微电子工艺学习

微电子工艺学习第1页/共96页绪论引言微电子工艺发展历程微电子工艺特点与用途本课程内容2第2页/共96页1引言

早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。

1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。

3第3页/共96页基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、ASIC4集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。

第4页/共96页什么是微电子工艺微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。5目的、方法第5页/共96页微电子工业生产过程图6前工序后工序第6页/共96页npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程

----硅外延平面工艺举例7举例n+npn+ebc返回第7页/共96页3微电子工艺特点及用途超净

环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。超纯指所用材料方面，如衬底材料，功能性电子材料、水、气，工艺材料等；

Si、Ge单晶纯度达11个9。高技术含量设备先进，技术先进。高精度光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。大批量，低成本图形转移技术使之得以实现。83.1主要特点:第8页/共96页超净室结构和运行原理示意图第9页/共96页超净环境10第10页/共96页11返回第11页/共96页3.2主要应用制作微电子分立器件和集成电路微机电系统(microelectromechanicolSystem,MEMS)的所依托的微加工技术纳米技术，如光刻—图形复制转移工艺，MBE等12第12页/共96页集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SoC)----SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。13拓展新的应用领域返回第13页/共96页4本课程内容重点介绍单项工艺---原理、主要方法，及其所依托的基础科学。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。14第14页/共96页15第一单元硅衬底1单晶硅结构2硅锭及圆片制备3外延基本单项工艺第二单元氧化与掺杂第三单元薄膜制备第四单元光刻技术4氧化5扩散6离子注入7CVD8PVD9光刻10现代光刻技术11刻蚀第五单元工艺集成和测试封装12金属化与多层互连13工艺集成14测试封装课程内容框架图第15页/共96页教材与参考书王蔚等《集成电路制造技术----原理与工艺》(修订版）电子工业出版社2013关旭东《硅集成电路工艺基础》北京大学出版2003StephenA.C.《微电子制造科学原理与工程技术》电子工业出版社，2003清华大学《集成电路工艺》多媒体教学课件200116第16页/共96页第一单元硅衬底

第1章单晶硅特性

第2章硅片的制备

第3章外延17第17页/共96页第1章单晶硅特性1.1硅晶体的结构特点1.2硅晶体缺陷1.3硅晶体中杂质18第18页/共96页1.1硅晶体的结构特点硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。19硅四面体结构键角：109º28′第19页/共96页1、硅、锗、砷化镓电学特性比较20性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×10547108第20页/共96页锗应用的最早，现只有一些分立器件采用；GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势,但在其它方面有许多优越性能。21第21页/共96页硅作为电子材料的优点：原料充分；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃，热导率高，1.50W/cm·℃；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。22第22页/共96页2、硅晶胞晶格常数：α=5.4305Å原子密度：8/a3=5*1022cm-3原子半径：rSi=√3a/8=1.17Å空间利用率：金刚石结构的面心立方体第23页/共96页1.2硅晶向、晶面和堆积模型24硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记晶列方向用晶向指数,记为[m1m2m3]。用<m1m2m3>表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a1、晶向cab[110][111][100][001]立方晶格的晶向指数[100][110]a[111]R=m1x+m2y+m3z第24页/共96页2、晶面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为{100}立方晶系的[100]晶向和(100)面是垂直的。25立方晶系的几种主要晶面第25页/共96页硅晶面26硅常用晶面上原子分布Si面密度:(100)2/a2(110)2.83/a2(111)2.3/a2第26页/共96页面心立方晶格27在[111]晶向是立方密积，(111)面是密排面第27页/共96页硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AA′BB′CC′双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{111}晶面的趋势。两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着{111}晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。28第28页/共96页解理面（111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。（100）面与（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈60°角。硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。29第29页/共96页第一次课问题：微电子工艺的主要特点?硅成为IC最主要的衬底材料的原因？在微电子工艺中常采用的硅晶向（面）？硅的双层密排面是指哪个面？它的结构特点及主要特性？301第30页/共96页1.2硅晶体缺陷在高度完整的单晶硅片中，实际也存在缺陷。有：零维--点缺陷、一维--线缺陷、二、三维--面缺陷和体缺陷晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。31第31页/共96页1.2.1点缺陷本征缺陷空位A，A+、A-

