学习微电子工艺chapter02of

Dr.DaoliZhangOffice:Room409WestBuilding7Voice:87542894Email:第2章加工环境和衬底制备TextbookandReferences学完本章之后，你应该能够：定义极解释合格率的重要性描述超净室的基本布局图解释超净室协议规范的重要性列出集成电路制备中四种基本操作方式列出至少六种在集成电路生产制备区间名称解释芯片封装的目的描述标准的打线接合制备与覆晶接合制备目标(Objectives)从元素周期表上至少可以认出两种半导体材料列出n型和p型的掺杂物描述一个二极管和一个MOS晶体管列出在半导体工业所制造的三种芯片列出至少四种芯片制造上必备的基本制程说明为何硅比其他半导体材料更被普遍及采用的两个理由列出单晶硅所偏爱的两种晶向列出从砂形成硅的基本步骤叙述CZ法和悬浮区法集成电路生产流程材料设计掩模版超净室生产厂房测试

封装最后测试加热制备图案转移制备离子注入与光刻胶剥除金属化化学机械抛光电介质沉积晶圆刻蚀与光刻胶剥除生产厂房的成本生产厂房的成本非常高，八吋晶圆的生产厂房成本>$1B超净室设备：每一项工具经常>$1M材料：高纯度，超高程度设施人员：培训和薪酬概述微电子产业的特点之一：高次品率影响成品率的因素：硅片直径、芯片尺寸、工艺成熟性、工艺步骤数以及晶体缺陷等。例：2英寸硅片，缺陷密度为D＝1/cm2加工10mm×10mm芯片，可加工数12，其中4个无缺陷，成品率33％；加工5mm×5mm芯片，可加工数57，其中41个无缺陷，成品率72％。晶圆合格率晶粒合格率封装合格率总合格率YT=YWYDYC

总合格率可以决定一间生产工厂是赚钱还是赔钱生产厂房为何赚(赔)钱成本：晶圆(8”)：~$150/晶圆*处理：~$1200($2/晶圆/步骤，600步骤)封装：~$5/芯片销售:~200芯片/晶圆~$50/芯片(2000年的低端处理器)*晶圆成本，每片晶圆的芯片数,以及芯片价格的变动,此处的数字是随机一般获得的信息生产工厂如何赚(赔)钱100%合格率：150=$2350/晶圆50%合格率：150+500=$1850/晶圆0%合格率：150=$1350/晶圆100%合格率：20050=$10,000/晶圆50%合格率：10050=$5,000/晶圆0%合格率：050=$0.00/晶圆100%合格率：10000-2350=$7650/晶圆50%合格率：5000-1850=$3150/wafer0%合格率：0-1350=$1350/晶圆成本:销售:获利空间:生产量可以生产的晶圆数量生产工厂：晶圆/月(典型值10,000)工具: 晶圆/小时(典型值60)高合格率，高产量Question：假如集成电路制造的每一道制备步骤的晶粒合格率都是99%，而且共有600道制备步骤，试问整体的晶粒合格率是多少?解答：相当于99%自乘600次0.99600=0.0024=0.24%几乎没有合格率可言!!缩小线宽，减小芯片面积：物理、技术＆成本的限制；致命缺陷数目增加。致命缺陷：位于器件关键部位并使器件产生致命性失效的缺陷。线宽减半，潜在危害的缺陷数目增加4～8倍降低缺陷密度：泊松模型：如芯片面积已知，根据泊松模型可计算出不同成品率所要求芯片的缺陷密度。例：芯片面积10cm2，成品率要求99％时，采用泊松模型计算的缺陷密度为：0.001个/cm2，意味着：三个12英寸(300mm)硅片上的致命缺陷数只允许有2个，这是非常高的洁净度要求。提高成品率方法？缺陷：可能引起产品失效的任何事物。不完善的工艺控制、可靠性问题、微粒以及制造环境中其他类型污染物都是缺陷的来源。缺陷从哪里来？系统缺陷:工艺错误、设备故障、工艺能力的局限性、起始材料的不纯和设计错误。随机缺陷：保护膜上的针孔、颗粒在硅片上的粘附、金属线的腐蚀等。缺陷在以下三个特定功能领域对工艺过程和器件产生影响：器件工艺成品率、器件效能、器件可靠性成品率模型泊松模型(指数模型)：假设整个硅片缺陷密度均匀，且硅片之间完全相同。适用于低密度的中等集成电路。墨菲模型：广泛应用的成品率预测模型。假设缺陷密度在硅片上和硅片之间都不相同，存在中央趋势：中心缺陷密度低，边缘缺陷密度高。是预测VLSI和ULSI成品率的优秀模型。Seed模型：也假设硅片上和硅片之间存在不同缺陷变化，适用于VLSI和ULSI技术的硅片。成品率模型的有效性：成品率模型在模拟稳定的制作工艺时有效，这意味着随机缺陷造成的芯片失效是可以预测的。对于非随机缺陷(如芯片设计的修改)造成的芯片失效，这些模型是无法预测的。成品率模型的适用性：微电子制造领域实际使用的成品率模型很多，它们大多适用于特定公司的产品和制作工艺。开发精确的成品率模型是很多公司正在进行的工作。成品率管理：微电子制造的一个重要目标是减少缺陷，加快成品率斜线上升的速度，提高日益复杂的微电子器件的成品率。每百分之一都有巨大价值百分之一成品率的价值是多少？假如整个制造厂的平均成品率是70％假如制造厂芯片总收入是6亿美元成品率70％→71％意味着：多出1.4％的芯片，或每百分之一成品率的提升，增加840万美元的收益为减少缺陷和提高成品率，必须促进缺陷来源的探测、控制、减少、消除和预防。合格率和晶粒尺寸Y=28/32=87.5%Y=2/6=33.3%致命缺陷晶圆产品示意晶粒切割道晶粒测试结构晶圆产品示意微电子加工环境微电子加工环境是指微电子产品在加工过程中接触的除单晶材料、能源及加工技术之外的一切物质，如空气、水、化学试剂、加工所用气体、加工设备以及加工人员等。在高于ISO2级洁净室中：装卸片时操作引起的污染：30％操作者本人引起的污染：30％设备引起的污染：25％洁净室引起的污染：10％其他引起的污染：5％污染物：微电子制造过程中引入硅片的任何危害芯片成品率及电学性能的不希望存在的物质。包括微粒、金属离子、化学物质、细菌和静电微粒：微粒污染是成品率损失的较大贡献者，微粒大小要小于器件上最小特征尺寸的1/10每步每片上的颗粒数(PWP)：一道工序引入到硅片中的超过某一关键尺寸的颗粒数。颗粒检测广泛采用激光束扫描硅片表面以及检测颗粒散射的光强位置来进行。金属离子：可移动离子污染物(MIC)材料中以离子形态存在的金属离子，在半导体材料中有很强的可移动性。对芯片的危害：即便器件通过了电性能测试并且运送出去，MIC仍可在器件中移动，影响电学性能和长期可靠性。MIC问题在MOS器件中表现最为严重，会造成：氧化物-多晶硅栅结构性缺陷、pn结漏电流增加、少数载流子寿命减少、阈值电压改变金属离子中，Na最常见、移动性最强，是控制的首要目标，必须≤1010atoms/cm2金属离子的来源：

