微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备课件

1第2章半导体材料和晶圆制备本章（4学时）目标：1、掺杂半导体的两种特性2、三种主要的半导体材料及其优缺点3、N型和P型半导体材料在组成＆电性能方面的不同4、多晶和单晶的不同5、两种重要的晶圆晶向示意图6、常见晶体生长的方法7、晶圆制备的工艺流程1第2章半导体材料和晶圆制备本章（4学时）目标：1、掺2第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备2第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料半导体是人们将物质按电学性质进行分类时所赋予的一个名称。我们通常把导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等等。第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料半导体是八月234第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体3、***半导体材料八月234第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*5第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料1、本征半导体有两类本征半导体：半导体元素硅和锗化合物材料砷化镓和磷化镓定义：处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。5第2章半导体材料和晶圆制备6第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体

（1）掺杂半导体的来源 （2）掺杂半导体和金属导电的区别 （3）载流子的迁移率3、***半导体材料6第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体7第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料2、掺杂半导体半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。解决办法：掺杂工艺，把特定的元素引入到本征半导体材料中效果：提高本征半导体的导电性（1）掺杂半导体的来源7第2章半导体材料和晶圆制备8第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料2、掺杂半导体金属：电阻率固定，改变电阻只有改变其形状。只能通过电子的移动来导电，金属永远是N型的。掺杂半导体的特性：A：通过掺杂浓度精确控制电阻率B：通过掺杂元素的选择控制导电类型（电子N型或空穴P型导电）（2）掺杂半导体和金属导电的区别8第2章半导体材料和晶圆制备9第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料2、掺杂半导体（2）掺杂半导体和金属导电的区别acceptor

donor9第2章半导体材料和晶圆制备微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备ppt课件11第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料2、掺杂半导体（3）载流子的迁移率从图中可以看出：随着掺杂浓度的提高，电阻率降低。移动一个电子或空穴所需的能量不同。由此推出：电子的迁移率比空穴的迁移率要高一些。11第2章半导体材料和晶圆制备12第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体3、***半导体材料

（1）硅和锗（两种重要的半导体） （2）砷化镓 （3）硅作为电子材料的优势12第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导八月2313第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）虽然第一个晶体管使用Ge材料，但是Ge材料在工艺和性能上有一定的问题：Si材料很好的解决了上述问题：A：熔点相对比较低，937℃的熔点限制了某些高温工艺B：缺少自然形成的氧化物，易漏电A：熔点1415℃，允许更高温工艺B：二氧化硅薄膜很好的解决了漏电问题八月2313第2章半导体材料和晶圆制备14第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）

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。14第2章半导体材料和晶圆制备15第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料3、半导体材料（3）硅作为电子材料的优势A:原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；B:机械强度高；

C:比重小，密度只有2.33g/cm3；D:pn结表面易于生长ＳiＯ2，对结起到保护作用；G:导热性好E:制备的单晶缺陷小；F:能够制造大尺寸基片，硅片直径已达16英寸；15第2章半导体材料和晶圆制备16第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓常见到的半导体化合物有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及磷砷化镓（GaAsP），其中GaAs最常用的化合物半导体材料。A：GaAs的载流子迁移率高，适合于做超过吉赫兹的高速IC。例如：飞机控制和超高速计算机。B：对辐射所造成的漏电具有抵抗性，即GaAs是天然辐射硬化的。C：GaAs是半绝缘的。使临近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。16第2章半导体材料和晶圆制备17第2章半导体材料和晶圆制备

一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓砷化镓不会取代硅成为主流的半导体材料。原因：A：大多数产品不必太快。B：砷化镓同Ge一样没有天然的氧化物，必须淀积多层绝缘层

工艺时间加长。C：GaAs含有对人类有害的砷元素，处理增加成本。D：砷化镓的生产工艺比硅落后17第2章半导体材料和晶圆制备18第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备18第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料19第2章半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、*结晶学和晶体结构

