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1、第一章第一章电子工程系 陈曦硅材料及衬底制备硅材料及衬底制备1.1.1.1.刘玉岭刘玉岭刘玉岭刘玉岭 等编，等编，等编，等编，微电子化学技术基础微电子化学技术基础微电子化学技术基础微电子化学技术基础，化学，化学，化学，化学工业出版社，工业出版社，工业出版社，工业出版社，2005 2005 2005 2005 2.2.2.2.李乃平李乃平李乃平李乃平 主编，主编，主编，主编，微电子器件工艺微电子器件工艺微电子器件工艺微电子器件工艺，华中理工，华中理工，华中理工，华中理工大学出版社大学出版社大学出版社大学出版社,1995,1995,1995,19953.3.3.3.关旭东关旭东关旭东关旭东 编著，
2、编著，编著，编著，硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础硅集成电路工艺基础 ，北京，北京，北京，北京大学出版社，大学出版社，大学出版社，大学出版社，20082008200820084.4.4.4.张厥宗张厥宗张厥宗张厥宗 编著，编著，编著，编著，硅单晶抛光片的加工技术硅单晶抛光片的加工技术硅单晶抛光片的加工技术硅单晶抛光片的加工技术，化学工业出版社，化学工业出版社，化学工业出版社，化学工业出版社，2005200520052005参考书参考书:本章内容本章内容1.1 1.1 1.1 1.1 半导体半导体半导体半导体硅材料硅材料硅材料硅材料简介简介简介简介 l半导体材料的分类与基本
3、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1.2 1.2 1.2 1.2 大直径硅单晶材料大直径硅单晶材料大直径硅单晶材料大直径硅单晶材料的制备的制备的制备的制备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杂质吸除杂质吸除1.3 1.3 1.3 1.3 衬底制备方法衬底制备方法衬底制备方法衬底制备方法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1.11.1 半导体硅材料简介半导体硅材料简介按导
4、电能力划分按导电能力划分材料材料导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体电阻率电阻率/(/(cmcm)109例例铝、铜、金铝、铜、金硅、锗、砷化镓硅、锗、砷化镓陶瓷、二氧化硅陶瓷、二氧化硅半导体材料按组分划分半导体材料按组分划分元素半导体（如：硅元素半导体（如：硅SiSi和锗和锗GeGe）化合物半导体（如：砷化镓化合物半导体（如：砷化镓GaAsGaAs 、磷化铟、磷化铟InPInP）容易形成容易形成SiOSiO2 2；EgEg大大高温器件；高温器件；成本低。成本低。半导体器件以半导体半导体器件以半导体材料为基本原材料材料为基本原材料一、半导体材料分类一、半导体材料分类导导电电能能力力随随所所含含的的微
5、微量量杂杂质质而而发发生生显显著著变变化化，根根据据这这一一性性质质，通过控制掺杂的水平来获得所需的半导体材料导电能力。通过控制掺杂的水平来获得所需的半导体材料导电能力。导电能力随导电能力随光照、外加电场、磁场的作用光照、外加电场、磁场的作用而发生显著变化。而发生显著变化。1.1.半导体材料的导电能力半导体材料的导电能力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温度温度T T电阻率电阻率电导率电导率举例举例一般金属一般金属 CuCu：3030 100100 降低不到降低不到一半（一半（有负温度系数）有负温度系数）半导体硅半导体硅 SiSi：2020 3030 增加一倍增加一倍（有
6、正温度系数）有正温度系数）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，使硅的纯度为的杂质磷原子，使硅的纯度为99.999999.9999，其电阻率由，其电阻率由2140021400cmcm变为变为0.20.2cmcm。二二.半导体材料的基本特性半导体材料的基本特性半导体含有两种载流子：半导体含有两种载流子：电子电子(带负电带负电)和和空穴空穴(带正电带正电)2.2.导电类型（导电类型（P P型和型和N N型半导体）型半导体）本征半导体本征半导体(纯净硅纯净硅):):载流子的浓度在室温下为载流子的浓度在室温下为当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素(P(P、As)As)时，硅