化学溶液：存在于绝大部分化学物质中。

微电子制造的各工序：离子注入造成的金属离子污染，在1012~1013atoms/cm2

之间。化学品与传输管道和容器的反应：一氧化碳能与不锈钢中的镍、垫圈以及气体传输系统中的其它元件反应，生成镍的四羰基化物颗粒，分布在硅片表面。附着在硅片上的途径：与硅片表面的氢原子发生电荷交换而被束缚在硅片表面。这类金属杂质很难消除。

硅片表面氧化时，金属杂质进入氧化层内。化学物质：工艺过程中所用到的化学试剂和水可能受到对芯片工艺产生影响的痕量物质的污染。它们可能导致晶片表面受到不需要的刻蚀，在器件表面生成无法去除的化合物，或者引起不均匀的工艺过程，是微电子工艺领域第三大主要污染物。细菌：在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物。它一旦在器件上形成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望见到的金属离子。静电：静电释放(ESD)也是一种污染，静电荷在两物体间未经控制地传递，可能损坏芯片。更重要的是，电荷积累产生的电场会吸引带电颗粒或极化并将中性颗粒吸引到硅片表面。掩模版上微粒污染效应掩模版上的微粒正光刻胶上的残留物负光刻胶上的洞孔薄膜薄膜基片基片微粒污染效应局部注入的接面微粒离子束光刻胶屏蔽氧化层光刻胶中的掺杂物污染控制：实际上，工艺过程中任何与产品接触的物质都是潜在污染源。主要有：空气、工艺使用水、工艺化学试剂、工艺气体、生产设备、净室人员每种污染源产生特殊类型和级别的污染，需要对其进行特殊控制以满足工艺要求。洁净技术概述洁净技术是指微电子技术中的环境净化技术；目前世界各国有许多自订的标准，但是最著名的洁净室(CleanRoom)标准是美国联邦标准FS209。空气：普通空气中含有许多污染物，必须经过处理才能进入微电子加工环境。空气洁净度：洁净环境中空气含悬浮粒子量的多少程度,以每立方米空气中的最大允许粒子数来确定。洁净度标准：a.以单位体积空气中大于等于规定粒径的粒子个数直接命名或以符号命名；b.以单位体积空气中大于等于规定粒径的2.08个粒子数的对数值命名。式中：Cn－空气含悬浮粒子最大允许浓度，pc/m3；N－分级序数，≤9，±0.1；D－被考虑粒径，μm。209D209E209E和209D等最大之不同点在于209E表示单位增加了公制单位，即洁净室等级以“M”字头表示，如M1、M1.5、M2、M2.5、M3......依此类推，其目的在于配合国际公制单位之标准化。M字母后之阿拉伯数目字是以每立方公尺中≧0.5um之微尘粒子数目字以10的幂次方表示，而取指数为之；若微尘粒子数介于前后二者完全幂次方之间(即非整数，则以1.5、2.5、或3.5......等表示之。空气洁净度美国联邦标准世界各国洁净度等级规格表空气中的污染源主要包括：大气尘和细菌大气尘：主要指大气中的悬浮微粒，粒径小于10微米，包括固态微粒和液态微粒。细菌：一般都附着于尘粒上面，在超净室环境中，其等效直径一般取为1－5微米。超净室低微粒数的人造环境最初的超净室是为了医院手术房而建的1950年之后半导体工业采用本项技术图形尺寸越小，超净室需要的纯净度越高微粒数越少，造价越高微粒是合格率的杀手

集成电路制造必须在超净室中进行超净室(cleanroom):泛指集成电路和其它微电子器件制造的生产车间，准确地讲，是指集成电路和其它微电子器件管芯加工的区间。

严格控制集成电路和其它微电子器件管芯加工空间室内的洁净度，目的是限制集成电路和其它微电子器件管芯制造过程中可能受到的污染。超净室(cleanroom)：1、屋顶：复杂的封闭式结构，有两种类型：a.轧制铝支架加现场制作的静压箱/风道；b.预制的整体式静压箱/风道加支架。终端过滤和照明均安装其上。2、墙：通常为预制模块化设计。由轧制铝框架构件及内部为蜂窝结构的铝板组成，其表面涂覆阳极化抛光层或环氧树脂层。不产生尘埃，具有很低的气体释放特性。初始投资额较大。3、地板：开孔混凝土＋网格高架地板＋侧回风格栅＋ESD级环氧树脂涂层。4、空调：排风、新风，温度、湿度。简单的洁净室操作规程只有经过授权的人员方可进入洁净室，没有接受过严格培训的不得入内(洁净室管理者有最后决定权)只把必需物品带入；禁止化妆品、香烟、手帕、卫生纸、食品饮料、糖果、木质/自动铅笔或钢笔、香水、手表、珠宝、磁带机、电话、摄像机、录音笔、香口胶、梳子、非洁净室允许的纸张等在洁净室中所有时间内保持超净服闭合；不要把任何非超净服装暴露于洁净室内。不要让皮肤的任何部分接触超净服外的部分始终确保所有的头部和面部头发被包裹起来，不要暴露脸上和头部的头发遵守进入洁净室的程序，如风淋和鞋清洁器；不要在所有程序完成之前开启任何一道通往洁净室的门缓慢移动；不要群聚或快速移动超净室等级等级10：每立方英尺内其直径大于0.5微米的微粒数目必须小于10颗等级1：每立方英尺内其直径大于0.5微米的微粒数目必须小于1颗0.18μm组件需要高于等级1以上的超净室0.1110100100010000100000Class100,000Class10,000Class1,000Class100Class10Class1微粒总数/立方英尺0.11.010以微米为单位的微粒尺寸ClassM-1超净室结构制备区设备区1000级设备区1000级孔状框型高架地板回风HEPA过滤网风扇帮浦、电力供应系统制备工具制备工具补充空气补充空气1级微粒最少环境等级1000的超净室，较低的成本董事长会议室的安排方式，制备和设备之间无墙面阻隔在晶圆和制备工具的周围环境较等级1佳制备工具间晶圆转移自动化微粒最少环境的超净室设备区1000级设备区1000级孔状框型高架地板回风HEPA过滤网风扇帮浦、电力供应系统制备工具补充空气补充空气制备工具HEPA过滤网<1级更衣区无尘衣挂架长椅手套、发套和鞋套架弃物箱刷洗/清洁位置储物区手套架手套架入口往超净室传统洁净室的问题技术：由于制造技术的迅猛发展，目前集成度越来越高、特征尺寸已进入纳米尺度，硅片直径也开始向400mm发展，这样就提出了新的目标，即所谓“零污染”。传统的洁净室技术已很难进一步满足日益发展的制造工艺的环境要求。成本：面对越来越高的洁净度要求，传统洁净室系统即使技术上能满足要求，高昂的造价和运行费用对成本的影响也非常大。传统洁净厂房的投资费用一般不少于总投资的25%。微环境技术和微环境系统：微环境技术由隔离技术和微环境洁净技术两部份组成，二者有很强的依存关系。硅片隔离技术：加工过程中使硅片与厂房环境和操作人员实行彻底的隔离，根本解决人在接触/靠近硅片过程中造成硅片损伤、污染、成品率下降的问题。隔离技术由四个基本区域组成：a.生产中各工序需要最高洁净度的空间。b.阻止污染进入最高洁净度空间的技术和产品。c.生产过程中产品进入隔离空间以及在不同洁净度环境之间的运送技术和系统。d.适应生产中工艺布局更改和设备更新的、无危害性后果的拆分和重建隔离环境的技术。微环境系统：与污染源隔离开来并有一定洁净度要求的工艺区。可以是包含整台工艺设备的区域，也可以是仅仅包含工艺设备中某一部份的区域。典型的微环境系统一般由标准机械接口(SMIF)系统和灵敏跟踪系统(STS)组成，作为一种标准方式在超洁净的隔离条件下将硅片与工艺设备相接合。SMIF系统：

