第一章-晶体生长和外延演示教学
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exp(kL ex)C C00ddA AkkeeSS0//L L
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
24
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
k0
=
C C（l
s
0）
keC Csl k0(1kk00)ev/D
M ke1
C k C 1M s e 0
高提拉速度，
低旋转速度，
0
可以获得均匀杂质分布！
25
悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅
多晶硅棒
✓ 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低； ✓ 不需要坩埚，污染少； ✓ 主要用于需要高电阻率材料的器件；
可得到纯度为98%的冶金级的硅
2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ） 3 0 0 o C 2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 )
三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质
2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 ) 2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ）
1
wenku.baidu.com M
(k0 1)
M M 0
22
有效分凝系数
k0
=
C C（l
s
0）
ke
Cs Cl
23
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需 要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl； 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示：
在稳态时: C代替np，v代替μnE
0v dC Dd2C dx dx2
26
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面 积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；
当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，
从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)；
dS
C0 d
Adx
keS L
dx
(C
d
A
keS L
)dx
x
S
dS
dx
0
10
拉晶过程
3. 收颈
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。
11
拉晶过程
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”。
12
拉晶过程
400 mm(16inch) 15
单晶硅锭
16
450mm硅片
17
平衡分凝系数
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的 掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。 两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：
k0
Cs Cl
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
18
2
单晶材料制备
《大规模集成电路制造工艺》
3
半导体的形态类型
非晶：原子随机性排列，没有任何周期性； 多晶：原子排列在小范围内具有周期性； 单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；
非晶
多晶
单晶
4
硅和砷化镓
金刚石结构 (Si)
闪锌矿结构 (GaAs)
5
晶体生长和外延
单晶生长：获得高质量的衬底材料； 外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体；
可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一)
7
柴可拉斯基法(Czochralski Technique) (直拉法)
硅的熔点：1417oC
8
拉晶过程
1.熔硅
将坩埚内多晶料全部熔化；
9
拉晶过程
2.引晶
将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，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；
第一章-晶体生长和外延
成绩计算
平时：5分； 旷课(-1)、迟到、早退(-1)； 作业(10分)； 是否认真，是否正确，是否雷同(0分)； 课堂表现(10分)； 回答问题( 1分 )，课上表现； 期中考试：30分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握； 期末考试：45分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。
SClM0M
Cl
S M0
M
dSSC Csl M d 0M M=k0M d 0M M
20
杂质分布
dSSC Csl M d 0M Mk0M d 0M M
S C0M0
dSSk0
M dM 0 M0M
Cs k0C0(1M M0)k01
21
杂质分布
Cs
k0C0
1MM0
k01
M (k0 1)
k0C0 (k0 1)
杂质分布
✓ 熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0； ✓ 当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S；
当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(－dS)为:
dSCsdM Cs为晶体中的掺杂浓度。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl
Cl
S M0
M
19
杂质分布
dSCsdM
Si
GaAs
起始材料
SiO2
Ga，As
蒸馏与还原 合成
多晶半导体
晶体生长 晶体生长
单晶
晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
6
单晶硅的制备
起始材料: 高纯度的硅砂: S i O 2 ( 固 体 ） + S i C ( 固 体 ） S i ( 固 体 ) + S i O ( 气 体 ) + C O ( 气 体 )
S0 C0dAkeS/L
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
27
x
S
dS
dx
0
S0 C0dAkeS/L
SC0A kedL[1(1ke)kex/L] ke ASdLC0[1(1ke)kex/L]
C sC 0[1(1ke)kex/L]
28
C sC 0[1(1ke)kex/L]
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。要严格控制温度和 拉速。
13
拉晶过程
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。
14
单晶硅锭
300 mm(12inch)
不同的 ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。
29
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。
30
可用来提纯！ 不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。