7、中多数载流子为时，硅中多数载流子为电子电子 N N型半导体型半导体。掺杂浓度用。掺杂浓度用C CD D(N(ND D)表示。表示。当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素(B(B、Al)Al)时，硅中多数载流子为时，硅中多数载流子为空穴空穴 P P型半导体型半导体。掺杂浓度用。掺杂浓度用C CA A(N(NA A)表示。表示。Tni(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。如如CDCA，则补偿后为，则补偿后为N型；型；CACD，则补偿后为，则补偿后为P型；型；CD=CA补偿型本征半导体。补偿型本征半导体。三、半导体硅材料的结构特征三、半导体硅材料的结构特征硅单晶
8、面心立方晶格套构硅单晶面心立方晶格套构硅单晶面心立方晶格套构硅单晶面心立方晶格套构硅六棱柱晶胞三维结构硅六棱柱晶胞三维结构硅六棱柱晶胞三维结构硅六棱柱晶胞三维结构111111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解理面解理面晶面晶面100 100 110 110 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面间距间距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
9、 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 2/2/a a2 22 2 3/33/3a a2 22 2 3/3/a a2 2硅晶体结构主要晶面上原子排列的特点硅晶体结构主要晶面上原子排列的特点 导电类型：导电类型：导电类型：导电类型：N N型或型或P P型，型，n n p p电阻率：电阻率：电阻率：电阻率：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
10、实性要高寿命：寿命：寿命：寿命：均匀性和真实性要高均匀性和真实性要高晶体的完美性：晶体的完美性：晶体的完美性：晶体的完美性：无晶格缺陷和有害杂质沉积无晶格缺陷和有害杂质沉积晶向标识：晶向标识：晶向标识：晶向标识：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、次定位面晶向：晶向：晶向：晶向：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器件要求用器件要求用晶向的单晶晶向的单晶1.1.基本要求基本要求：四、半导体器件对硅单晶材料的要求四、半导体器件对硅单晶材料的要求2.2.集成电路技术的发展与硅材料的关系集成电路技术的发展与硅材料的关系集成电路的特征尺寸逐渐缩
11、小，芯片面积逐渐增大集成电路的特征尺寸逐渐缩小，芯片面积逐渐增大集成电路的特征尺寸逐渐缩小，芯片面积逐渐增大集成电路的特征尺寸逐渐缩小，芯片面积逐渐增大降低生产成本，提高硅晶圆片的直径降低生产成本，提高硅晶圆片的直径降低生产成本，提高硅晶圆片的直径降低生产成本，提高硅晶圆片的直径集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片的浅表层集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片的浅表层集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片的浅表层集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片的浅表层现代集成电路应采取尽可能低现代集成电路应采取尽可能低现代集成电路应采取尽可能低现代集成电路应采取尽可能低的加工温度来完成管芯的制造，的加工温度来完成管芯
12、的制造，的加工温度来完成管芯的制造，的加工温度来完成管芯的制造，也可采用吸除技术也可采用吸除技术也可采用吸除技术也可采用吸除技术 为满足高性能和高集成度，采为满足高性能和高集成度，采为满足高性能和高集成度，采为满足高性能和高集成度，采用多层薄膜结构用多层薄膜结构用多层薄膜结构用多层薄膜结构对单晶材料的检测分析方法和对单晶材料的检测分析方法和对单晶材料的检测分析方法和对单晶材料的检测分析方法和测试工具提出高要求测试工具提出高要求测试工具提出高要求测试工具提出高要求一、半导体硅的原材料一、半导体硅的原材料1.2 1.2 大直径硅单晶材料大直径硅单晶材料的制备的制备1.1.原材料提纯原材料提纯原料原