SMIF容器(

SMIFPod)

SMIF导引器(

SMIFIndex)

SMIF装卸器(

SMIFLoader)

SMIF机械手(

SMIFArm)

SMIF围护(

SMIFEl)与传统的洁净室概念不同的是，采用SMIF微环境技术不是通过将工艺设备置于要求级别的洁净环境中，而是将要求级别的洁净环境置于工艺设备中，从而带来了许多优点：能确保关键部位工艺的高洁净度环境，从而确保高成品率；适应产品变换所要求的工艺变更，具有高灵活性；能大大降低微环境外部的洁净度等级要求，降低了运行成本；也降低了对洁净室工作人员的净化要求等。微环境系统与传统洁净室的比较根本解决人在接触/靠近硅片过程中造成硅片损伤、污染、成品率下降的问题；大大降低投资费用；建造速度快。在对现有生产线的改造方面更有优势；在工艺变动上有更大灵活性；大大降低运行费用。设备：生产设备是微电子制造过程中最大的颗粒来源。工艺设备造成颗粒污染的原因很多，例如：剥落的反应副产物积累在腔壁上

自动化的硅片装卸和传送机械操作，如旋转手柄和开关阀门真空环境的抽取和排放清洗和维护解决办法：综合连续加工(ISP：IntegratedSequentialProcess)/组合设备(ClusterTool)设备本身控制污染超纯水：是指杂质含量极低的水，主要用于晶片、石英器皿、工装夹具等的清洗以及化学试剂的配制。一般要求悬浮颗粒直径在0.45μm以下，细菌数在0-10个/mL，25℃时电阻率在10MΩ·cm以上。衡量水的指标有：颗粒、总有机碳(TOC)、Si/SiO2、溶解氧(DO)、电阻率等。超纯水的制备方法主要有：离子交换法、反渗透法和电渗透法等。超纯去离子水不允许有的污染物包括：溶解离子：Na、K等容易形成离子的矿物质；有机物质：称为有机碳总量(TOC)，溶解在水中的含碳化合物的总和。有机玷污对氧化层生长具有破坏性作用；细菌：水中的细菌带来自然氧化层、多晶硅和金属导体层的缺陷。某些含磷细菌能引起不受控制的掺杂；硅土：细碎的悬浮颗粒，可能淤塞净化设备的过滤装置，并降低生长氧化物的可靠性；溶解氧：导致自然氧化层或引起硅片表面的不完全湿润。一条200mm工艺线中，制造每个硅片的超纯水消耗量超过2000加仑。1英国加仑等于4.5459711330833升气体：通常分为两类—常用气体和特殊气体。a.常用气体：氧气、氢气、氮气、氩气和氦气(惰性、氧化性和还原性)，纯度要求≥99.99999％，有害杂质含量10-6

量级。一般被存储在制造厂外的大型存储罐或大型管式拖车内，通过批量气体配送(BGD)系统输送到生产车间。或者现场制气。BGD系统集中控制气体的优点是：可靠且稳定气体供应减少杂质微粒的污染源减少供应中的人为因素b.特殊气体：氢化物、氟化物、酸性气体等，许多必需原料的来源。氨气(NH3)易燃，腐蚀，低毒

