件间的互连线形成器件间的互连线3.形成与外界焊接用的焊盘形成与外界焊接用的焊盘4.构成低值电阻构成低值电阻5.构成电容元件的极板构成电容元件的极板6.构成电感元件的绕线构成电感元件的绕线2023年5月18日6n半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类半导体表面制作了金属层后，根据金属的种类及半导体掺杂浓度的不同，可形成及半导体掺杂浓度的不同，可形成肖特基型接触或欧姆接触肖特基型接触或欧姆接触=如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成如果掺杂浓度较低，金属和半导体结合面形成肖特基型接肖特基型接
4、触触，构成，构成肖特基二极管肖特基二极管。=如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应可以抵消势垒的影如果掺杂浓度足够高，以致于隧道效应可以抵消势垒的影响，那么就形成了响，那么就形成了欧姆接触欧姆接触(双向低欧姆电阻值双向低欧姆电阻值)。n器件互连材料包括器件互连材料包括 金属，合金，多晶硅，金属硅化物金属，合金，多晶硅，金属硅化物2023年5月18日7ICIC制造用金属材料制造用金属材料n铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI制造中起着重要作用。这是由于这些金属及制造中起着重要作用。这是由于这些金属及合金有着独特的属性。如对合金有着独特的属性。如
5、对Si及绝缘材料有及绝缘材料有良好的良好的附着力，高导电率，可塑性，容易制造，并容易与附着力，高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。外部连线相连。n纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等联线，栅及电容、电感、传输线的电极等2023年5月18日8铝（铝（Al）及铝合金）及铝合金n在在Si基基VLSI技术中，由于技术中，由于Al几乎可满足金属连接的几乎可满足金属连接的所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线。所有要求，被广泛用于制作欧姆接触及导线。n随着器件尺寸的日益减小，金属化区域的宽度也越随着器件尺
6、寸的日益减小，金属化区域的宽度也越来越小，故连线电阻越来越高，其来越小，故连线电阻越来越高，其RC常数是限制电常数是限制电路速度的重要因素。路速度的重要因素。n要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或合金是一要减小连线电阻，采用低电阻率的金属或合金是一个值得优先考虑的方法。个值得优先考虑的方法。2023年5月18日9n在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不到可靠度在纯金属不能满足一些重要的电学参数、达不到可靠度的情况下，的情况下，IC金属化工艺中采用合金。金属化工艺中采用合金。n硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子硅铝、铝铜、铝硅铜等合金已用于减小峰值、增大电子迁移率、增强扩散屏蔽，
7、改进附着特性等。或用于形成迁移率、增强扩散屏蔽，改进附着特性等。或用于形成特定的肖特基势垒。例如特定的肖特基势垒。例如,稍微在稍微在Al中多加中多加1wt%的的Si即可使即可使Al导线上的缺陷减至最少，而在导线上的缺陷减至最少，而在Al中加入少量中加入少量Cu，则可使电子迁移率提高，则可使电子迁移率提高10 1000倍；倍；n通过金属之间或与通过金属之间或与Si的互相掺杂可以增强热稳定性的互相掺杂可以增强热稳定性2023年5月18日10铜铜(Cu)n因为铜的电阻率为因为铜的电阻率为1.7 cm,比铝比铝3.1 cm的电的电阻率低阻率低,今后今后,以铜代铝将成为半导体技术发展的趋势以铜代铝将成为
8、半导体技术发展的趋势.nIBM公司最早推出铜布线的公司最早推出铜布线的CMOS工艺工艺,实现了实现了400MHz Power PC芯片芯片.n0.18 m的的CMOS工艺中几乎都引入了铜连线工艺工艺中几乎都引入了铜连线工艺.2023年5月18日11多晶硅多晶硅n多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。多晶硅与单晶硅都是硅原子的集合体。n多晶硅特性随结晶度与杂质原子而改变多晶硅特性随结晶度与杂质原子而改变。非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为非掺杂的多晶硅薄层实质上是半绝缘的，电阻率为 cm。通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在通过不同杂质的组合，多晶硅的电阻率可被控制在500-0.0