13、料(石英石石英石-SiO-SiO2 2）粗硅粗硅四氯化硅四氯化硅高纯四氯化硅高纯四氯化硅高纯多晶硅高纯多晶硅高温碳还原高温碳还原SiOSiO2 2+2C=Si+2CO+2C=Si+2CO(1600(16001800)1800)高温氯化高温氯化Si+2ClSi+2Cl2 2=SiCl=SiCl4 4(500(500700700氯化氯化)冷凝后为液态冷凝后为液态精馏提纯精馏提纯多级物化精馏多级物化精馏高温氢还原高温氢还原SiClSiCl4 4+2H+2H2 2=Si+4HCl=Si+4HCl(1000(10001200)1200)多晶硅的性质多晶硅的性质多晶硅的性质多晶硅的性质：1.1.化学性质与
14、单晶硅大致相同，与硅有相似的腐蚀方法化学性质与单晶硅大致相同，与硅有相似的腐蚀方法化学性质与单晶硅大致相同，与硅有相似的腐蚀方法化学性质与单晶硅大致相同，与硅有相似的腐蚀方法;2.2.可进行掺杂，形成可进行掺杂，形成可进行掺杂，形成可进行掺杂，形成P P型或型或型或型或N N型多晶硅型多晶硅型多晶硅型多晶硅(MOS(MOS的栅极的栅极的栅极的栅极)。2.2.多晶硅的结构特点与性质多晶硅的结构特点与性质单晶：单晶：单晶：单晶：指在指在指在指在整个晶体内整个晶体内整个晶体内整个晶体内原子都是周原子都是周原子都是周原子都是周期性的规则排列期性的规则排列期性的规则排列期性的规则排列。多晶：多晶：多晶：
15、多晶：指在晶体内指在晶体内指在晶体内指在晶体内每个局部区域里每个局部区域里每个局部区域里每个局部区域里原子是周期性的规则排列原子是周期性的规则排列原子是周期性的规则排列原子是周期性的规则排列,可以看成可以看成可以看成可以看成是由许多是由许多是由许多是由许多取向不同取向不同取向不同取向不同的小单晶体的小单晶体的小单晶体的小单晶体(晶粒晶粒晶粒晶粒)组成的。在晶粒之间存在一个很薄组成的。在晶粒之间存在一个很薄组成的。在晶粒之间存在一个很薄组成的。在晶粒之间存在一个很薄的过渡层的过渡层的过渡层的过渡层(晶粒间界晶粒间界晶粒间界晶粒间界),),),),在该层内必须在该层内必须在该层内必须在该层内必须实
16、现晶向转变。实现晶向转变。实现晶向转变。实现晶向转变。多晶体结构的示意图多晶体结构的示意图多晶体结构的示意图多晶体结构的示意图直拉法直拉法直拉法直拉法CZCZCZCZ（CzochralskiCzochralskiCzochralskiCzochralski）区熔法区熔法区熔法区熔法FZFZFZFZ（Float-ZoneFloat-ZoneFloat-ZoneFloat-Zone)中子嬗变掺杂法中子嬗变掺杂法中子嬗变掺杂法中子嬗变掺杂法二、硅单晶制备方法二、硅单晶制备方法直直直直拉拉拉拉硅硅硅硅单单单单晶晶晶晶炉炉炉炉结结结结构构构构示示示示意意意意图图图图1.1.直拉法直拉法单晶生长过程单晶生
17、长过程准备工作准备工作准备工作准备工作1.1.处理好多晶硅，放入炉内坩埚中；处理好多晶硅，放入炉内坩埚中；处理好多晶硅，放入炉内坩埚中；处理好多晶硅，放入炉内坩埚中；2.2.抽真空或通入氩气进行熔硅处理；抽真空或通入氩气进行熔硅处理；抽真空或通入氩气进行熔硅处理；抽真空或通入氩气进行熔硅处理；3.3.待熔硅稳定后，即可拉制单晶。待熔硅稳定后，即可拉制单晶。待熔硅稳定后，即可拉制单晶。待熔硅稳定后，即可拉制单晶。拉晶过程拉晶过程拉晶过程拉晶过程（示意图）（示意图）（示意图）（示意图）3.3.随着单晶的生长，坩埚必须自动随着单晶的生长，坩埚必须自动随着单晶的生长，坩埚必须自动随着单晶的生长，坩埚必
18、须自动跟随液面下降而上升跟随液面下降而上升跟随液面下降而上升跟随液面下降而上升，保持液面在，保持液面在，保持液面在，保持液面在温度场中的位置不变，温度场中的位置不变，温度场中的位置不变，温度场中的位置不变，以获得均匀以获得均匀以获得均匀以获得均匀的电阻率；同时拉晶速度自动调节的电阻率；同时拉晶速度自动调节的电阻率；同时拉晶速度自动调节的电阻率；同时拉晶速度自动调节以保持等径生长。以保持等径生长。以保持等径生长。以保持等径生长。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1.1.籽晶轴以一定的速度旋转；同时籽晶轴以一定的速度旋转