31
FZ掺杂
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中 S0＝ClAρdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
24
ev/D Cl Cs Cl (0)Cs
k0
=
C C（l
s
0）
keC Csl k0(1kk00)ev/D
M ke1
C k C 1M s e 0
高提拉速度，
低旋转速度，
0
可以获得均匀杂质分布！
25
悬浮区熔法(Float-Zone)制备单晶硅
多晶硅棒
✓ 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低； ✓ 不需要坩埚，污染少； ✓ 主要用于需要高电阻率材料的器件；
可得到纯度为98%的冶金级的硅
2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ） 3 0 0 o C 2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 )
三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质
2 S i H C l 3 ( 气 体 ) + 2 H 2 ( 气 体 ) 2 S i ( 固 体 ) + 6 H C l ( 气 体 ）
1
wenku.baidu.com M
(k0 1)
M M 0
22
有效分凝系数
k0
=
C C（l
s
0）
ke
Cs Cl
23
考虑一小段宽度为δ几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需 要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数Cl； 层内参杂浓度可用第3章的连续性方程式来表示：
在稳态时: C代替np，v代替μnE
0v dC Dd2C dx dx2
26
杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面 积，ρd是硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；
当此带移动距离dx，前进端增加的掺杂数量为C0ρdAdx，
从再结晶出所移除的掺杂剂数量为ke(Sdx/L)；
dS
C0 d
Adx
keS L
dx
(C
d
A
keS L
)dx
x
S
dS
dx
0
10
拉晶过程
3. 收颈
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。
11
拉晶过程
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”。
12
拉晶过程
400 mm(16inch) 15
单晶硅锭
16
450mm硅片
17
平衡分凝系数
由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的 掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。 两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：
k0
Cs Cl
Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。
18
2
单晶材料制备
《大规模集成电路制造工艺》
3
半导体的形态类型
非晶：原子随机性排列，没有任何周期性； 多晶：原子排列在小范围内具有周期性； 单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；
非晶
多晶
单晶
4
硅和砷化镓
金刚石结构 (Si)
闪锌矿结构 (GaAs)
5
晶体生长和外延
单晶生长：获得高质量的衬底材料； 外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体；
可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一)
7
柴可拉斯基法(Czochralski Technique) (直拉法)
硅的熔点：1417oC
8
拉晶过程
1.熔硅
将坩埚内多晶料全部熔化；
9
拉晶过程
2.引晶
将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，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；
第一章-晶体生长和外延
成绩计算
平时：5分； 旷课(-1)、迟到、早退(-1)； 作业(10分)； 是否认真，是否正确，是否雷同(0分)； 课堂表现(10分)； 回答问题( 1分 )，课上表现； 期中考试：30分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握； 期末考试：45分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。
SClM0M
Cl
S M0
M
dSSC Csl M d 0M M=k0M d 0M M
20
杂质分布
dSSC Csl M d 0M Mk0M d 0M M
S C0M0
dSSk0
M dM 0 M0M
Cs k0C0(1M M0)k01
21
杂质分布
Cs
k0C0
1MM0
k01
M (k0 1)
k0C0 (k0 1)
杂质分布
✓ 熔体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0； ✓ 当已生长晶体的重量为M时，留在熔体中的掺杂数量为S；
当晶体增加dM的重量，熔体相对应减少的掺杂(－dS)为:
dSCsdM Cs为晶体中的掺杂浓度。
此时液体中剩下的重量为M0－M，液体中的掺杂浓度Cl
Cl
S M0
M
19
杂质分布
dSCsdM
Si
GaAs
起始材料
SiO2
Ga，As
蒸馏与还原 合成
多晶半导体
晶体生长 晶体生长
单晶
晶片
研磨、切割 研磨、切割
抛光
抛光
从原料到磨光晶片的制造流程
6
单晶硅的制备
起始材料: 高纯度的硅砂: S i O 2 ( 固 体 ） + S i C ( 固 体 ） S i ( 固 体 ) + S i O ( 气 体 ) + C O ( 气 体 )
S0 C0dAkeS/L
S0＝C0 ρd AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。
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x
S
dS
dx
0
S0 C0dAkeS/L
SC0A kedL[1(1ke)kex/L] ke ASdLC0[1(1ke)kex/L]
C sC 0[1(1ke)kex/L]
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C sC 0[1(1ke)kex/L]
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。要严格控制温度和 拉速。
13
拉晶过程
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。
14
单晶硅锭
300 mm(12inch)
不同的 ke下，相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系。
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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。
30
可用来提纯！ 不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。
31
FZ掺杂
如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中 S0＝ClAρdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：