9、05 cmn多晶硅被广泛用于电子工业。在多晶硅被广泛用于电子工业。在MOS及双极器件中，及双极器件中，多晶硅用制作栅极、形成源极与漏极（或双极器件的多晶硅用制作栅极、形成源极与漏极（或双极器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的结的扩散源、高值电阻等（例）。扩散源、高值电阻等（例）。2023年5月18日12多晶硅的制造技术多晶硅的制造技术n多晶硅层可用溅射法或多晶硅层可用溅射法或CVD法法(一种外延生长技术）一种外延生长技术）沉淀。沉淀。n多晶硅可用扩散法、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅多晶硅可用扩散法、注入法掺杂，也可在沉淀多晶硅的同时通入杂质
10、气体（的同时通入杂质气体（In-Situ法）来掺杂。法）来掺杂。n扩散法形成的杂质浓度很高（扩散法形成的杂质浓度很高（=1021cm-3），故电阻率），故电阻率很小。很小。n注入法的杂质浓度为注入法的杂质浓度为 1020cm-3，电阻率约是它的，电阻率约是它的10倍。倍。n而而In-Situ法的浓度为法的浓度为1020-1021cm-3。n三种掺杂工艺中，后两种由于可在较低的工艺温度下进行三种掺杂工艺中，后两种由于可在较低的工艺温度下进行而在而在VLSI工艺中被优先采用。工艺中被优先采用。2023年5月18日13绝缘材料SiO2、SiON和和Si3N4是是 IC 中常用的几种绝缘材料中常用的几
11、种绝缘材料 n构成构成MOS（金属（金属-氧化物氧化物-半导体）器件的栅绝缘层半导体）器件的栅绝缘层n充当离子注入及热扩散的掩膜充当离子注入及热扩散的掩膜n构成防止器件表面机械损伤和化学污染的钝化层构成防止器件表面机械损伤和化学污染的钝化层n电隔离电隔离 n构成电容的介质构成电容的介质2023年5月18日14集成电路用半导体材料：集成电路用半导体材料：硅、锗、砷化镓、磷化铟硅、锗、砷化镓、磷化铟 性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接直接晶格电子迁移率（cm2/Vs）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/Vs）4801900250本征载流子浓
12、度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征电阻率（cm）2.3105471082023年5月18日15性质性质SiGeGaAsSiO2原子序数143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.0010224.4210222.2110222.301022晶体结构金刚石金刚石闪锌矿无规则网络晶格常数（）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（V/m）30835600熔点（）141793712381700蒸汽压（托）10-7（10
13、50）10-7（880）1（1050）10-3（1050）比热（J/g）0.700.310.351.00热导率（热导率（W/cm）1.500.60.80.01扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数（1/）2.510-65.810-65.910-60.510-6有效态密度（cm-3）导带Nc价带Nv2.810191.010191.010196.010184.710177.010182023年5月18日16锗（锗（Ge）：）：漏电流大：禁带宽度窄，仅漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)；工作温度低：工作温度低：75(Si:150)；GeO2:易水解
14、易水解(SiO2稳定稳定)；本征电阻率低：本征电阻率低：47cm(Si:2.3105cm)；成本高。成本高。优点：优点：电子和空穴迁移率均高于电子和空穴迁移率均高于Si最新应用研究：最新应用研究：应变应变Ge技术技术-Ge沟道沟道MOSFET2023年5月18日17砷化镓砷化镓(GaAs)n能工作在超高速超高频能工作在超高速超高频载流子迁移率更高，近乎半绝缘的电阻率载流子迁移率更高，近乎半绝缘的电阻率nGaAs的优点的优点fT可达可达150GHz可制作发光器件可制作发光器件工作在更高的温度工作在更高的温度更好的抗辐射性能更好的抗辐射性能nGaAs IC 的三种有源器件的三种有源器件:MESFE