19、；同时籽晶轴以一定的速度旋转；同时籽晶轴以一定的速度旋转；同时坩埚反方向旋转。坩埚反方向旋转。坩埚反方向旋转。坩埚反方向旋转。2.2.细颈为了抑制位错向下延伸；细颈为了抑制位错向下延伸；细颈为了抑制位错向下延伸；细颈为了抑制位错向下延伸；通过增加提拉速度来实现。通过增加提拉速度来实现。通过增加提拉速度来实现。通过增加提拉速度来实现。收尾收尾等径等径放肩放肩细颈细颈引晶引晶基本原理基本原理基本原理基本原理将将将将多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅在在在在真空或惰性气体真空或惰性气体真空或惰性气体真空或惰性气体保护下保护下保护下保护下加热加热加热加热，使多晶硅熔，使多晶硅熔，使多晶硅熔，使多晶硅熔化，然后利
20、用化，然后利用化，然后利用化，然后利用籽晶籽晶籽晶籽晶来拉制单晶硅。来拉制单晶硅。来拉制单晶硅。来拉制单晶硅。单晶生长过程实际单晶生长过程实际单晶生长过程实际单晶生长过程实际上是硅由液相上是硅由液相上是硅由液相上是硅由液相固相的转化过程。固相的转化过程。固相的转化过程。固相的转化过程。该转化过程实现的该转化过程实现的该转化过程实现的该转化过程实现的条件：液相条件：液相条件：液相条件：液相-固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度(dT/dzdT/dz)。1.1.在转化的过程中，在转化的过程中，在转化的过程中，在转化的过程中，界面附近区域（
21、过渡层）界面附近区域（过渡层）界面附近区域（过渡层）界面附近区域（过渡层）中存在着由中存在着由中存在着由中存在着由界面界面界面界面结晶硅的热流密度和由熔硅结晶硅的热流密度和由熔硅结晶硅的热流密度和由熔硅结晶硅的热流密度和由熔硅界面的热流密度；界面的热流密度；界面的热流密度；界面的热流密度；两者之差为界面区单位时间内释放的潜能两者之差为界面区单位时间内释放的潜能两者之差为界面区单位时间内释放的潜能两者之差为界面区单位时间内释放的潜能;说明说明:固固过过液液2.2.随着晶体生长，部分熔硅转化为晶体，使液面不断下降。随着晶体生长，部分熔硅转化为晶体，使液面不断下降。随着晶体生长，部分熔硅转化为晶体，
22、使液面不断下降。随着晶体生长，部分熔硅转化为晶体，使液面不断下降。3.3.为了形成为了形成为了形成为了形成n n型或型或型或型或p p型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。请记录请记录拉制大直径单晶硅的注意事项拉制大直径单晶硅的注意事项1.1.1.1.晶体旋转方向的选择：晶体旋转方向的选择：晶体旋转方向的选择：晶体旋转方向的选择：在拉制单晶时，熔硅中存在着由在拉制单晶时，熔硅中存在着由在拉制单晶时，熔硅中存在着由在拉制单晶时，熔硅中存在着由dT/dzdT/dzdT/dzdT/dz和和和和转
23、动引起的热对流，转动引起的热对流，转动引起的热对流，转动引起的热对流，会使液面出现波纹和起伏，从而造成会使液面出现波纹和起伏，从而造成会使液面出现波纹和起伏，从而造成会使液面出现波纹和起伏，从而造成界面杂质过渡区的不平界面杂质过渡区的不平界面杂质过渡区的不平界面杂质过渡区的不平衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀。为了保证热对流为了保证热对流为了保证热对流为了保证热对流的稳定性，一般采用晶体旋转方向与坩埚旋转方向相反来抑的稳定性，一般采用晶体旋转方向与坩埚旋转方向相反来抑的稳定性，一般采
24、用晶体旋转方向与坩埚旋转方向相反来抑的稳定性，一般采用晶体旋转方向与坩埚旋转方向相反来抑制。制。制。制。2.2.2.2.晶体旋转速度的选择晶体旋转速度的选择晶体旋转速度的选择晶体旋转速度的选择 由于熔硅中的由于熔硅中的由于熔硅中的由于熔硅中的C C C C与石英与石英与石英与石英(SiO(SiO(SiO(SiO2 2 2 2)坩埚反应生成坩埚反应生成坩埚反应生成坩埚反应生成SiOSiOSiOSiO和和和和COCOCOCO，两者两者两者两者的挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定，引起的挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定，引起的挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定，引起的