（1）概述 （2）晶体缺陷 （3）晶向2、***晶圆制备19第2章半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、*结晶学和晶20第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构微电子业常用单晶硅（如硅片、外延层）和多晶硅（如薄膜）。硅片是高度完美的单晶，但也存在缺陷。晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响硅是四族元素，金刚石结构。在本征半导体中晶胞是不规则排列的，称为多晶，晶胞间整洁而规则的排列才是单晶结构（1）概述20第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生硅晶体结构的特点

晶胞一、基本概念晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。硅晶体结构的特点晶胞一、基本概念晶格：晶体中原子的周期性晶格常数：晶胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格常数。单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶体。晶格常数：晶胞与晶格的关系单晶体：整个晶体由单一的晶格连简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxz二、三种立方晶体原胞简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且xzy面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。z面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在z

共价四面体一、硅的晶胞

处在立方体顶角和面心的原子构成一套面心立方格子，处在体对角线上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以认为硅晶体是由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一长度套构而成的。这种晶胞称为金刚石型结构的立方晶胞，如下图所示。共价四面体一、硅的晶胞处在立方体顶角和面心的金刚石型结构特点：每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）109°28′。二、共价四面体金刚石型结构特点：二、共价四面体金刚石型结构的结晶学原胞是立方对称的晶胞，可以看成是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1／4的空间对角线长度套构而成的。原子在晶胞中排列的情况是：八个原子位于立方体的八个角顶上，六个原子位于六个面中心上，晶胞内部有四个原子。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。晶格常数

Si：a=5.65754Å

Ge：a=5.43089Å金刚石型结构的结晶学原胞晶格常数例题：

硅在300K时的晶格常数a为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占的空间体积为，因此每立方厘米体积中的硅原子数为：1/a3/8=8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3

原子密度例题：解：每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所例题:

假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方晶胞的空间比率。

圆球半径定义为晶体中最小原子间距的一半，即。yxz

晶体内部的空隙解：球的体积为：每个硅原子在晶体内所占的空间体积为：则空间利用率为：空隙为66%

例题:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体晶向、晶面和堆积模型晶向一、晶列晶体晶格中的原子被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。同一晶体中存在许多取向不同的晶列，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同的。二、晶向

1.定义：表示一族晶列所指的方向。晶向、晶面和堆积模型晶向一、晶列晶体晶格中的原子被看2.晶向指数

以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量：的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、m3]，称为晶向指数。2.晶向指数以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x3.硅晶体不同晶向上的原子分布情况3.硅晶体不同晶向上的原子分布情况

晶面一、定义晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为晶面。通过任何一个晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面上的原子排列情况一般是不同的。二、米勒指数

用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负整数。通常就用h1、h2、h3来标记晶面，称它们为晶面指数(或米勒指数)。晶面一、定义晶体晶格中的原子被看作是处在一系列彼此关于米勒指数的一些其他规定：()：代表在x轴上截距为负的平面，如{hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用{100}表示(100)，(010)，(001)，，，六个平面。[hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的方向。<hkl>：代表等效方向的所有方向组，如<100>代表[100]、[010]、[001]、

、

、

六个等效方向的族群。

关于米勒指数的一些其他规定：三、立方晶系的几种主要晶面三、立方晶系的几种主要晶面四、硅的常用晶面上的原子分布四、硅的常用晶面上的原子分布37第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。37第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生38第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*③3类重要的晶体缺陷A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因—晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏本征堆垛层错非本征堆垛层错替位杂质空位Frenkel填隙杂质38第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生39第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*③3类重要的晶体缺陷C：原生缺陷常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。39第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生40第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*④缺陷的去除器件有源区的缺陷（晶体管所在位置）影响器件性能，必须设法减少：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，硅中氧淀积有吸杂作用，是一种本征吸杂。40第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生41第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（3）晶向（用密勒指数表示）****A：硅晶圆中最常使用的晶向是<100>和<111><100>晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路<111>晶向的晶圆用来制造双极性器件和电路砷化镓晶体只能沿<100>晶向进行切割41第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生42第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（3）晶向（用密勒指数表示）****B：当晶圆沿晶向破碎时42第2章半导体材料和晶圆制备