扩散，LPCVD，PECVD氟里昂14(CF4)惰性

刻蚀，镀膜，等离子刻蚀氟里昂23(CH3F)易燃

刻蚀氪/氖(Kr/Ne)惰性

平板印刷，激光气溴化氢(HBr)腐蚀，有毒

刻蚀三氟化氮(NF3)氧化剂，低毒

刻蚀，镀膜一氧化二氮(N2O)氧化剂

扩散，镀膜，形成氮化硅层硅烷(SiH4)自燃，可燃LPCVD，PECVD六氟化钨(WF6)腐蚀，有毒LPCVD钨纯度要求≥99.99％，有害杂质含量10-6量级，杂质微粒控制在0.1μm之内，其它需要控制的污染物是氧、水分和痕量杂质(如金属)。特种气体系统：出于消除安全隐患、减少玷污、节约成本、减少环境污染等方面的考虑，特种气体一般通过管道、现场制气或深冷储罐来输送。c.超纯气体：一般指纯度在99.9999%以上的气体。在微电子工艺中最常用的气体是：氧气O2、氮气N2、氢气H2和氩气Ar。超纯气体在使用前，还需要进一步提纯。化学试剂化学试剂的纯度分为：化学纯、分析纯、电子纯、MOS级、BV-Ⅰ级、BV-Ⅱ级和BV-Ⅲ级等。而用于超大规模集成电路中的化学试剂纯度一般要求在电子纯以上电性杂质含量极低，≤10-9量级。微电子工艺用化学品清洗工艺材料及化学品微粒NH4OH/H2O2金属杂质H2SO4/H2O2,HCl/H2O2/H2OHNO3/HF/H2O有机物H2SO4/H2O2NH4OH/H2O2/H2O氧化层HF/H2O干燥IPA光刻工艺材料及化学品曝光光刻胶(G线、I线、深紫外光刻胶)显影显影液刻蚀工艺材料及化学品SiO2HF,HF/NH4N(BHF)系Si，非晶硅HF/HNO3/CH3COOH系Si3N4H3PO4AlH3PO4/HNO3/CH3COOH系化学气相沉积工艺材料及化学品介电前驱体TEOS,TMPI,TMB,TDEAT,TAETO,DMAH,TDMAT,Ba1-xSrxO3前驱体金属前驱体Cu、Al、Ti的前驱体平坦化工艺材料及化学品SOG硅酸盐、硅氧烷TEOSCMP介电膜SiO2Slurry,PUPad,carrierFilm金属膜Al2O3Slurry,PUPad,carrierFilm集成电路制备流程图光刻技术薄膜生长、沉积，和(或)化学机械抛光刻蚀光刻胶剥除光刻胶剥除离子注入快速高温退火或扩散半导体生产工厂的平面图制备区间更衣区走道设备区拉门服务区半导体生产工厂基本平面图更衣区紧急出口服务区制备和度量工具湿式制备干燥刻蚀、光刻胶涂布或清洗冲洗中心带区平带区距离温度加热线圈石英管气流晶圆水平炉管垂直炉管制备反应室晶圆塔状承座加热器轨道步进机整合示意图加热平台底层涂布反应室冷却平台冷却平台自旋涂布站显影站步进机晶圆移动方向晶圆具备刻蚀和光刻胶剥除反应室的集群工具转换室光刻胶剥除反应室装载站刻蚀反应室光刻胶剥除反应室刻蚀反应室卸除站机械手臂具备电介质化学气相沉积(CVD)及回刻蚀反应室的集群工具转换室装载站PECVD反应室O3-TOES反应室卸除站机械手臂Ar离子溅射室具有气相沉积(PVD)反应室的集群工具转换室装载站Ti/TiN反应室AlCu反应室卸除站机械手臂AlCu反应室Ti/TiN反应室干进、干出多抛光头的化学机械抛光(CMP)系统晶圆装载及等待位置CMP后段清洁位置清洗位置干燥及晶圆卸除位置多抛光头抛光机抛光衬垫清洁机台抛光头制备区和设备区制备区设备区设备区制备工具计算机桌与测量工具桌服务区拉门晶圆装载门测试结果失效晶粒芯片接合结构硅芯片芯片背面金属化焊接材料基片金属化基片(金属或陶瓷)微电子组件和电路融熔及凝固打线接合制备金属线形成融熔金属球接合垫片接合垫片接合垫片紧压使之连结接合垫片打线头退返线夹打线接合制备引线接合垫片接合垫片引线施压及加热使金属线连结引线线夹闭合加热以截断金属线带有接合垫片的集成电路芯片接合垫片IC芯片封装引线端芯片接合垫片具有金属凸块的集成电路芯片凸块覆晶封装芯片凸块插座引线端凸块接触芯片凸块插座引线端加热和凸块融熔芯片凸块插座引线端覆晶封装技术芯片插座引线端塑料封装的封胶空腔截面图接合线IC芯片脚架Pins芯片接合金属化顶部凹槽底部凹槽封胶空腔陶瓷封装陶瓷覆盖层接合线IC芯片引线架，第1层引线端覆盖层密封金属化芯片接合金属化第2层第2层基本器件电阻器电容器二极管双极型晶体管金氧半场效晶体管电阻器lhwrr：电阻率通常用多晶硅制作IC芯片上的电阻器电阻的高低取决于长度、线宽、结深和掺杂浓度hkldk：电介质常数电容器电荷储存器件存储器件，如DRAM挑战：在维持相同电容量的条件下降低电容的尺寸高-k

介质材料电容器多晶硅1多晶硅2氧化层多晶硅1多晶硅2介质层介质层重掺杂硅平行板堆栈深沟槽式多晶硅硅金属间互连与RC时间延迟I金属，r电介质，kdwl二极管P-N结仅准许电流在正向偏压时候通过PN++++++++++----------过渡区(耗尽区)V0VpVn内电压硅V0~0.7V二极管的I-V曲线双极型晶体管PNP或NPN结当作开关使用放大器模拟电路快速、高功率器件NPN和PNP晶体管NNPEBCPPNEBCNPN双极型晶体管N型外延层pn+电子流n+n+

深埋层p+p+SiO2Al•Cu•Si基极集极射极P型硅n+

深埋层n型外延层pp场氧化层场氧化层CVD氧化层CVD氧化层n+CVD氧化层多晶硅集极射极基极金属n+场氧化层侧壁基极接触式NPN双极型晶体管P型硅金属氧化半导体晶体管金属氧化半导体也称作金氧半场效晶体管(MOSFET)简单对称的结构可做为开关，有助于发展数字逻辑电路在半导体工业中被广泛使用NMOS器件基本结构VGVD接地n+金属栅极源极漏极n+VDVG氧化层P型硅NMOS器件+金属栅极SiO2源极漏极n+VD>0VG>VT>0+++++++-------电子流正电荷负电荷没有电流n+SiO2源极漏极n+VDVG=0nP型硅P型硅PMOS器件+金属栅极SiO2源极漏极p+VD>0VG<VT<0+++++++-------空穴电流正电荷负电荷没有电流p+SiO2源极漏极p+VDVG=0pN型硅N型硅金氧半场效晶体管MOSFET和饮水机(DrinkingFountain)MOSFET源极，漏极，栅极源极/漏极偏压栅极加上偏压做为开(关)电流从源极流到集极饮水机

源，漏，栅阀受压力作用的源阀对栅阀加压(按钮)做为开(关)水流从源极流到集极基本电路BipolarPMOSNMOSCMOSBiCMOS不同基片的器件双极型金氧半场效晶体管双极型互补型金氧半晶体管硅砷化镓：可制作频率达20GHz的器件发光二极管(LED)化合物双极型：高速器件锗主导IC工业半导体产品的市场占有率金属半场效晶体管100%50%198019902000化合物半导体双极型晶体管88%8%4%双极型集成电路最早的IC芯片1961，四个双极型晶体管，$150.00市占率快速下降在模拟系统和电源供应器件仍在使用电视，放映机，手机等.PMOS第一个金氧半场效晶体管，19601960年代用在数字逻辑器件在1970年代中期代替NMOSNMOS较PMOS快1970到1980年代用在数字逻辑器件电子表以及手持式电子计算器1980年代被CMOS取代CMOS1980年代刊开始被广泛用在IC芯片的电路中低消耗功率具温度的高稳定性较高的抗噪声能力对称式设计VinVoutVddVssPMOSNMOSCMOS反相器CMOSICP型硅USGN型硅BulkSi多晶硅STIn+