25、挥发受热对流和熔硅外表面氩气的影响变得不稳定，引起液面波动。采用旋转晶体形成的液面波动。采用旋转晶体形成的液面波动。采用旋转晶体形成的液面波动。采用旋转晶体形成的强迫对流会减少强迫对流会减少强迫对流会减少强迫对流会减少COCOCOCO挥发挥发挥发挥发，导导导导致硅单晶中含致硅单晶中含致硅单晶中含致硅单晶中含O O O O量过高量过高量过高量过高。因此，。因此，。因此，。因此，单晶的旋转速度要优化选择单晶的旋转速度要优化选择单晶的旋转速度要优化选择单晶的旋转速度要优化选择。3.3.3.3.籽晶承载应力籽晶承载应力籽晶承载应力籽晶承载应力 大直径单晶的重力较大，而拉制时籽晶的颈部大直径单晶的重力较
26、大，而拉制时籽晶的颈部大直径单晶的重力较大，而拉制时籽晶的颈部大直径单晶的重力较大，而拉制时籽晶的颈部(d=3mm)(d=3mm)(d=3mm)(d=3mm)截面截面截面截面积较小。因此，积较小。因此，积较小。因此，积较小。因此，要求单晶要求单晶要求单晶要求单晶(直径直径直径直径D=200mmD=200mmD=200mmD=200mm)的长度应小于的长度应小于的长度应小于的长度应小于2m2m2m2m。直拉单晶的发展现状直拉单晶的发展现状现有工艺水平，目前国外采用直拉法可生产、研制现有工艺水平，目前国外采用直拉法可生产、研制现有工艺水平，目前国外采用直拉法可生产、研制现有工艺水平，目前国外采用直
27、拉法可生产、研制618618的硅单晶（的硅单晶（的硅单晶（的硅单晶（150450mm150450mm）直拉单晶的特点直拉单晶的特点1.C C、OO含量较高含量较高含量较高含量较高，高达，高达，高达，高达10101818cmcm-3-3 原因：熔硅中的原因：熔硅中的原因：熔硅中的原因：熔硅中的C C与石英与石英与石英与石英SiOSiO2 2发生反应生成发生反应生成发生反应生成发生反应生成COCO，受受受受热对流影响不易挥发。热对流影响不易挥发。热对流影响不易挥发。热对流影响不易挥发。2.直拉法适宜拉制直拉法适宜拉制直拉法适宜拉制直拉法适宜拉制直径大、电阻低的硅单晶；直径大、电阻低的硅单晶；直径大
28、、电阻低的硅单晶；直径大、电阻低的硅单晶；主要用于主要用于主要用于主要用于VLSI VLSI 器件的制作；器件的制作；器件的制作；器件的制作；3.存在轴向、径向电阻率的不均匀性。存在轴向、径向电阻率的不均匀性。存在轴向、径向电阻率的不均匀性。存在轴向、径向电阻率的不均匀性。措施：磁场直拉法措施：磁场直拉法措施：磁场直拉法措施：磁场直拉法(MCZ)(MCZ)和连续加料直拉法和连续加料直拉法和连续加料直拉法和连续加料直拉法悬浮区熔法：悬浮区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直竖直竖直竖直固定在区溶炉上、下轴之间。固定在区溶炉上、
29、下轴之间。固定在区溶炉上、下轴之间。固定在区溶炉上、下轴之间。水平区熔法：水平区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平水平水平水平固定在区溶炉左、右轴之间。固定在区溶炉左、右轴之间。固定在区溶炉左、右轴之间。固定在区溶炉左、右轴之间。制备方法分类制备方法分类制备方法分类制备方法分类基本原理基本原理基本原理基本原理将籽晶与将籽晶与多晶硅棒多晶硅棒紧粘在一起，利用紧粘在一起，利用分段熔分段熔融融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅
30、。2.2.区熔法区熔法制备过程制备过程vv将预先处好的多晶硅棒和将预先处好的多晶硅棒和将预先处好的多晶硅棒和将预先处好的多晶硅棒和籽晶粘在一起，竖直固定籽晶粘在一起，竖直固定籽晶粘在一起，竖直固定籽晶粘在一起，竖直固定在区熔炉的上、下轴之间，在区熔炉的上、下轴之间，在区熔炉的上、下轴之间，在区熔炉的上、下轴之间，以高频感应线圈等方法加以高频感应线圈等方法加以高频感应线圈等方法加以高频感应线圈等方法加热。热。热。热。vv利用电磁场浮力和熔硅表利用电磁场浮力和熔硅表利用电磁场浮力和熔硅表利用电磁场浮力和熔硅表面的张力与重力的平衡作面的张力与重力的平衡作面的张力与重力的平衡作面的张力与重力的平衡作用
31、，使所产生的熔区能稳用，使所产生的熔区能稳用，使所产生的熔区能稳用，使所产生的熔区能稳定地悬浮在硅棒之间；定地悬浮在硅棒之间；定地悬浮在硅棒之间；定地悬浮在硅棒之间；vv在在在在真空或氩气、氢气真空或氩气、氢气真空或氩气、氢气真空或氩气、氢气等气等气等气等气氛下，按照特定的工艺条氛下，按照特定的工艺条氛下，按照特定的工艺条氛下，按照特定的工艺条件，使溶区在硅棒上从头件，使溶区在硅棒上从头件，使溶区在硅棒上从头件，使溶区在硅棒上从头至尾至尾至尾至尾定向移动定向移动定向移动定向移动，如此反复，如此反复，如此反复，如此反复多次，使多晶硅棒沿籽晶多次，使多晶硅棒沿籽晶多次，使多晶硅棒沿籽晶多次，使多晶
