晶体硅杂质吸除工艺介绍PPT课件
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Eb为金属杂质与临界相间的束缚能； Ec为金属杂质与硅形成化合物时，金属外层电 子与硅外层电子的结合能； Es为金属原子在硅晶胞中的弹性应变能。
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3. 吸杂：金属杂质从器件内的吸除
不需高额费用操作而对器件区的金属杂质进行有效吸 除，对IC产业而言，一直是个很大的挑战。尽管对于IC 产业，在加工生产过程中金属杂质的引入不可避免，但 针对如何将不期望的金属杂质从器件区去除，人们已发 展了一些工艺，这些工艺一般统称为吸杂工艺。
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根据对杂质的捕获方式，可以将吸杂分为两大类， 即分凝（segregation）和释放（relaxation）。也有一 些学者将自间隙原子注入产生吸杂归为第三种吸杂机制， 但是一般地，人们将这种注入产生吸杂归为分凝吸杂。
而在上述两种机制下衍生的吸杂工艺则有许多，主要 包括：内吸杂，P扩散吸杂，衬底吸杂，Si表面及Si/SiO2 界面吸杂，离子注入吸杂，背表面损伤吸杂，化学吸杂， 铝背场吸杂等。
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b.影响分凝效应的方式
（1）不同的相，如在晶体生长过程中，在晶体硅中 及液相熔体中；
（2）不同元素的影响，如相比于硅，铝对金属杂质 具有更高的溶解能力；
（3）费米能级对金属杂质溶解度的影响，如P掺杂硅 片中Au的影响；
晶体硅中过渡族金属杂质的吸除
2007年5月28日
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第一章: 硅中杂质的吸除工艺
1. 金属杂质对器件的影响 金属杂质的存在会极大地影响半导体器件的产量,
即便在金属杂质的浓度降低到1012cm-3时，这种影响仍然 十分明显。
硅片中的杂质主要会带来以下几个负面作用： a. 过渡族金属杂质形成深能级，增大p-n结的漏导电流，
产生更大的漏导损耗； b. p-n结中的金属杂质降低结的反向击穿电压； c. 金属杂质形成深能级带隙极大地增加结的漏导损耗,甚
至直接导致p-n结变窄；
d. 金属杂质降低氧化诱导生成层错和位错的形成势垒。 MOS器件对金属杂质很敏感，金属杂质易于在Si/SiO2界面沉
积或被氧化层束缚。
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2. 过渡族金属在硅片中的扩散和溶解
在假设后续的热处理过程不会增加硅片中的金属杂质 时，经分凝吸杂处理后，在热力学、动力学平衡下，器件 区的杂质浓度可以表示如下：
N de v
N0
1
1 S 0为硅片中初始杂质浓度，Wgett和Wdev分别为吸杂 区和器件区的杂质浓度，S为分凝系数。
从上式可以得到影响分凝吸杂最终效果的因素包括： 硅片中杂质的初始浓度，杂质的分凝系数，吸杂区与器件 区的相对厚度。
硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中， 或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他 处理过程中首先在表面附着，随后后续的高温热处理过 程中扩散进入硅基体。
a. 金属杂质在硅中的扩散
在高温（>800℃）下，过渡族金属一般都有很快的 扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质，在高温下，Cu、Ni的扩散 速率甚至可以接近于液相时的扩散速率，达到10-4cm2/s。 而其他的金属杂质，如Fe、Cr等为慢扩散杂质，一般比 Cu、Ni的扩散速率慢一到两个数量级，但在高温下仍可 以达到几十到几百微米每秒。
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a.影响分凝吸杂作用的因素
分凝系数是判断杂质能否通过分凝进行吸杂 处理的一个指标，分凝系数S可以表示如下：
S
C C
g ett d ev
其中，Cgett表示热平衡条件下吸杂区杂质的 溶解度；Cdev表示热平衡条件下器件区杂质的溶
解度。
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除分凝系数外，器件区与吸杂区的相对厚度也会影响 最终的吸杂效果。
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5
金属杂质的吸除一般可以分为如下三个步骤：
a. 杂质在其最初沉积位置或人们不希望其沉积的位 置释放；
b. 杂质通过（沿）晶体内部，从器件区扩散到吸杂 区；