源极/漏极p+源极/漏极氧化物栅BICMOS结合CMOS和双极型电路主要发展在1990年代CMOS做为逻辑电路双极型做为输出入器件速度比CMOS快高功率消耗当IC电力的供应降到1伏特以下就会丧失应用性IC芯片组内存微处理器

特殊应用的集成电路(ASIC)记忆芯片组以电荷形式的储存器件挥发性内存动态随机存储器(DRAM)静态随机存储器(SRAM)非挥发性内存

可抹除编程只读存储器(EPROM)闪存(FLASH)基本DRAM内存单元字符线位线VddNMOS电容DRAM计算机和电子仪器的主要储存器件是IC制程发展的主要驱动力一个晶体管和一个电容SRAM做为计算机的贮藏式内存来储存最常用的指令由六个晶体管器件组成速度比DRAM快制程更复杂、价格更昂贵EPROM非挥发式内存需要电力来保存资料利用计算机偏压的记忆装置贮藏开机用的指令悬浮栅极用紫外线来清除芯片记忆EPROMn+栅氧化层源极漏极n+VDVG多晶硅1多晶硅2多晶硅间电介质可透过UV光线的钝化电介质悬浮栅极控制栅极P型硅EPROM写入步骤n+栅氧化层源极漏极n+多晶硅2多晶硅间电介质可透过UV光线的钝化电介质VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-电子注入悬浮栅极控制栅极P型硅EPROM删除步骤n+栅氧化层源极漏极p-Sin+多晶硅2多晶硅间电介质可透过UV光线的钝化电介质VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-电子穿隧悬浮栅极控制栅极紫外光IC制程摘要

IC生产工厂

添加制程

移除制程

加热制程图案化制程

离子注入

扩散

生长薄膜，SiO

沉积薄膜

晶圆清洗

刻蚀

化学机械研磨

退火

再流动

合金化

光刻技术

CVD

PVD

电镀

图案化刻蚀(RIE)剥除全区刻蚀

电介质

金属

外延，多晶硅

电介质

金属光刻胶涂布(添加)烘烤(加热及移除)

显影(移除)金属氧化物

离子注入

曝光(加热)

基本双极型晶体管制程深埋层掺杂外延硅生长绝缘区和晶体管掺杂连接导线钝化保护植入深埋层P型硅SiO2n+外延硅生长

n+深埋层N型外延层P型硅植入绝缘区p+p+N型外延层P型硅

n+深埋层植入射极、集极和基极p+p+pn+n+P型硅N型外延层

n+深埋层沉积金属层p+p+射极基极集极SiO2Al•Cu•Sip+n+nP型硅N型外延层

n+深埋层钝化保护的氧化沉积射极基极集极Al•Cu•SiCVD\氧化层SiO2p+p+N型外延p+n+nP型硅

n+深埋层MOSFET有助于数字电子的发展主要的驱动力：手表计算器个人计算机网际网路电信1960s：PMOS制程双极型晶体管为主第一颗MOSFET在贝尔实验室制造硅基片掺杂扩散硼在硅中的扩散速度较快PMOSPMOS的制程流程(1960s)晶圆清洗(R)刻蚀氧化层(R)场区氧化(A)剥除光刻胶(R)掩模版1.(源极/漏极)(P)铝沉积(A)刻蚀氧化层(R)掩模版4.(金属)(P)光刻胶剥除/清洗(R)刻蚀铝(R)S/D扩散(硼/氧化反应)(A)剥除光刻胶(R)掩模版2.(栅极)(P)金属退火(H)刻蚀氧化层(R)CVD氧化层(A)光刻胶剥除/清洗(R)掩模版5.(接合垫区)(P)栅极氧化(A)刻蚀氧化层(R)掩模版3.(接触窗)(P)测试和封装晶圆清洗、场区氧化及光刻胶涂布N-型硅原生氧化层N-型硅N-型硅场氧化层N-型硅底漆层光刻胶t场氧化层光刻技术和刻蚀N-型硅源极/漏极掩模版光刻胶场氧化层N-型硅源极/漏极掩模版光刻胶紫外光N-型硅光刻胶场氧化层N-型硅光刻胶场氧化层源极/漏极掺杂极栅极氧化N型硅场氧化层N型硅p+p+场氧化层N型硅p+p+场氧化层N型硅p+p+栅氧化层场氧化层接触窗孔，金属化和钝化N型硅p+p+栅氧化层场氧化层N型硅p+p+栅氧化层场氧化层Al∙SiN型硅p+栅氧化层场氧化层p+栅氧化层

N型硅CVD覆盖氧化物PMOS的说明N型硅栅氧化层CVD覆盖氧化层p+p+1970年代中期之后的NMOS制程掺杂：离子注入技术取代扩散NMOS取代PMOSNMOS速度比PMOS快自我对准的源极/漏极主要驱动力量：手表和计算器P型硅场氧化层栅极源极/漏极栅氧化层磷离子，P+n+n+多晶硅自对准的源极/漏极注入NMOS制备步骤(1970s)晶圆清洗PSG回流生长场氧化层掩模版3.接触窗掩模版1.器件区刻蚀PSG/USG刻蚀氧化层光刻胶剥除/清洗光刻胶剥除/清洗铝沉积生长栅氧化层掩模版4.金属沉积多晶硅刻蚀铝掩模版2.

栅极光刻胶剥除/清洗刻蚀多晶硅金属退火光刻胶剥除/清洗CVD氧化层S/D注入掩模版5.