32、硅棒沿籽晶长成单晶硅。长成单晶硅。长成单晶硅。长成单晶硅。悬浮区熔法悬浮区熔法区熔单晶的发展现状区熔单晶的发展现状目前采用区熔法目前采用区熔法目前采用区熔法目前采用区熔法 可生产、研制可生产、研制可生产、研制可生产、研制8 8的硅单晶的硅单晶的硅单晶的硅单晶(200mm200mm)主流为主流为主流为主流为4646的硅单晶的硅单晶的硅单晶的硅单晶(100150mm100150mm)1.1.C C、OO含量低（原因：不使用石英坩埚）。含量低（原因：不使用石英坩埚）。含量低（原因：不使用石英坩埚）。含量低（原因：不使用石英坩埚）。在在在在VFZ(VFZ(真空下真空下真空下真空下)C)C、OO含量为含
33、量为含量为含量为1010141410101616cmcm-3-3；在在在在MFZ(MFZ(氩气气氛中氩气气氛中氩气气氛中氩气气氛中)为为为为5 5101015152210101616cmcm-3-3;2.2.直径较小，区熔法适宜拉制直径较小，区熔法适宜拉制直径较小，区熔法适宜拉制直径较小，区熔法适宜拉制高阻、小直径单晶高阻、小直径单晶高阻、小直径单晶高阻、小直径单晶；主要用于功率器件的制作。主要用于功率器件的制作。主要用于功率器件的制作。主要用于功率器件的制作。2.2.在等径、微区电阻率均匀性方面的特性还不够理想；在等径、微区电阻率均匀性方面的特性还不够理想；在等径、微区电阻率均匀性方面的特性
34、还不够理想；在等径、微区电阻率均匀性方面的特性还不够理想；存在轴存在轴存在轴存在轴向、径向电阻率的不均匀性。向、径向电阻率的不均匀性。向、径向电阻率的不均匀性。向、径向电阻率的不均匀性。区熔单晶的特点区熔单晶的特点(与直拉单晶相比与直拉单晶相比)措施：中子嬗变措施：中子嬗变措施：中子嬗变措施：中子嬗变(掺杂掺杂掺杂掺杂)法法法法3.3.中子嬗变中子嬗变(掺杂掺杂)法法中子嬗变法：中子嬗变法：利用热中子（即低能中子）对高阻单利用热中子（即低能中子）对高阻单利用热中子（即低能中子）对高阻单利用热中子（即低能中子）对高阻单晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的
35、方法。晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。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。基本原理基本原理基本原理基本原理 利用硅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%)在热中在热中子辐照下发生子辐照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，从而使硅单晶中的从而使硅
36、单晶中的磷含量增加磷含量增加，形成掺杂。，形成掺杂。特点：特点：特点：特点：1.1.掺杂浓度的控制精度高掺杂浓度的控制精度高掺杂浓度的控制精度高掺杂浓度的控制精度高，可达，可达，可达，可达5%5%。因为中子辐照不。因为中子辐照不。因为中子辐照不。因为中子辐照不会引起其它杂质，掺杂浓度可由中子会引起其它杂质，掺杂浓度可由中子会引起其它杂质，掺杂浓度可由中子会引起其它杂质，掺杂浓度可由中子通量密度通量密度通量密度通量密度和和和和辐照辐照辐照辐照时间时间时间时间控制（即控制（即控制（即控制（即C CP P=2=21010-4-4 t t）。）。）。）。2.2.中子辐照会产生大量中子辐照会产生大量中子
37、辐照会产生大量中子辐照会产生大量晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷，因此中子嬗变掺杂后，因此中子嬗变掺杂后，因此中子嬗变掺杂后，因此中子嬗变掺杂后必须进行必须进行必须进行必须进行退火退火退火退火处理，以消除辐照损伤。退火条件：处理，以消除辐照损伤。退火条件：处理，以消除辐照损伤。退火条件：处理，以消除辐照损伤。退火条件：750750800800,13h,13h。嬗变反应：嬗变反应：2828SiSi（n,n,）2929SiSi2929SiSi（n,n,）3030SiSi3030SiSi（n,n,）3131SiSi 3131P P+-（半衰期半衰期半衰期半衰期2.62h2.62h）3232S+S+-