、A2-自间（填）隙原子B※弗伦克尔缺陷肖特基缺陷杂质缺陷替位杂质C填隙杂质D32第32页/共96页杂质缺陷是非本征点缺陷，是指硅晶体中的外来原子。填隙杂质应尽量避免，它破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。33第33页/共96页1.2.2线缺陷线缺陷最常见的就是位错。位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错乱。位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界处形成位错。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。34123BA缺陷附近共价键被压缩1、拉长2、悬挂3，存在应力第34页/共96页刃位错和螺位错位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂直称刃位错；位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。硅晶体的双层密排面间原子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿{111}面发生，位错线也就常在{111}晶面之间。该面称为滑移面。35第35页/共96页刃形位错的运动36攀移滑移第36页/共96页1.2.3面缺陷和体缺陷面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一种体缺陷。37第37页/共96页缺陷的产生及结团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：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；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；硅晶体表面受到机械外力，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。结团现象

高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量。38第38页/共96页缺陷的去除

缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须设法使之减少。单晶生长时的工艺控制；非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。391第39页/共96页1.3硅中杂质半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有故意掺入的和无意掺入的。故意掺入Si中的杂质，如Ⅲ、V族具有电活性的杂质,或Au等能改变硅晶体的某种特性的杂质。无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。40第40页/共96页Si中杂质类型间隙式杂质

主要是Ⅰ族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质

主要是Ⅲ和Ⅴ族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质

大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。41第41页/共96页1.3.1杂质对Si电学特性的影响Ⅲ、V族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质42束缚电子自由电子P+P施主电离能

空穴B¯B受主电离能

第42页/共96页硅晶体中杂质能级和电离能43第43页/共96页硅的电阻率-掺杂浓度曲线不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿。硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是N型硅。不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能发送到导带。第44页/共96页1.3.2

固溶度和相图一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体。一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度。45一、固溶度第45页/共96页固溶体固溶体主要可分为两类：替位式固溶体和间隙式固溶体。

■

Si中Ⅲ、V族杂质形成替位式有限固溶体。替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：原子半径相差小于15％，称“有利几何因素”

r：Si：1.17,B：0.89,P：1.10Å；原子外部电了壳层结构相似；晶体结构也应相似。46第46页/共96页硅晶体中杂质的固溶度掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的硅片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上。47第47页/共96页二、相图知识48相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法。相指的是物质存在的一种状态。用一组均匀的性质来表征。相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图。第48页/共96页49相图的构成：由两条曲线将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用α表示；两条曲线之间是双相区，标记L+α表示。二元匀晶相图第49页/共96页两相平衡时的数量分配规律－－杠杆规则50合金x，T1时，两相并存。过x点作水平线交液相线a点和固相线c点，经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分设mL、m分别为两相的数量，由质量守恒定律可推导出：一般用占总体数量的百分比的相对值来表示。把axc当成一杠杆，则满足杠杆力的平衡原理，所以称之为杠杆规则。杠杆规则适用所有两相平衡第50页/共96页连续性固溶体：锗-硅相图51硅-锗可完全互溶，又称为同晶体系，用杠杆规则计算各组分量LS1414℃938.3℃结晶区T1T2CmClCSLS第51页/共96页铝-硅体系相图