15、T,HEMT 和和 HBT 2023年5月18日18磷化铟磷化铟(InP)n能工作在超高速超高频能工作在超高速超高频n三种有源器件三种有源器件:MESFET、HEMT和和HBT n广泛应用于光纤通信系统中广泛应用于光纤通信系统中 2023年5月18日19硅硅 (Si)储量丰富，便宜，占地壳重量储量丰富，便宜，占地壳重量25%以上，以上，SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；较大的禁带宽度较大的禁带宽度(1.12eV)，较宽工作温度范围；，较宽工作温度范围；单晶直径最大，目前单晶直径最大，目前18英吋英吋(450mm)，每，每3年增加年增加1英吋；英
16、吋；SiO2:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质(多层布线多层布线)、绝缘栅、绝缘栅、MOS电容的介质材料；电容的介质材料；多晶硅多晶硅(Poly-Si)：栅电极、杂质扩散源、互连线：栅电极、杂质扩散源、互连线 (比铝布线灵活比铝布线灵活)；研究最深入、了解最清楚的物质；纯度最高的材料；直径最大的单晶。研究最深入、了解最清楚的物质；纯度最高的材料；直径最大的单晶。2023年5月18日20硅硅 (Si)基于硅的多种工艺技术：基于硅的多种工艺技术：n双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）n结型场效应管（结型场效应管（J-FET）nP型、型、N型型MOS场效应管（场效
17、应管（PMOS/NMOS）nCMOSn双极双极 CMOS（BiCMOS）价格低廉、取材广泛，占领了价格低廉、取材广泛，占领了90的的 IC市场。市场。2023年5月18日21材料系统材料系统n材料系统指的是在由一些基本材料，如材料系统指的是在由一些基本材料，如Si,GaAs或或InP制成的衬底上或衬底内，用其制成的衬底上或衬底内，用其它物质再生成一层或几层材料。它物质再生成一层或几层材料。n材料系统与掺杂过的材料之间的区别材料系统与掺杂过的材料之间的区别:在掺杂材料中在掺杂材料中,掺杂原子很少掺杂原子很少 在材料系统中在材料系统中,外来原子的比率较高外来原子的比率较高2023年5月18日22半
18、导体材料系统半导体材料系统n半导体材料系统是指不同质（异质）的几种半导体材料系统是指不同质（异质）的几种半导体半导体(GaAs与与AlGaAs,InP与与InGaAs和和Si与与SiGe等等)组成的层结构。组成的层结构。n应用应用:制作异质结双极性晶体管制作异质结双极性晶体管HBT。制作高电子迁移率晶体管制作高电子迁移率晶体管HEMT。制作高性能的制作高性能的LED及及LD。2023年5月18日23半导体半导体/绝缘体材料系统绝缘体材料系统n半导体半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅
19、(SOI:Silicon On Insulator)。n注入氧隔离（注入氧隔离（SIMOX）和晶片粘接两种）和晶片粘接两种SOI制造技术制造技术nSOI:由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，电电极与衬底之间的寄生电容大大的减少。器件的速度更快，极与衬底之间的寄生电容大大的减少。器件的速度更快，功率更低。功率更低。2023年5月18日242023年5月18日25导电能力随导电能力随温度温度上升而迅速增加上升而迅速增加如：如：300K300K下在纯净硅中掺入下在纯净硅中掺入微量微量的杂质磷原子，使硅的纯的杂质磷原子，使硅的纯度为度为99.999999.9
20、999，其电阻率由，其电阻率由2140021400cmcm变为变为0.20.2cmcm。2023年5月18日26310)K300T(icm106.1npn 当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素(P、As)时，硅中多数载流子为时，硅中多数载流子为电子电子 N型半导体型半导体。掺杂浓度用。掺杂浓度用ND(CD)表示。表示。当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素(B、Al)时，硅中多数载流子为时，硅中多数载流子为空穴空穴 P型半导体型半导体。掺杂浓度用。掺杂浓度用NA(CA)表示。表示。kT2/E2/3igeAT)T(n T ni(T)当硅中掺入当硅中掺入两种杂质两种杂质(B、P)时，时，补偿半导体补偿半导体