38、（半衰期半衰期半衰期半衰期343.2h343.2h）中子中子中子中子光光光光子子子子掺杂剂掺杂剂掺杂剂掺杂剂三种单晶制备方法的比较三种单晶制备方法的比较项目项目项目项目方法方法方法方法C C C C、OOOO含量含量含量含量直径直径直径直径电阻率电阻率电阻率电阻率大小大小大小大小电阻率电阻率电阻率电阻率均匀性均匀性均匀性均匀性用途用途用途用途直拉法直拉法直拉法直拉法(CZ)(CZ)(CZ)(CZ)较高，达较高，达较高，达较高，达1010101018181818cmcmcmcm-3-3-3-3大大大大低低低低径向、轴向径向、轴向径向、轴向径向、轴向均匀性很差均匀性很差均匀性很差均匀性很差制作制作
39、制作制作VLSIVLSIVLSIVLSI区熔法区熔法区熔法区熔法（FZFZFZFZ）较低，较低，较低，较低，10101010141414141010101016161616cmcmcmcm-3-3-3-3(VFZ)(VFZ)(VFZ)(VFZ)5105105105101515151521021021021016161616cmcmcmcm-3-3-3-3 (MFZ)(MFZ)(MFZ)(MFZ)较小较小较小较小高高高高径向、轴向径向、轴向径向、轴向径向、轴向均匀性较差均匀性较差均匀性较差均匀性较差制作制作制作制作PowerPowerPowerPowerDeviceDeviceDeviceDev
40、ice中子嬗中子嬗中子嬗中子嬗变法变法变法变法不变不变不变不变不变不变不变不变可调可调可调可调较好较好较好较好调整电调整电调整电调整电阻率阻率阻率阻率请记录请记录高压器件采用区熔中照高压器件采用区熔中照高压器件采用区熔中照高压器件采用区熔中照(NTD)(NTD)单晶单晶单晶单晶内容回顾内容回顾硅单晶的制备方法硅单晶的制备方法直拉法直拉法区熔法区熔法将将将将多晶硅多晶硅多晶硅多晶硅在在在在真空或惰性气体真空或惰性气体真空或惰性气体真空或惰性气体保护下保护下保护下保护下加热加热加热加热，使多晶硅熔，使多晶硅熔，使多晶硅熔，使多晶硅熔化，然后利用化，然后利用化，然后利用化，然后利用籽晶籽晶籽晶籽晶来
41、拉制单晶硅。来拉制单晶硅。来拉制单晶硅。来拉制单晶硅。单晶生长过程实际单晶生长过程实际单晶生长过程实际单晶生长过程实际上是硅由液相上是硅由液相上是硅由液相上是硅由液相固相的转化过程。固相的转化过程。固相的转化过程。固相的转化过程。该转化过程实现的该转化过程实现的该转化过程实现的该转化过程实现的条件：液相条件：液相条件：液相条件：液相-固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度固相界面附近存在温度梯度(dT/dzdT/dz)。将籽晶与将籽晶与多晶硅棒多晶硅棒紧粘在一起，利用紧粘在一起，利用分段熔分段熔融融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一多晶棒，在溶区由籽晶移向多
42、晶硅棒另一端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。利用硅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同位素同位素在热中子辐照下发生在热中子辐照下发生嬗变反嬗变反应应，生成，生成3131SiSi蜕变后形成稳定的蜕变后形成稳定的3131P P，从而使从而使硅单晶中的硅单晶中的磷含量增加磷含量增加，形成掺杂。，形成掺杂。中子嬗变法中子嬗变法中子嬗变掺杂后必须进行中子嬗变掺杂后必须进行退火退火处理处理三种单晶制备方法的比较三种单晶制备方法的比较项目项目项目项目方法方法方法方法C C C C、OOOO含量含
43、量含量含量直径直径直径直径电阻率电阻率电阻率电阻率大小大小大小大小电阻率电阻率电阻率电阻率均匀性均匀性均匀性均匀性用途用途用途用途直拉法直拉法直拉法直拉法(CZ)(CZ)(CZ)(CZ)较高，达较高，达较高，达较高，达1010101018181818cmcmcmcm-3-3-3-3大大大大低低低低径向、轴向径向、轴向径向、轴向径向、轴向均匀性很差均匀性很差均匀性很差均匀性很差制作制作制作制作VLSIVLSIVLSIVLSI区熔法区熔法区熔法区熔法（FZFZFZFZ）较低，较低，较低，较低，10101010141414141010101016161616cmcmcmcm-3-3-3-3(VFZ)