二、单晶的生43第2章半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、结晶学和晶体结构2、晶圆制备

（1）获取多晶 （2）晶体生长（3）硅片制备43第2章半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、结晶学和晶体44第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备硅晶圆制备的四个阶段（对应于芯片制造的前两个阶段）A：矿石到高纯气体的转变（石英砂冶炼制粗硅）B：气体到多晶的转变C：多晶到单晶，掺杂晶棒的转变（拉单晶、晶体生长）

D：晶棒到晶圆的制备

芯片制造的第一阶段：材料准备芯片制造的第二阶段：晶体生长和晶圆制备44第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备45第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶①冶炼SiO2+C→Si+CO↑得到的是冶金级硅，主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu要进一步提纯。②酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提纯是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。45第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备46第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶③精馏提纯将酸洗过的硅转化为SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好处：常温下SiHCl3

与SiCl4都是气态，SiHCl3的沸点仅为31℃精馏获得高纯的SiHCl3或SiCl446第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备47第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（1）获取多晶④还原

多用H2来还原SiHCl3或SiCl4得到半导体纯度的多晶硅：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氢气易于净化，且在Si中溶解度极低47第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备48第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长定义:把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。按制备时有无使用坩埚分为两类：有坩埚的：直拉法、磁控直拉法液体掩盖直拉法；无坩埚的：悬浮区熔法。48第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备49第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长①直拉法—Czochralski法（CZ法）方法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。起源1918年由Czochralski（恰克拉斯基法

）从熔融金属中拉制细灯丝，50年代开发出与此类似的直拉法生长单晶硅，这是生长单晶硅的主流技术。49第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备50①直拉法-Czochralski法（CZ法）第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长50①直拉法-Czochralski法（CZ法）第2章半导51（2）晶体生长①直拉法（CZ法）三部分组成：炉体部分，有坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动装置

；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。

第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长51（2）晶体生长①直拉法（CZ法）三部分组成：炉体部分，有52①直拉法（CZ法）单晶炉第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长52①直拉法（CZ法）单晶炉第2章半导体材料和晶圆制备53①直拉法-Czochralski法（CZ法）CZ法工艺流程准备

腐蚀清洗多晶→籽晶准备→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→收尾停炉 降温→停气→停止抽真空→开炉第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长53①直拉法-Czochralski法（CZ法）CZ法工艺流54①直拉法（CZ法）CZ法工艺流程——生长部分的步骤引晶

将籽晶与熔体很好的接触。缩晶在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体最细部分直径只有2-3mm，获得完好单晶。放肩将晶体直径放大至需要的尺寸。等径生长拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。直径大小由拉升速度、转速，以及温度控制。收尾结束单晶生长。第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长54①直拉法（CZ法）CZ法工艺流程——生长部分的步骤引晶55第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长①直拉法（CZ法）Si棒头部放大55第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备ppt课件57第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长②液体掩盖直拉法（LEC法）液体掩盖直拉法用来生长砷化镓晶体。本质上它和标准的直拉法（CZ）一样，为砷化镓做了一定改进。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。57第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备58第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长③区熔法直拉法的一个缺点：坩埚中的氧进入晶体。对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。悬浮区熔法是一种无坩埚的晶体生长方法，多晶与单晶均由夹具夹着，由高频加热器产生一悬浮的溶区，多晶硅连续通过熔区熔融，在熔区与单晶接触的界面处生长单晶。熔区的存在是由于融体表面张力的缘故，悬浮区熔法没有坩埚的污染，因此能生长出无氧的，纯度更高的单晶硅棒。58第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备59第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长③区熔法区熔法装置59第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备ppt课件61第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长④直拉法和区熔法的比较61第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备62第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑤硅棒举例（北京有色金属总院）12英寸，等径长400mm，晶体重81Kg。62第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备ppt课件64第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑥掺杂直拉法掺杂是直接在坩埚内加入含杂质元素的物质。