21、。如如NDNA，则补偿后为，则补偿后为N型；型；NAND，则补偿后为，则补偿后为P型；型；ND=NA补偿型本征半导体。补偿型本征半导体。2023年5月18日273.1 3.1 晶胞晶胞1 1、晶格、晶格2023年5月18日28简单立方简单立方 体心立方体心立方 面心立方面心立方2 2、晶胞、晶胞定义：最大限度地反映晶体对称性质的最小单元定义：最大限度地反映晶体对称性质的最小单元2023年5月18日29 300K300K时，硅的时，硅的a=5.4305a=5.4305,锗的锗的a=5.6463a=5.6463 硅晶胞（金刚石结构）硅晶胞（金刚石结构）两套面心立方格子沿体心对角线位移四分之一长度套
22、构而成两套面心立方格子沿体心对角线位移四分之一长度套构而成2 2、晶胞、晶胞2023年5月18日303.2 原子密度 顶角：1/8；面心：1/2 ；体心：4 一个硅晶胞中的原子数:8*1/8+6*1/2+4=8 每个原子所占空间体积为：a3/8 硅晶胞的原子密度:8/a3=51022/cm3 锗晶胞的原子密度:8/a3=4.4251022/cm3原子密度：原子个数原子密度：原子个数/单位体积单位体积2023年5月18日313.3 共价四面体共价四面体 一个原子在正四面体的中心，其它四个同它共一个原子在正四面体的中心，其它四个同它共价的原子位于正四面体的顶点，这种四面体称价的原子位于正四面体的顶
23、点，这种四面体称为共价四面体。为共价四面体。最小原子间距：即正四面体中心原子到顶角原最小原子间距：即正四面体中心原子到顶角原子的距离，即晶胞对角线长的四分之一。子的距离，即晶胞对角线长的四分之一。硅的晶体结构：硅的晶体结构：2023年5月18日323.4 晶体内部的空隙晶体内部的空隙 硅原子半径：rsi=1.17 硅原子体积:单位原子在晶格中占有的体积：空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶格中占有的体积 约为34%a83334iSr381a返回返回空隙为杂质在其中存在并空隙为杂质在其中存在并运动创造了条件。运动创造了条件。2023年5月18日333.5晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型
24、1 晶向l晶列：晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上系上l晶向：晶向：一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记。的矢量的方向来标记。l晶向指数：晶向指数：m1,m2,m3;l原子线密度：原子线密度：原子个数原子个数/单位长度单位长度 不同不同 晶向氧化速率、腐蚀速率不同晶向氧化速率、腐蚀速率不同 方向上的原子线密度最大方向上的原子线密度最大2023年5月18日34晶向的表示方法晶向的表示方法2023年5月18日35等效晶向（等效晶向（1 1）:有些晶向在空间位向上不同，但晶向
25、原子排列情况相同，这些晶有些晶向在空间位向上不同，但晶向原子排列情况相同，这些晶向可归为一个向可归为一个晶向族晶向族.同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。而等同。2023年5月18日36等效晶向（等效晶向（2 2）2023年5月18日372 晶面晶面 晶面：晶面：晶格中的原子处在的一系列彼此晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系平行的平面系 晶面方向：晶面方向：晶面的法线方向，可由相邻晶面的法线方向，可由相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数来标识。数来标识。晶面指数：晶面指数：(h1,h2,h3）;h1,h2,
26、h3 原子面密度：原子面密度：原子个数原子个数/单位面积单位面积l（110）面上的原子密度最大）面上的原子密度最大2023年5月18日38等效晶面等效晶面:晶面族晶面族在晶体内在晶体内凡晶面间距和晶面上原子排列分布情况完全相同，只凡晶面间距和晶面上原子排列分布情况完全相同，只是空间位向不同的一组晶面的集合是空间位向不同的一组晶面的集合称为称为晶面族晶面族。用花括号用花括号 hklhkl 表示。表示。它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。2023年5月18日39ABAB六角密积六角密积（镁型）（镁型）ABCABC立方密积立方密积（铜型）（铜型）堆