44、(VFZ)(VFZ)(VFZ)5105105105101515151521021021021016161616cmcmcmcm-3-3-3-3 (MFZ)(MFZ)(MFZ)(MFZ)较小较小较小较小高高高高径向、轴向径向、轴向径向、轴向径向、轴向均匀性较差均匀性较差均匀性较差均匀性较差制作制作制作制作PowerPowerPowerPowerDeviceDeviceDeviceDevice中子嬗中子嬗中子嬗中子嬗变法变法变法变法不变不变不变不变不变不变不变不变可调可调可调可调较好较好较好较好调整电调整电调整电调整电阻率阻率阻率阻率诱生缺陷（二次缺陷）诱生缺陷（二次缺陷）在器件制备过程中产在器件
45、制备过程中产生的缺陷。生的缺陷。常见的有氧化层错、滑移位错和常见的有氧化层错、滑移位错和失配位错。失配位错。缺陷缺陷原生缺陷原生缺陷 在晶体生长过程中形成的缺陷。在晶体生长过程中形成的缺陷。有宏观缺陷和有宏观缺陷和微观缺陷，包括：孪晶、裂微观缺陷，包括：孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷、纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷、空位团和微沉积等。空位团和微沉积等。晶体中某些格点上的晶体中某些格点上的晶体中某些格点上的晶体中某些格点上的周期性被破坏周期性被破坏周期性被破坏周期性被破坏。影响晶体。影响晶体。影响晶体。影响晶体的力学、热学、电学、光学等方面的性质。的力学、热学、电学、光学等方面的
46、性质。的力学、热学、电学、光学等方面的性质。的力学、热学、电学、光学等方面的性质。主主要要来来源源三、单晶材料中的缺陷及有害杂质三、单晶材料中的缺陷及有害杂质硅中的缺陷硅中的缺陷从结构上从结构上可分为四种可分为四种点点缺陷缺陷 空位、间隙原子和杂质原子等引起的晶格周空位、间隙原子和杂质原子等引起的晶格周期性的破坏，期性的破坏，发生在一个或几个晶格常数限度范发生在一个或几个晶格常数限度范围内围内的缺陷。如：空位、间隙原子、杂质原子。的缺陷。如：空位、间隙原子、杂质原子。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周在晶体内部一条线周围邻近处围邻近处的缺陷。如位错的缺陷。
47、如位错(刃位错、螺旋位错、混刃位错、螺旋位错、混合位错合位错)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。包括杂质微缺陷和结构微缺陷。的缺陷。包括杂质微缺陷和结构微缺陷。硅中的点缺陷和类型硅中的点缺陷和类型间隙间隙 硅原子硅原子晶格晶格 硅原子硅原子替位杂质替位杂质间隙杂质间隙杂质弗仑克尔弗仑克尔缺陷缺陷空位空位 肖特基肖特基缺陷缺陷间隙杂质间隙杂质间隙原子间隙原子替位杂质替位杂质空位空位单原子晶格
48、中的单原子晶格中的点缺陷点缺陷示意图示意图硅中的线缺陷硅中的线缺陷位错位错位错的攀移运动位错的攀移运动位错线位错线（直线）（直线）平行于滑移平行于滑移的方向的位错称的方向的位错称为为螺位错螺位错。当晶体中存在螺位错时，。当晶体中存在螺位错时，原来的一族原来的一族平行晶面就变成为平行晶面就变成为以位错线为轴的螺旋面以位错线为轴的螺旋面。2 2、螺螺位错位错 1 1、刃位错刃位错位错线位错线（直线）（直线）垂直于滑移垂直于滑移的方向的位错称的方向的位错称为为刃位错刃位错。硅中的线缺陷硅中的线缺陷硅硅硅硅外延层的外延层的外延层的外延层的堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错硅中的面缺陷硅中的面缺陷本征层错
49、：本征层错：本征层错：本征层错：缺少一个双层原子面的层错缺少一个双层原子面的层错缺少一个双层原子面的层错缺少一个双层原子面的层错 有害杂质有害杂质指会影响指会影响指会影响指会影响晶体性质晶体性质晶体性质晶体性质的杂质或杂质团。的杂质或杂质团。的杂质或杂质团。的杂质或杂质团。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。主要主要来源来源请记录请记录
50、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非金金属属OO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)；影响硅单影响硅单晶的力学性质晶的力学性质(降低其机械强度降低其机械强度)；有源区外的氧有源区外的氧有利于吸收附近的重金属杂质有利于吸收附近的重金属杂质,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，引起晶格畸变