c. 杂质在吸杂区被捕获，沉积下来。
由于在IC产业中倾向于使用低的热处理，因此，一般 都将吸杂区尽可能地靠近器件区。当吸杂区距器件区十微 米以内时,即便在很低的处理温度下，吸杂也将得到很好 的发挥 。
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第二章 吸杂机制
1. 释放机制（relaxation）
对于释放机制的吸杂，在离开器件区/表面 区形成利于杂质沉积的异相区是必须的。
释放机制形式的吸杂需要杂质在由高温向 下降温的过程中产生过饱和，游离或过饱和的金属杂质 将极易在拥有许多杂质沉积位置的区域沉积。在降温过 程中，有着许多杂质沉积位置的吸杂区，其中的杂质将 快速地在杂质易沉积位置得到沉积，从而继续保持热平 衡；相反，由于在硅片表面或器件区，其中并不存在利 于杂质沉积的区域，因此在降温过程中，杂质浓度很快 超过热平衡浓度而产生过饱和。于是，在硅片表面/器 件区和硅片内部将形成杂质的浓度梯度，在该浓度梯度 作用下，杂质将由硅片表面/器件区扩散进入吸杂区， 并在吸杂区得到沉积，因此也就达到吸杂的目的。
近邻吸杂（Proximity）则在器件附近产生形核（杂 质沉积区）区，而对硅片进行吸杂处理，近邻吸杂对慢扩 散杂质作用显著。
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2. 分凝机制
分凝吸杂由杂质的溶解度梯度或硅片不同区域 对杂质的溶解能力不同产生。
与释放机制不同，分凝吸杂，吸杂区一般都在器件区 的外边。相比于释放机制，分凝吸杂的优点是不需要形成 杂质的过饱和。因此，理论上，通过提高温度加快金属杂 质的扩散速率，通过分凝吸杂可以快速获得杂质浓度很低 的器件区。
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b. 金属杂质在硅中的溶解度
硅中金属杂质的溶解度可用下面的热力学动力 学表达式表示：
C e e G /K q T e s /K e H /K T C 0 e /K T
H，S，G分别为焓（enthalpy），熵（entropy） 和自由能（free energy）。
G E b E c Es
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在IC产业中应用最多的吸杂工艺为内吸杂，通过 在硅片内部形成氧沉淀或其他结构缺陷（位错环或者层 错），以这些本身就存在于CZ硅片内的形核区，使得过饱 和杂质在这些区域得到得到沉积。
背表面损伤吸杂通过对硅片背表面进行损伤、在硅片 背面沉积一层多晶硅层（多晶硅层中含有异相形核区，如 晶界、位错等）。背表面损伤吸杂对快扩散金属杂质如镍、 铜等具有较好的吸杂效果。
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3. 吸杂：金属杂质从器件内的吸除
不需高额费用操作而对器件区的金属杂质进行有效吸 除，对IC产业而言，一直是个很大的挑战。尽管对于IC 产业，在加工生产过程中金属杂质的引入不可避免，但 针对如何将不期望的金属杂质从器件区去除，人们已发 展了一些工艺，这些工艺一般统称为吸杂工艺。
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根据对杂质的捕获方式，可以将吸杂分为两大类， 即分凝（segregation）和释放（relaxation）。也有一 些学者将自间隙原子注入产生吸杂归为第三种吸杂机制， 但是一般地，人们将这种注入产生吸杂归为分凝吸杂。
而在上述两种机制下衍生的吸杂工艺则有许多，主要 包括：内吸杂，P扩散吸杂，衬底吸杂，Si表面及Si/SiO2 界面吸杂，离子注入吸杂，背表面损伤吸杂，化学吸杂， 铝背场吸杂等。
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b.影响分凝效应的方式
（1）不同的相，如在晶体生长过程中，在晶体硅中 及液相熔体中；
（2）不同元素的影响，如相比于硅，铝对金属杂质 具有更高的溶解能力；
（3）费米能级对金属杂质溶解度的影响，如P掺杂硅 片中Au的影响；
晶体硅中过渡族金属杂质的吸除
2007年5月28日
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第一章: 硅中杂质的吸除工艺
1. 金属杂质对器件的影响 金属杂质的存在会极大地影响半导体器件的产量,
即便在金属杂质的浓度降低到1012cm-3时，这种影响仍然 十分明显。
硅片中的杂质主要会带来以下几个负面作用： a. 过渡族金属杂质形成深能级，增大p-n结的漏导电流，
产生更大的漏导损耗； b. p-n结中的金属杂质降低结的反向击穿电压； c. 金属杂质形成深能级带隙极大地增加结的漏导损耗,甚
至直接导致p-n结变窄；
d. 金属杂质降低氧化诱导生成层错和位错的形成势垒。 MOS器件对金属杂质很敏感，金属杂质易于在Si/SiO2界面沉