27、积模型图堆积模型图2023年5月18日40六角密积2023年5月18日41立方密积：立方密积：第三层的另一第三层的另一种排列方式，是将球对准种排列方式，是将球对准第一层的第一层的 2，4，6 位，不位，不同于同于 AB 两层的位置，这是两层的位置，这是 C 层。层。1234561234561234562023年5月18日42硅硅（111）面）面为双层立方密积结构为双层立方密积结构n硅单晶由两套面心立方结构套构而硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有成，有双层密排面双层密排面AABBCCn双层密排面双层密排面：原子距离最近，原子距离最近，面内原子结合力强，能量最低，腐蚀困，能量最低，腐蚀困难，容易
28、暴露在表面，在晶体生长难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为中有表面成为111晶面的趋势。晶面的趋势。n两层双层密排面之间两层双层密排面之间：原子距离最原子距离最远，远，面间结合脆弱，晶格缺陷容易结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着很容易沿着111晶面劈裂，这种晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的易劈裂的晶面称为晶体的解理面。解理面。2023年5月18日43双层原子面双层原子面相邻的相邻的双层原子面双层原子面a123最小面间距：最小面间距：a43最大面间距：最大面间距：解理面解理面2023年5月18日44晶面晶面100 100 1
29、10 110 111111 相邻双原子面间相邻双原子面间(解理面解理面)双原子面内双原子面内面间距面间距a/4a/4 2a/42a/4 3 3a/4 a/4(max)(max)3a/123a/12(min)(min)原子面密度原子面密度2/a2/a2 2(min)(min)2 2 2/2/a a2 24 4 3/33/3a a2 24 4 3/33/3a a2 2晶面间共价晶面间共价键面密度键面密度4/a4/a2 2 2 2 2/2/a a2 24 4 3/33/3a a2 2 (min)(min)4 4 3/3/a a2 2 (max)(max)可用键密度可用键密度2/a2/a2 22 2
30、2/2/a a2 22 2 3/33/3a a2 22 2 3/3/a a2 22023年5月18日45111111晶面性质：v 1.1.由于由于111111双层密排面面内原子结合力强，面间双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱，故结合力弱，故晶体易沿晶体易沿111111解理面劈裂解理面劈裂v 2.2.面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上所以腐蚀后容易暴露在表面上v 3.3.由于由于111111双层密排面之间距离很大，结合力弱双层密排面之间距离很大，结合力弱,晶格缺陷易在面间形成和扩展晶格缺陷易在面间形成和扩展v 4.
31、4.面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成（111111）晶面的趋势）晶面的趋势返回返回2023年5月18日46N N型或型或P P型，型，n n p p ;大小，径向、轴向及微区均匀性和真实性要高；大小，径向、轴向及微区均匀性和真实性要高；均匀性和真实性要高；均匀性和真实性要高；无晶格缺陷和有害杂质沉积；无晶格缺陷和有害杂质沉积；标识出反映衬底材料晶向的主、次定位面。标识出反映衬底材料晶向的主、次定位面。双极型器件要求用双极型器件要求用晶向的单晶；晶向的单晶；MOSMOS器件要器件要求用求用晶向的单晶。晶向的单晶。2023年5月18日472023
32、年5月18日48原料(石英石-SiO2）粗硅四氯化硅高纯四氯化硅高纯多晶硅高温碳还原SiO2+2C=Si+2CO(16001800)高温氯化Si+2Cl2=SiCl2(500700氯化)冷凝后为液态精馏提纯多级物化精馏高温氢还原SiCl4+2H2=Si+4HCl(10001200)2023年5月18日49502023年5月18日精馏提纯精馏提纯氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除氯化硅中还含有游离氯。提纯的目的就是要除去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质去粗三氯氢硅和粗四氯化硅的杂质 精馏是蒸馏时所产生的蒸汽与精馏是蒸馏时所产生的蒸汽与蒸汽冷凝时得到的液体相互作蒸汽冷凝时得到的液体相互作用，使气