纯铝的熔点是660℃，纯硅的熔点是1417，在硅熔体中掺入铝，或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点最小值为577℃，这一点称为共晶点，这一点的组分称为共晶组成，共晶点硅原子占原子总数的11.3%。52第52页/共96页砷-硅体系相图两种中间化合物：SiAs和SiAs2。有三个体系，Si-SiAs，SiAs-SiAs2，SiAs2-As。有一重量比为86%As熔融体从高温开始冷却。在温度达1020℃时，固体SiAs从熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降至944℃，这时液相组成为90%As+10%Si。温度继续下降时，固体的SiAs与一些剩余的熔体结合形成液体+SiAs2相，SiAs被包在SiAs2中。当温度降至786℃，SiAs2和β相都从液相析出。该体系称包晶体系。（Si）153第53页/共96页第二章硅片的制备2.1多晶硅的制备2.2单晶硅生长2.3硅片制造54第54页/共96页2.1多晶硅的制备制备多晶硅，是采用地球上最普遍的原料石英砂（也称硅石），就是二氧化硅，通过冶炼获得多晶硅，再经一系列化学的、物理的提纯就制出半导体纯度的多晶硅。电子级多晶硅纯度可达11N。55第55页/共96页

2.1.1冶炼冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅，硅的含量在98-99﹪之间，称为冶金级硅，也称为粗硅或硅铁。

SiO2+2C

Si+2CO↑主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。

561600-1800℃第56页/共96页2.1.2提纯酸洗

硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用HCl、

H2SO4、王水、HF等混酸泡洗至Ｓi含量99.7%以上。－－化学提纯

蒸馏提纯

利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通过精馏来对其进行提纯。－－物理提纯

Si+3HCl→SiHCl3+H2Si+2Cl2→SiCl4分解

氢气易于净化，且在Si中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。

SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl

572第57页/共96页2.2单晶硅生长采用熔体生长法制备单晶硅棒多晶硅→熔体硅→单晶硅棒

按制备时有无使用坩埚又分为两类 有坩埚的：直拉法、磁控直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法。

58第58页/共96页2.2内容2.2.1直拉法2.2.2单晶生长原理2.2.3晶体掺杂2.2.4磁控直拉法2.2.5悬浮区熔法第59页/共96页2.2.1直拉法----Czochralski,CZ法1918年，切克劳斯基（J.Czochralski）从熔融金属中拉制出了金属细灯丝。在20世纪50年代初期，G.K.Teal和J.B.Little采用类似的方法从熔融硅中拉制出了单晶硅锭，开发出直拉法生长单晶硅锭技术。目前拉制的单晶硅锭直径已可达450mm，18英寸。60第60页/共96页具体直拉方法61在坩埚中放入多晶硅，加热使之熔融，用一个夹头夹住一块适当晶向的籽晶，将它悬浮在坩埚上，拉制时，一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。第61页/共96页1、Cz法单晶炉四部分组成：炉体部分有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分；加热控温系统有光学高温计、加热器、隔热装置等；真空部分有机械泵、扩散泵、测真空计等；控制部分电控系统等