接合垫区退火及多晶硅再氧化刻蚀氧化层CVD生长USG及PSG测试及封装NMOS制备步骤清洗氧化刻蚀多晶硅沉积P+离子注入场区氧化栅极氧化多晶硅刻蚀退火

p-Sin+

n+

p-Sip-Sip-Sipolypolypolypolyp-Sip-Sip-Sip-SiPSG刻蚀金属刻蚀金属沉积氮化硅沉积PSG沉积PSG回流n+

n+

polypolypolypolypolypolyPSGPSGPSGPSGPSGPSGAl·SiAl·SiAl·SiSiNp-Sip-Sip-Sip-Sip-Sip-SiNMOS制备步骤CMOS1980年代MOSFETIC超过双极型晶体管LCD取代LED电路的耗电量CMOS取代NMOS直到成为IC市场的主流信息革命的骨干CMOS的优点功耗低；温度稳定性高；抗噪声能力好CMOS反相器电路图、符号和逻辑表Vin

Vout

VssVddVinVoutPMOS

NMOS

In Out0 11 0有双金属层的CMOS芯片截面P型基片p+p+N型阱区SiO2LOCOSBPSGAl·Cu·Si金属2，Al·Cu·Si氮化硅氧化硅USG沉积/刻蚀/沉积多晶硅栅极IMDPMDPD2PD1p+p+n+n+142FSG金属4铜钝化层1，USG钝化层2，氮化硅铅锡合金凸块FSG铜金属2FSGFSG铜金属3FSGP型外延层P型晶圆N型阱区P型阱区n+STIp+p+USGn+PSG钨FSGCuCu钽阻挡层氮化硅刻蚀阻挡层氮化硅密封层M1钨局部互连钨栓塞PMD氮化硅阻挡层Ti/TiN阻挡及附着层钽阻挡层有四层金属的CMOS芯片截面半导体是什么?介于导体和绝缘体之间通过掺杂物控制导电性硅和锗半导体化合物碳化硅，锗化硅砷化镓，磷化铟，等.元素周期表半导体基片与掺杂物基片P-型掺杂物N-型掺杂物单原子的轨道示意图与能带价带，Ev能隙，Eg核外层原子核导带，Ec能带、能隙和电阻率Eg=1.1eVEg=8eV铝2.7mΩcm钠4.7mΩcm硅~1010mWcm二氧化硅>1020

mWcm导体半导体绝缘体硅的晶体结构-SiSiSiSiSiSiSiSiSi共用电子为什么用硅丰度高，价格不贵容易在热氧化过程中生长一层二氧化硅热稳定性二氧化硅具强介电性二氧化硅可以做为扩散掺杂的遮盖硅元素的性质名称硅符号Si原子序14原子量28.0855发现者钟斯、杰可柏、柏塞利尔斯发现地点瑞典发现日期1824名称来源由拉丁字silicis衍生而来，意指火石单晶硅的键长度2.352Å固体密度2.33g/cm3摩尔体积12.06cm3音速2200m/sec电阻系数100，000μΩ．cm反射率28%熔点1414°C沸点2900°C单晶硅晶格结构的晶胞晶向平面：<100>xyz<100>平面晶向平面：<111>xyz<100>平面<111>平面晶向平面：<110>xyz<110>平面<100>晶向平面的晶格结构硅原子基本晶胞<111>晶向平面的晶格结构硅原子基本晶胞<100>晶圆上的刻蚀斑<111>晶圆上的刻蚀斑硅原子杂质原子在取代位置上法兰克缺陷空位或肖特基缺陷杂质原子在间隙位置上硅间隙原子硅晶体的缺陷位错缺陷硅材料的一般特性1、电阻率ρ：半导体的电阻率介于导体与绝缘体之间。2.导电能力σ=1/ρ(影响因素)①．导电能力随温度上升而迅速增加一般金属的导电能力随温度上升稍有下降，且变化不明显。硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常明显(在室温下)从电阻率来分金属：ρ<10Ω·cm半导体：ρ=10Ω·cm~104Ω·cm绝缘体：ρ>104Ω·cm举例：

Cu：30C~100C增加不到一半(正温度系数)

Si：30C~20C增加一倍(负温度系数)②．半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化一般材料纯度为99.9％，含有0.1％的杂质不会影响其性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：＝21400Ω·cm如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω·cm。因此根据这一性质，通过控制掺杂的水平来获得所需的半导体材料导电能力。③半导体的导电能力随光照而发生显著变化；④半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化。n-型(砷)掺杂硅及施主能级-SiSiSiSiSiSiSiSiAs额外电子价带，EvEg=1.1eV导带，EcEd~0.05eVp-型(硼)掺杂硅及其受主能级价带，EvEg=1.1eV导带，EcEa~0.05eV电子-SiSiSiSiSiSiSiSiB

空穴半导体含有两种载流子：电子(带负电)和空穴(带正电)。本征半导体(纯净硅)

:载流子的浓度在室温(T＝300K)下为：cm-3当硅中掺入Ⅴ族元素P时，硅中多数载流子为电子，这种半导体称为n型半导体。cm-3当硅中掺入Ⅲ族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为p型半导体。cm-3空穴移动的示意说明价带，EvEg=1.1eV导带，EcEa~0.05eV电子空穴电子空穴价带，EvEg=1.1eV导带，Ec价带，EvEg=1.1eV导带，Ec电子空穴掺杂浓度和电阻率掺杂浓度电阻率P-型，硼N-型，磷掺杂浓度越高，提供的载流子越多(电子或空穴)，导电性越高，电阻率越低。电子运动速度比空穴快，相同浓度下，N-型硅比P-型硅电阻率低Si：①占地壳重量25%；②单晶直径最大，目前16英吋(40cm)，每3年增加1英吋；③SiO2:掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘介质(多层布线)、绝缘栅、MOS电容的介质材料；④多晶硅(

Poly-Si)：栅电极、杂质扩散源、发射极互连线(比铝布线灵活)。Ge：①漏电流大：禁带宽度窄，仅0.66eV(Si:1.1eV)；②工作温度低：75℃(Si:150℃)；③GeO2:易水解(SiO2稳定)；④本征电阻率低：47Ω·cm(Si:2.3×105Ω·cm)；⑤成本高。硅与锗的比较对衬底材料的要求1．导电类型：N型与P型都易制备；2．电阻率：0.01--105Ω·cm，且均匀性好(纵向、横向、微区)、可靠性高(稳定、真实)；3．少子寿命：晶体管—长寿命；开关器件—短寿命；4．晶格完整性：无位错、低位错(<1000个/cm2)；5．纯度高：电子级硅(EGS)—1/109杂质；6．晶向：双极器件—<111>；MOS—<100>；GaAs—<100>；7．直径：8．平整度：9．主、次定位面：10.禁带宽度、迁移率、晶格匹配等。原料：硅砂(SiO2)⎯石英砂、石英石高温碳还原：SiC＋SiO2→Si＋SiO↑＋CO↑粗硅/冶金级硅：98%SiO2＋C→Si＋CO↑(1600-1800℃)高温氯化：Si＋3HCl→SiHCl3↑＋H2↑(300℃)Si＋Cl2→SiCl4↑(500-700℃)高温氢还原：SiCl4

冷凝后为液态，SiHCl3室温下呈液态沸点为32℃，经多级精馏提纯SiHCl3＋H2→Si＋3HCl↑SiCl4

＋H2→Si＋4HCl↑(1000-1200℃)电子级高纯片状多晶硅(EGS)制备器件级单晶硅的原材料SiO2

+

C

®

Si+CO2

砂

碳冶金级硅二氧化碳Si+HClTCS硅粉末氯化氢过滤器冷凝器纯化器99.9999999%纯度的三氯硅烷反应器，300C

加热(2000°C)