33、相中高沸点组分和液用，使气相中高沸点组分和液相中低沸点组分以相反方向进相中低沸点组分以相反方向进行多次冷凝和汽化，来达到较行多次冷凝和汽化，来达到较完全分离混合物的过程。完全分离混合物的过程。热水热水塔釜塔釜塔板塔板冷凝器冷凝器512023年5月18日 精馏精馏精馏是多次简单蒸馏的组精馏是多次简单蒸馏的组合。精馏合。精馏塔底部是加热区塔底部是加热区，温度最高；温度最高；塔顶温度最低塔顶温度最低。精馏结果，塔顶冷凝收集精馏结果，塔顶冷凝收集的是纯低沸点组分，纯高的是纯低沸点组分，纯高沸点组分则留在塔底。精沸点组分则留在塔底。精馏塔有多种类型，如图所馏塔有多种类型，如图所示是泡罩式塔板状精馏塔示是
34、泡罩式塔板状精馏塔的示意图。的示意图。实际生产中，在精实际生产中，在精馏柱及精馏塔中精馏时，馏柱及精馏塔中精馏时，部分气化和部分冷凝是部分气化和部分冷凝是同时进行的同时进行的。522023年5月18日n精馏是一种很有效的提纯手段，一次全精馏是一种很有效的提纯手段，一次全过程，过程，SiHClSiHCl3 3的纯度可从的纯度可从98%98%提纯到提纯到9 9个个“9 9”到到1010个个“9 9”，而且可连续生产，故，而且可连续生产，故精馏是精馏是SiHClSiHCl3 3提纯的主要方法提纯的主要方法。2023年5月18日532023年5月18日54）)2023年5月18日55直拉法直拉法-Cz
35、ochralski法法(CZ法法)n19181918年，切克劳斯基（年，切克劳斯基（J.J.CzochralskiCzochralski）从熔融金属）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。中拉制出了金属细灯丝。n在在2020世纪世纪5050年代初期，年代初期，G.K.G.K.TealTeal和和J.B.LittleJ.B.Little采用类采用类似的方法从熔融硅中拉制出似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。生长单晶硅锭技术。直拉法生长单晶硅装置示意图2023年5月18日56直拉法直拉法-具体方法具体方法在坩埚中放入多晶硅，在坩埚中放入多晶硅，加热使
36、之熔融，用一加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当个夹头夹住一块适当晶向的晶向的籽晶籽晶，将它悬，将它悬浮在坩埚上，拉制时，浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上化，然后再缓慢向上提拉，这时在液提拉，这时在液-固界固界面经过逐渐冷凝就形面经过逐渐冷凝就形成了单晶。成了单晶。2023年5月18日57单晶炉单晶炉四部分组成：四部分组成：炉体部分炉体部分 有坩埚、水冷有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传装置和拉杆等机械传动部分；动部分；加热控温系统加热控温系统 有光学高有光学高温计、加热器、隔热温计、加热器、隔热装置等；装置等；真空部分真空部分 有机械泵、扩有机械泵、扩散
37、泵、测真空计等；散泵、测真空计等；控制部分控制部分 电控系统等电控系统等 图2-2 TDR-A型单晶炉照片2023年5月18日58单晶生长过程单晶生长过程2023年5月18日59直拉法生长单晶过直拉法生长单晶过程示意图程示意图细颈细颈 放肩放肩 等径等径 收尾收尾 引晶引晶 籽晶轴籽晶轴多晶硅多晶硅收尾收尾 等径等径 放肩放肩 细颈细颈 引晶引晶 2023年5月18日60籽晶预热籽晶预热：位置，熔硅上方；目的，避免对热场的扰动太大；：位置，熔硅上方；目的，避免对热场的扰动太大；将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶烤晶”，以以除去表面挥发
38、性杂质同时可减少热冲击。除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控温使熔当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控温使熔体在籽晶上结晶；与熔硅接触：体在籽晶上结晶；与熔硅接触：温度太高温度太高-籽晶熔断籽晶熔断；温度太温度太低低-过快结晶；过快结晶；合适温度合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触，既不会进籽晶与熔硅可长时间接触，既不会进一步融化，也不会生长一步融化，也不会生长引晶引晶(下种下种)2023年5月18日61缩颈（缩颈（收颈收颈）n缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接