62TDR-A型单晶炉照片第62页/共96页2、CZ法工艺流程准备：腐蚀多晶-准备籽晶-装炉-真空操作

开炉：升温-水冷-通气生长：引晶-缩晶-放肩-等径生长-收尾

引晶是将籽晶与熔体很好的接触

缩晶是籽晶与晶锭间缩颈至2-3mm

放肩是将晶体直径放大至需要的尺寸等径生长是在拉杆与坩埚反向匀速转动的同时以一定速度提拉，制出等径单晶收尾是结束单晶生长。

停炉：降温-停气-停止抽真空-开炉63第63页/共96页籽晶的作用

籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向；籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）。籽晶对晶锭质量有影响，所选籽晶应晶格完好，表面无划痕、无氧化物64第64页/共96页缩颈的作用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处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了。为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。65缩颈作用示意图第65页/共96页提拉速度控制晶锭的拉升速度、转速，坩埚转速及温度决定着晶体直径的大小，通常坩埚转速及温度是一定的，因此用提拉速度控制晶体直径。晶锭质量对提拉速度也很敏感，在靠近熔体处晶体的点缺陷浓度最高，快速冷却能阻止这些缺陷结团。点缺陷结团后多为位错环，这些环相对硅棒轴中心呈漩涡状分布，呈漩涡缺陷。典型的拉杆提拉速度一般在10μm/s左右。66第66页/共96页直拉法生长单晶硅，坩埚污染影响大：氧的引入：SiO2→Si+O2多采用液相掺杂，受杂质分凝、杂质蒸发影响掺杂浓度的均匀性较差。纵向考虑杂质分凝横向温度场

673、CZ法缺点第67页/共96页CZ法熔料中环流形成熔体表面中心处温度最低，坩埚壁面和底部温度最高。熔体的温度梯度带来密度梯度，坩埚壁面和底部熔体密度最低，表面中心处熔体密度最高。地球重力场的存在使得坩埚上部密度高的熔体向下，而底部、壁面密度低的熔体向上流动，形成自然对流。熔体流动的危害：

1）引起生长条纹的产生，有损晶体均匀性；

2）对流使坩埚中的氧进到熔体表面，使晶体中氧量增加。682.2第68页/共96页第二次课问题：点缺陷主要有哪几种？解释杂质的电活性？若掺入Au后硅的电阻率并未变化，那么这Au有电活性么？杂质的结团作用是指什么？固溶度是指什么？69第69页/共96页

2.2.2单晶生长原理熔体硅→晶体硅晶体生长过程也就是相变过程，是相界面推移过程。70第70页/共96页1、结晶的热力学条件71热力学原理：在热力学平衡状态，一切自发过程都是朝着系统吉布斯自由能降低的方向进行。在一定过冷度下，液体中若出现晶体，总吉布斯自由能变化为：Gs(T,P)≤GL(T,P)+γA过冷度越大自发过程越易发生---过冷是结晶的必要条件之一吉布斯自由能与温度的关系过冷度：ΔT=Tm-T界面能，即界面张力G=U−TS+pV=H−TSΔG<0，是自发过程第71页/共96页2、结晶动力学对单晶生长速度进行分析：固液界面处，熔体硅必须释放热能（结晶潜能L），并在界面处产生一大的温度梯度（约100℃/cm)。分析一维情况，忽略对流和辐射，在界面处单位体积内的能流平衡时，有：72----液态和固态硅在熔融温度下的热导率----质量传递速度两个热扩散项都为正值，所以晶锭提升有一个最大提拉速度第72页/共96页最大提拉速度假设向上扩散到固体的热量都由界面处结晶潜热产生，熔体部分没有温度梯度，则第一项为0，用长度生长速率表征：计算的最大提拉速度2.7mm/min。实际熔体温度梯度不为0，对流和辐射传热也不能忽略实际提拉速度是考虑质量和效率两方面因素而定2.2第73页/共96页2.2.3晶体掺杂轻掺杂（n--Si、p--Si），杂质浓度在1014—1016/cm3之间，多用于大功率整流器件；中等掺杂（n-Si、p-Si），杂质浓度在1016—1018/cm3之间，主要用于IC和晶体管器件；重掺杂（n+-Sip+-Si），杂质浓度在1018—1020/cm3之间，是外延用的单晶衬底。74第74页/共96页掺杂方式方法：液相掺杂直接掺元素，母合金掺杂气相掺杂中子辐照（NTD）掺杂--中子嬗变掺杂技术75第75页/共96页