掺杂元素的选择掺杂方式杂质分布

64第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备65第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑥掺杂杂质类型的选择A：掺杂元素的选择硼、磷P-型掺杂、N型掺杂65第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备66第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑥掺杂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。B：掺杂方式66第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备67第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑥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。B2：母合金掺杂B1：直接掺杂在晶体生长时，将一定量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度67第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备68第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（2）晶体生长⑥掺杂硅有三种同位素：28Si92.2%,29Si4.7%,30Si3.0%，其中30Si有中子嬗变现象：

30Si31Si+α31Si31P+β31P是稳定的施主杂质，对单晶棒进行中子辐照，就能获得均匀的n型硅。B2：中子辐照（NTD）掺杂68第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备69第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备C、掺杂分布

由于晶体是从熔融液中拉出来的，混合在单晶（固体）中的掺杂浓度和在固体-液体界面处的熔融液（液体）中是不同的。当晶体生长时，所掺杂的杂质会持续不断地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比掺杂扩散或搅动而产生的传送速率高时，在界面处就会有浓度梯度产生。分凝系数平衡分凝系数有效分凝系数69第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备70第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备

平衡分凝系数其中：和分别是固体和液体界面附近的平衡掺杂浓度。绝大多数平衡分凝系数都小于1。说明随着晶体的生长，熔融液中的掺杂浓度会越来越高C、掺杂分布70第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备71第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备平衡分凝系数假设从一熔融液中生长晶体，熔融液的初始重量为M0，其初始掺杂浓度为C0（每克熔融液所掺杂的重量）。在生长过程中，假设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。当晶体增加dM的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量（-dS）为此时熔融液中所剩重量为M0-M，熔融液中掺杂浓度（以重量表示）为71第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备72第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备

将代入得若初始掺杂重量为C0M0，我们可以对上式积分：解方程得：

在晶体生长过程中，晶体中初始的掺杂浓度为k0C0,如果k0<1，掺杂浓度将会持续增加；当k0>1时，掺杂浓度将会持续减少；当k0≈1时，可以获得均匀的掺杂浓度分布。72第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备73第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备例题：一个用直拉法所生长的硅锭，应在熔融液中掺入多少硼原子，才能使其每立方厘米包含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硼（硼的摩尔质量为10.8g）？已知熔融硅的密度为2.53g/cm3,掺硼时的平衡分凝系数k0=0.8解：假设在整个晶体生长过程中则硼原子在熔融硅中的初始浓度为因为硼原子的浓度是如此之小，所以加料后熔融液的体积可用硅的重量来计算，因此，60kg熔融液的体积为则硼原子在熔融液中的总数为所以需掺硼的重量为73第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备74第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备有效分凝系数ke

浓度梯度产生与熔融液中掺杂的扩散系数D，和单晶生长速率γ有关，因此，要想使晶锭获得均匀的掺杂分布，可通过较高的拉晶速率和较低的旋转速率而得到（也就是使ke

0）。另一种方法是单晶生长过程中持续不断地向熔融液中添加高纯度的多晶硅，使熔融液初始的掺杂浓度维持不变（因为一般情况下，Cs<Cl）当晶体生长时，所掺杂的杂质会持续不断地被排斥而留在熔融液中。如果排斥率比掺杂扩散或搅动而产生的传送速率高时，在界面处就会有浓度梯度产生。74第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备75第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（3）硅片制备晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）→切片→研磨→化学机械抛光（CMP）→背处理→双面抛光→边缘倒角→抛光→检验→氧化或外延工艺→打包封装硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：75第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备76第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（3）硅片制备直径滚磨晶体定向是由x射线衍射或平行光衍射仪来确定的76第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备77第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（3）硅片制备导电类型的测试：热点测试仪＆极性仪电阻率的测量：四探针测试仪电阻率的测量要沿着晶体的轴向进行①晶体准备77第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备78第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备2、晶圆制备（3）硅片制备②如何根据参考面辨别晶向和导电类型78第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备79第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆制备研磨→背处理→79第2章半导体材料和晶圆制备

二、晶圆