39、处的缺陷向晶锭内延伸。缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止的颈部表面时就终止了了。n直径：直径：2-3mm；长度：；长度：20mm；拉速：；拉速：3.5mm/minn为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。2023年5月18日62 放肩放肩放肩放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度（：缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40）及拉速）及拉速（0.4mm/min），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。），让晶体逐渐长大到所需的直径为止。收肩收肩：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直
40、当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大。径不再增大。当肩部直径比所需直径小当肩部直径比所需直径小3-5mm时，提高时，提高拉速拉速,拉速：拉速：2.5mm/min2023年5月18日63等径生长等径生长收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速。控制温度和拉速。拉速：拉速：1.3-1.5mm/min；熔硅液面在温度场保持相对固定熔硅液面在温度场保持相对固定2023年5月18日64收晶收晶（收尾、尖形）（收尾、尖形）晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度
41、不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。2023年5月18日65固固过过液液2023年5月18日66直拉法生长单晶的热传递过程直拉法生长单晶的热传递过程2023年5月18日67llsssdzdTkdzdTkdtdW)()()(ssdzdTkJ)(1 lldzdTkJ)(2 固固过过液液)()(dtdzdtdWs 2023年5月18日68ssssdzdTkdtdz)(max)(ssssdzdTkdtdz)(max)(由由上上式式可可得得：时，当0)(ldzdTmaxmax22zrtRl dzdTRrdtdzRrgl 2222max)(max2023年5月18
42、日690lSOCC lSOeCC 2023年5月18日70)5()CzCD(ttCl1 sollsolC)Dzexp()CC()z(C 0tC 平衡时平衡时杂质通杂质通量总和量总和为零为零lSOelSOCCCC 02023年5月18日71)Dexp()1(CClll000lSOe 1ls0lesoe)WW1(CC 2023年5月18日722/1DL10608.1d3 2023年5月18日732023年5月18日742023年5月18日75 2023年5月18日762023年5月18日77用途用途 主要用来对高阻区熔单晶主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性电阻率的均匀性进行调整。进行调整。利用硅
43、中存在的三种均匀分布的稳定的利用硅中存在的三种均匀分布的稳定的2828SiSi，2929SiSi，3030SiSi同位素同位素(含量分别为含量分别为92.21%,4.7%,3.0%)92.21%,4.7%,3.0%)在热中子辐照在热中子辐照下发生下发生嬗变反应嬗变反应，生成，生成3131SiSi蜕变后形成稳定的蜕变后形成稳定的3131P P，从而，从而使硅单晶中的使硅单晶中的磷含量增加磷含量增加，形成掺杂。，形成掺杂。2023年5月18日782023年5月18日792023年5月18日80主要来源主要来源2023年5月18日81点缺陷点缺陷 空位、填隙原子等引起的晶格周期性的破空位、填隙原子等
44、引起的晶格周期性的破坏，坏，发生在一个或几个晶格常数的限度范围内发生在一个或几个晶格常数的限度范围内的的缺陷。如：空位、填隙原子。缺陷。如：空位、填隙原子。线缺陷线缺陷 晶格周期性的破坏发生晶格周期性的破坏发生在晶体内部一条线在晶体内部一条线周围邻近处周围邻近处的缺陷。如位错的缺陷。如位错(刃位错、螺旋位错、刃位错、螺旋位错、混合位错混合位错)面缺陷面缺陷 原子层的排列发生错误原子层的排列发生错误而出现的缺陷。如：而出现的缺陷。如：层错、多晶硅的晶粒间界层错、多晶硅的晶粒间界体缺陷体缺陷/微缺陷微缺陷 线度大于点缺陷、而小于线缺陷或线度大于点缺陷、而小于线缺陷或面缺陷面缺陷的缺陷。包括杂质微缺