积或被氧化层束缚。
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2. 过渡族金属在硅片中的扩散和溶解
在假设后续的热处理过程不会增加硅片中的金属杂质 时，经分凝吸杂处理后，在热力学、动力学平衡下，器件 区的杂质浓度可以表示如下：
N de v
N0
1
1 S 0为硅片中初始杂质浓度，Wgett和Wdev分别为吸杂 区和器件区的杂质浓度，S为分凝系数。
从上式可以得到影响分凝吸杂最终效果的因素包括： 硅片中杂质的初始浓度，杂质的分凝系数，吸杂区与器件 区的相对厚度。
硅中金属杂质的引入可以在晶体生长过程中， 或者在硅片的抛光、化学处理、离子注入、氧化或其他 处理过程中首先在表面附着，随后后续的高温热处理过 程中扩散进入硅基体。
a. 金属杂质在硅中的扩散
在高温（>800℃）下，过渡族金属一般都有很快的 扩散速度而溶解度则相对较小。
Cu、Ni为快速扩散杂质，在高温下，Cu、Ni的扩散 速率甚至可以接近于液相时的扩散速率，达到10-4cm2/s。 而其他的金属杂质，如Fe、Cr等为慢扩散杂质，一般比 Cu、Ni的扩散速率慢一到两个数量级，但在高温下仍可 以达到几十到几百微米每秒。
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a.影响分凝吸杂作用的因素
分凝系数是判断杂质能否通过分凝进行吸杂 处理的一个指标，分凝系数S可以表示如下：
S
C C
g ett d ev
其中，Cgett表示热平衡条件下吸杂区杂质的 溶解度；Cdev表示热平衡条件下器件区杂质的溶
解度。
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除分凝系数外，器件区与吸杂区的相对厚度也会影响 最终的吸杂效果。
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金属杂质的吸除一般可以分为如下三个步骤：
a. 杂质在其最初沉积位置或人们不希望其沉积的位 置释放；
b. 杂质通过（沿）晶体内部，从器件区扩散到吸杂 区；
c. 杂质在吸杂区被捕获，沉积下来。
由于在IC产业中倾向于使用低的热处理，因此，一般 都将吸杂区尽可能地靠近器件区。当吸杂区距器件区十微 米以内时,即便在很低的处理温度下，吸杂也将得到很好 的发挥 。
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第二章 吸杂机制
1. 释放机制（relaxation）
对于释放机制的吸杂，在离开器件区/表面 区形成利于杂质沉积的异相区是必须的。
释放机制形式的吸杂需要杂质在由高温向 下降温的过程中产生过饱和，游离或过饱和的金属杂质 将极易在拥有许多杂质沉积位置的区域沉积。在降温过 程中，有着许多杂质沉积位置的吸杂区，其中的杂质将 快速地在杂质易沉积位置得到沉积，从而继续保持热平 衡；相反，由于在硅片表面或器件区，其中并不存在利 于杂质沉积的区域，因此在降温过程中，杂质浓度很快 超过热平衡浓度而产生过饱和。于是，在硅片表面/器 件区和硅片内部将形成杂质的浓度梯度，在该浓度梯度 作用下，杂质将由硅片表面/器件区扩散进入吸杂区， 并在吸杂区得到沉积，因此也就达到吸杂的目的。
近邻吸杂（Proximity）则在器件附近产生形核（杂 质沉积区）区，而对硅片进行吸杂处理，近邻吸杂对慢扩 散杂质作用显著。
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2. 分凝机制
分凝吸杂由杂质的溶解度梯度或硅片不同区域 对杂质的溶解能力不同产生。
与释放机制不同，分凝吸杂，吸杂区一般都在器件区 的外边。相比于释放机制，分凝吸杂的优点是不需要形成 杂质的过饱和。因此，理论上，通过提高温度加快金属杂 质的扩散速率，通过分凝吸杂可以快速获得杂质浓度很低 的器件区。
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3
b. 金属杂质在硅中的溶解度
硅中金属杂质的溶解度可用下面的热力学动力 学表达式表示：
C e e G /K q T e s /K e H /K T C 0 e /K T
H，S，G分别为焓（enthalpy），熵（entropy） 和自由能（free energy）。
G E b E c Es
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在IC产业中应用最多的吸杂工艺为内吸杂，通过 在硅片内部形成氧沉淀或其他结构缺陷（位错环或者层 错），以这些本身就存在于CZ硅片内的形核区，使得过饱 和杂质在这些区域得到得到沉积。
背表面损伤吸杂通过对硅片背表面进行损伤、在硅片 背面沉积一层多晶硅层（多晶硅层中含有异相形核区，如 晶界、位错等）。背表面损伤吸杂对快扩散金属杂质如镍、 铜等具有较好的吸杂效果。