液相掺杂是直接在坩埚内加入杂质元素或将杂质制作为硅的合金再加入。在计算杂质计量时必须考虑杂质的分凝和蒸发。分凝现象：对于固-液界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的平衡浓度是不同的；分凝系数k：对杂质分凝作用的大小描述，定义为杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比：

k=Cs/Cl

761、液相掺杂第76页/共96页蒸发现象：是指坩埚中熔体内的杂质从熔体表面蒸发到气相中的现象；蒸发常数E：是用来表征杂质蒸发难易的参数。

N=EAClN:气相杂质浓度，A:液相面积771、液相掺杂第77页/共96页硅中常见杂质的k和e分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法78硅中常见杂质的分凝系数和蒸发常数参数BAlGaInOPAsSb分凝系数0.800.00180.00723.6*10-40.250.350.270.02蒸发常数5×10-610-410-35×10-310-45×10-37×10-2第78页/共96页分凝现象对杂质分布均匀性影响在CZ法晶锭中，若熔体结晶速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散现象不明显，则晶锭轴向杂质分布浓度为：式中，C0----硅熔体初始浓度；

X

----已拉制出的晶体占硅总量的比例第79页/共96页举例:从含有0.01%磷或硼的熔料中拉硅锭，晶锭顶端杂质的浓度？如果晶锭长1m，在何处杂质浓度是顶端浓度的2倍？晶锭顶端:80设分别在xP、xB处磷、硼杂质浓度为晶锭顶端杂质浓度的2倍得：xP≈0.66m

xB≈0.97m第80页/共96页母合金掺杂将杂质元素先制成硅的合金，如硅锑合金，硅硼合金，再按所需的计量掺入合金。这种方法适于制备一般浓度的掺杂。母合金掺杂原因：掺入杂质剂量很小，如果采用合金的话，就能增加掺入计量，从而减小误差。举例：ρ=1Ω.cm，n-Si，杂质为砷时，由ρ-n曲线，砷杂质浓度6*1015/cm3,硅单位体积原子数5*1022/cm3，5千克硅，只需掺入1毫克砷，计量很小，误差难免，81第81页/共96页2、气相掺杂在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量的含掺杂元素的杂质气体。在杂质气氛下，蒸发常数小的杂质部分溶入熔体硅中，掺入单晶体内。无坩埚的悬浮区熔法生长单晶时，一般采用气相掺杂方法。

82第82页/共96页3、中子辐照（NTD）掺杂NTD法是一种内掺杂方法，将本征硅单晶放在核反应堆中进行中子辐照，使硅中的天然同位素30Si俘获中子后产生不稳定的31Si,释放一个电子后生成稳定的31P，从而实现对硅单晶的磷掺杂硅有三种同位素：其中30Si有中子嬗变现象：28Si：92.28%,

29Si：4.67%,

30Si：3.05%，

30Si

31Si+γ31Si31P+e83中子半衰期2.62h第83页/共96页中子辐照掺杂特点得到高均匀性的NTD硅单晶。最大掺杂浓度，1.53*1021/cm3

为了消除硅单晶在反应堆中受到中子辐照而产生的快中子轰击位错、γ通量感生位错等辐照损伤缺陷，提高中照单晶的少子寿命，需要将NTDSi在HCl、O2、和Ar气氛中进行高温(800℃～950℃)热处理。842.2第84页/共96页2.2.4磁控直拉法（MCZ法）

在直拉法单晶炉上附加了一个稳定的强磁场，工艺与一般直拉法相同，能生长大直径的，无氧的，均匀的单晶硅。在CZ法单晶炉上加一强磁场，高传导熔体硅的流动因切割磁力线而产生洛仑兹力，这相当于增强了熔体的粘性，熔体对流受阻。洛仑兹力F=qν×B85MCZ单晶炉西安理工大学工厂承担的国家863计划项目，07年6月15日通过了中国科技部的验收

第85页/共96页磁场方向86电流方向VMCZ1）纵向磁场HMCZ2）横向磁场3）尖角形磁场

各种MCZ炉的磁场分布轴向第86页/共96页MCZ法拉制Si棒照片北京有色金属总院采用MCZ法生产的12吋硅棒，等经长400mm，晶体重81Kg。872.2第87页/共96页2.2.5悬浮区熔法（FZ法）多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