加热(1100°C)SiHCl3

®

Si+3HCl

三氯硅烷

氢气电子级硅氯化氢

+H2液态三氯硅烷H2载送气体的气泡氢和三氯硅烷制程反应室TCS+H2EGS+HCl电子级硅数据源：http：/semiconductors/_polysilicon.html制备方法查克洛斯基直拉法(CzochralskiMethod)(硅单晶)*区熔法(FloatingZoneMeltingMethod)(硅单晶)布里奇曼法(GaAs单晶)(略)中子嬗变掺杂法(硅单晶)其本质都是把熔融硅冷却成硅晶体。直拉单晶和区熔单晶。在集成电路工业中使用的硅几乎全部是用直拉法生产的。1.直拉法单晶炉的组成(1)炉子：石英坩埚(盛熔融硅液)，石墨基座(支撑石英坩埚；加热坩埚)和旋转机构(顺时针转)，加热元件与电源(RF线圈)，炉膛(2)拉单晶结构：籽晶轴杆或链条，旋转提拉装置(逆时针)，籽晶夹具[夹持籽晶(单晶)](3)环境气氛控制系统：气体源，流量控制，钝化管道，排气或真空系统(4)电子控制反馈系统：微处理机，传感器，输出部件炉子：单晶生长系统的最重要部件要算坩埚。理想的坩埚材料应满足以下要求：(1)不与熔硅反应，也不溶解于熔硅(2)在硅熔点(1420℃)附近的温度条件下具有较好的热稳定性和机械强度(3)价格便宜，加工方便还没有一种高温材料满足要求。目前，熔融硅土是目前唯一使用的材料。基座是用于支撑石英坩埚的，因为石墨的高温性能好，所以使用高纯石墨做基座。为了融化硅材料，采用射频加热，或电阻加热。射频加热加热用于小量熔体，但在大单晶炉中只用电阻加热。拉晶机构：拉晶机构是执行晶体旋转和向上提拉的机构。要求以最小的振动和很高的精度控制生长工艺。气氛控制：CZ法生长硅必须在惰性气体或真空中进行。因为：(1)热的石墨部件必须保护以防止氧的侵蚀；(2)工艺中所用的气体应该不与熔融的硅起反应。控制系统：控制系统在拉晶过程中控制着晶体生长的基本工艺参数。石墨坩埚单晶硅硅棒单晶硅种晶石英坩埚加热线圈1415°C融熔硅三菱(Mitsubish)材料硅资料来源：http：/semiconductors/_crystalgrowing.html通过将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制单晶硅。单晶生长过程实际上是液相固相的转化过程。

该转化过程实现的条件：液相—固相界面附近存在温度梯度(dT/dt)。1在转化的过程中，界面附近区域中存在着由界面结晶硅的热流密度J1和由熔硅界面的热流密度J2；说明:直拉法基本原理固过液2随着晶体生长，一部分熔硅转化为晶体，使液面不断下降。3为了形成n型或p型衬底材料，拉晶过程中可加入掺杂剂。两者之差为界面区单位时间内释放的潜能E(即E=J1-J2)；拉晶过程准备工作1.处理好多晶硅，放入炉内坩埚中；2.抽真空或通入氩气进行熔硅处理；3.待熔硅稳定后，即可拉制单晶;4.掺杂剂制作，籽晶，坩埚，多晶硅掺杂剂采用重掺杂单晶；5.籽晶控制熔硅的核化和单晶的晶向。籽晶应当从无位错单晶锭上切取;6.多晶硅是制取单晶硅的基本原料，应具有电子级纯度。拉晶过程：熔硅，引晶，收颈，放肩，收肩，等径生长，收尾。

1.熔硅：将坩埚内多晶料全部熔化；注意事项：熔硅时间不易长；2.引晶：将籽晶下降与液面接近，并预热几分钟，俗称“烤晶”，以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，控制温度使熔体在籽晶上结晶；

3.收颈：指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。4.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40℃)，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。

5.等径生长：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，称为收肩。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。6.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。数据源：http：/semiconductors/_crystalgrowing.html拉晶过程(示意图)3.保持液面在温度场中的位置不变；坩埚必须自动跟随液面下降而上升；同时拉晶速度能自动调节以保持等径生长。收尾

直拉法生长单晶过程示意图放肩

细颈

等径

细颈

放肩

等径

收尾

引晶

籽晶轴多晶硅引晶

1.籽晶轴以一定的速度旋转；同时坩埚反方向旋转。2.细颈为了抑制位错向下延伸；通过增加提拉速度来实现。直拉法生长单晶的特点优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低;通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶(含氧量通常10-40ppm)

Ar

ambient

籽晶

单晶棒

石英坩埚

水冷腔

热屏蔽

碳加热器

石墨坩埚

坩埚基座

溢出托盘

电极

→

C

≈

1015-1016cm-3→

Introduces

SiO2

in

CZ;Oi≈1017-1018cm-3

EGS中杂质

<

1

ppb，晶体生长引入

O（≈

1018

cm-3）

和

C

（≈

1016cm-3），融硅中掺杂杂质

P、B、As

等直拉法中需要注意的问题单晶与坩埚相反旋转－导致熔体中心区与外围区发生相对运动，降低熔料的温度梯度，有利于晶体稳定生长。但是旋转速度要适中。拉升速度要适中－提高拉升速度将提高晶体中的温度梯度，从而提高晶体生长速度。但温度梯度过大，将在晶体中产生较大的热应力和晶体缺陷的形成，因此晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。Q－传热在磁场中拉硅单晶－增加磁粘滞性，改善了CZ方法中由于熔体热对流存在引起的氧含量增加、电阻率均匀性差、微缺陷密度高以及来自坩埚杂质污染使单晶纯度降低等缺点。界面区域的热传输一维连续性方程：固-液界面温度分布单晶生长的速度dz/dt假设：界面附近区域中，由界面结晶硅的热流密度为由熔硅界面的热流密度为则两者之差为界面区单位时间内释放的潜能E(即E=J1-J2)；晶体生长速度cm/s晶体质量密度kg/cm3单位面积结晶质量速度kg/s·cm2

结晶潜热eV结晶硅的热导率W/s·cm2熔硅的热导率过渡层固相(单晶)液相(熔硅)固-液界面J2J1ZT硅单晶生长的最大速度由上式可得：假设硅的固、液转化体积不变，则根据△VL=△VS可得：液面下降的最大速度R——坩埚的半径r—单晶的半径液面下降的速度l当，即界面附近液相一侧无温度梯度时，则单位面积硅结晶的速度(即硅单晶的生长速度、也是坩埚提升的速度)最大。杂质分布固溶度:在一定温度下，杂质能溶入固体硅中的最大浓度。平衡浓度:平衡时杂质在固体或液体中的浓度。平衡分凝系数(SegregationCoefficient)