45、陷和结构微缺陷。的缺陷。包括杂质微缺陷和结构微缺陷。8282缺陷的产生及结团缺陷的产生及结团n缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：缺陷的应力主要有三种：n存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；性应力，诱生位错；n晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；不同，形成内部应力诱生缺陷；n硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离硅晶体表面受到机械外力
46、，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。n结团作用结团作用 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量陷，释放能量832023年5月18日84硅中的硅中的有害杂质有害杂质可分为三类可分为三类非金属非金属 主要有主要有C、O、H原子。原子。重金属重金属 主要有主要有Au、Cu、Fe、Ni原子。原子。金金 属属 主要有主要有Na、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba 原子等。原子等。硅单晶生长过程中坩埚和原材料的污染。硅单晶生长过程中坩埚和原材料的污染。主要主要来源来源2023年5月1
47、8日85硅中有害杂质的存在形式及其影响硅中有害杂质的存在形式及其影响分类分类种类种类 存在形式存在形式主要影响主要影响非金属非金属O O间隙位置间隙位置影响器件的特性参数影响器件的特性参数(U UT T,U,Usatsat,f,fT T)；影响硅单晶的力学性质影响硅单晶的力学性质(降低其机械强度降低其机械强度)；有源区外的氧有利于吸收附近的重金属杂有源区外的氧有利于吸收附近的重金属杂质质,增强硅器件抗增强硅器件抗 粒子辐射的能力。粒子辐射的能力。C C替位位置替位位置影响硅器件的电学性质影响硅器件的电学性质(I(IR R，U UB B)；会减小硅的晶格常数，引起晶格畸变；会减小硅的晶格常数，引
48、起晶格畸变；重金属重金属AuAu间隙间隙90%90%替位替位10%10%有效的复有效的复合中心、合中心、深能级深能级有多个能级和双重电活性有多个能级和双重电活性(受主或施主受主或施主)或或复合中心复合中心,影响硅的电阻率影响硅的电阻率()()和和寿命寿命()()；Cu Cu FeFe影响较严重，除影响影响较严重，除影响,外，外，易在缺陷处易在缺陷处形成杂质线和沉积微粒，使器件产生等离形成杂质线和沉积微粒，使器件产生等离子击穿、子击穿、PNPN结漏电结漏电“管道管道”等现象。等现象。金属金属Na,KNa,K间隙位置间隙位置参与导电、影响器件的电学特性；参与导电、影响器件的电学特性；AlAlAlA
49、l会对会对N N型材料的掺杂起补偿作用型材料的掺杂起补偿作用,使使2023年5月18日86原生缺陷和有害杂质原生缺陷和有害杂质对硅材料的影响：对硅材料的影响：1.1.影响材料的力学特性。影响材料的力学特性。2.2.影响载流子的输运或杂质的扩散行为。影响载流子的输运或杂质的扩散行为。3.3.有害杂质可能导致加工工艺中产生诱生缺陷；有害杂质可能导致加工工艺中产生诱生缺陷；有源区外存在的缺陷有利于吸收杂质。有源区外存在的缺陷有利于吸收杂质。原生缺陷和有害杂质的原生缺陷和有害杂质的抑制：抑制：1、生长过程的质量控制、生长过程的质量控制（根本方法（根本方法)2、后续处理、后续处理吸除技术吸除技术（补救措
50、施）（补救措施）说明：吸除技术说明：吸除技术是单晶质量达不到器件要求时的一种是单晶质量达不到器件要求时的一种补救措施补救措施，是单晶质量进一步的完善过程。，是单晶质量进一步的完善过程。2023年5月18日872023年5月18日88化学吸除化学吸除在在高温高温过程中，将晶体缺陷和杂质沉积团过程中，将晶体缺陷和杂质沉积团解体，并以原子态溶于晶体中，然后使它们运动至有解体，并以原子态溶于晶体中，然后使它们运动至有源区外，或被俘获或被挥发。源区外，或被俘获或被挥发。用用多步热处理方法多步热处理方法在硅片内引入一些缺陷，在硅片内引入一些缺陷，以此吸除在表面附近的杂质和缺陷以此吸除在表面附近的杂质和缺陷