0

平衡时杂质在相接触的两相物质(或两种物质)中的平衡浓度之比。0为一常数，随系统而变化。如：在硅(S)—硅(L)系统中，磷0=0.35；硼0=0.8；而在硅—二氧化硅系统中，磷m=10；硼m=0.3；由于B、P的分凝系数比其它杂质大，因此，在制作硅单晶材料时，常用B、P作为的掺杂剂。有效分凝系数

e

平衡时杂质在固体界面处的平衡浓度与液体中过渡区外的杂质比浓度(非平衡浓度)之比。e表示杂质浓度之比偏离平衡分凝系数的程度。(1)过渡区的杂质分布过渡区杂质的连续性方程：在拉晶的过程中，由于杂质的分凝，在界面附近的过渡区存在一定的分布

表示单位时间内过渡区杂质数的变化等于从熔硅扩散到过渡区的杂质数与从过渡区结晶成固体硅的杂质数总合。边界条件：Z=0,N(0)=Nl’

；Q=0；即可求得过渡区的杂质分布为：稳态时：过渡区固相(单晶)液相(熔硅)固-液界面N固-液界面杂质分布NlN’lNSOlZ0杂质通量总和N(l)=Nl

(2)单晶硅中的杂质分布当杂质浓度平衡浓度时，界面过渡区杂质(Q=0)；当杂质浓度偏离平衡浓度时，界面就有杂质流过(Q≠0)，形成非平衡条件下的界面杂质流。用有效分凝系数χe来表示单晶硅中沿生长轴方向杂质(的质量比)浓度Nso分布:可见，χe

主要受结晶速度υl、杂质在熔硅中的扩散系数Dl的影响,而Dl(T)、υl(dT/dt)均与T有关。假如在晶体的生长过程中，过渡区杂质分布不变，初始熔硅的质量为Wl，当结晶硅的质量达到WS时，熔硅中的杂质质量还剩Wil，则熔硅中过渡区外的杂质质量比浓度近似为：单晶硅的电阻率ρz是NSO的函数，而NSO随χe(T,dT/dt)变化的。所以，保证拉晶过程中的T、dT/dt的稳定性对单晶电阻率的均匀性很重要。量为dWs的结晶硅从熔硅中带走的杂质质量为：设熔硅的初始杂质质量比浓度为Nl0，则上式两边求定积分：求解上式，可得单晶硅中(沿生长轴方向)杂质的质量比浓度为：平衡分凝系数对晶体杂质分布的影响假设某种杂质的平衡分凝系数为k0=Cs/Cl，它在初始重量为M0的熔融硅中的初始掺杂浓度为C0。在晶体生长过程中，如果已生长成晶体的重量为M，依然留在熔融液中的掺杂数量(以重量表示)为S，那么，−dS=CsdM。此时，熔融液所剩重量为M0－M，则：

显然，已知初始掺杂总量为C0M0，对上式积分：解此方程，可得：如果k0>1，掺杂浓度将会持续减少，晶锭头浓度>晶锭尾浓度；如果k0<1，掺杂浓度将会持续增加，晶锭头浓度<晶锭尾浓度；只有k0

≈1，可以获得均匀的掺杂浓度分布。硅中常见掺杂杂质的平衡分凝系数杂质

k0

类型

杂质

k0

类型B8×10−1

pAs3×10−1

nAl2×10−3

pSb2.3×10−2

nGa8×10−3

pTe2×10−4

nIn4×10−4

pLi1.0×10−2

nO1.25nCu4.0×10−4

深能级C7×10−2

nAu2.5×10−5

深能级P0.35n例题：用直拉法生长硅单晶时，应在熔融液中掺入多少硼原子，才能使硅锭中每立方厘米含1016

个硼原子？假设开始在坩埚里有60kg的硅，若要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼(硼的摩尔质量为10.8g)？已知掺硼时的平衡分凝系数k0=0.8，融熔硅的的密度为2.53g/cm3。解：我们假设在整个晶体生长过程中Cs=k0Cl，硼原子在融熔硅中的平衡浓度为：Cl=Cs/k0=1016/0.8=1.25×1016个/cm3硼原子在融熔硅中的初始浓度为：C0=Cl=1.25×1016个/cm3因为硼原子的浓度如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的重量来计算。60kg熔融液的体积为：V=2.37×104

(cm3)那么，硼原子在融熔液中的总数为：C0V=1.25×1016×2.37×104=2.96×1020(个)所以需掺硼的重量为：2.96×1020×10.8/6.02×1023

=5.31×10−3(g)=5.31(mg)例题：采用CZ法生长的硅单晶顶端硼原子浓度为3×1015/cm3，那么当熔料90%已经结晶，剩下10%开始生长时，该处生长的硅单晶中硼浓度是多少。解：根据公式Cs=k0C0(1-X)k0-1有：Cs(x=0)=k0C0=3×1015/cm3查表得知B的分凝系数为0.8，则：Cs(x=0.9)=k0C0×0.1-0.2=4.75×1015/cm3杂质分布均匀性控制选用K0接近1的杂质，则Cs≈Cl，减小在单晶生长过程中的固－液浓度梯度。从Ke的表达式来看，适当增加拉单晶速度V，可以使Ke接近1。从Ke的表达式来看，增加附面层厚度，可以使Ke接近1，可通过降低旋转速度实现。区熔提纯利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次(多次区熔)使杂质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较(K=0.01)单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好多次区熔提纯

拉制大直径单晶硅的注意事项熔硅的热对流(dT/dt引起的热对流；转动引起的热对流)：热对流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衡和不稳定，导致单晶径向电阻率不均匀。因此，一般采用晶体旋转方向与热对流方向相反的方法来抑制。一氧化碳的挥发：熔硅中的C与石英(SiO2)坩埚反应生成SiO和CO，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，引起液面波动。而采用旋转晶体形成的强迫对流会使CO挥发减少，导致硅单晶中含O量过高。因此，单晶的旋转速度要优化选择。籽晶承载应力：采用大直径单晶的重力较大，而籽晶的颈部截面积较小。因此，要求单晶的长度应小于2m。直拉单晶的特点C、O含量较高，高达1018cm-3原因：熔硅中的C与石英SiO2发生反应生成CO，受热对流影响不易挥发。直拉法适宜拉制直径大、电阻低的硅单晶；主要用于VLSI器件