A=结晶潜热
A
+
固液相界面
液相到固相 → 热量 ⇑
Liquid Si
Isotherm X1
¾ 单晶生长实际上是液固两相的 转化，实现条件是在两相界面 附近存在温度梯度；
¾ 晶体凝结发生在两等温面 X1 和 X2 间，期间释放热量；
¾ 热平衡 （A B C）： 结晶潜热 + 液相到界面的热传 导= 界面到固相的热传导（最 终由辐射和对流从固相耗散）
¾ 品质高低对器件性能有很大影响。 • 寿命（少数载流子）：晶体管— 长寿
命, 开关器件— 短寿命；
• 晶格完整性：低位错（< 1000 /cm2）；
• 纯度：电子级 —10−9 杂质；
选择和制备低成本、高用量的优良衬 • 晶向：双极器件<111>, MOS <100>；
底材料，对微电子工业至关重要！
显然，
dS S
=
k0
−dM M0 − M
已知初始掺杂总量为C0M0，对上式积分：
=S M0 −
S dS S C0M0
M
= k0
解此方程，可得： Cs
=
k0C0 (1 −
M M0
)k0 −1
M −dM 0 M0 − M
18
Longitudinal Doping Nonuniformity
Cs
=
k0C0 (1 −
凝结面凹陷进熔料，硅片径向上 各点的凝结发生于晶体生长过程 中不同时刻，导致径向掺杂不均
20
有效分凝系数
实际上，熔料中存在温度梯度，均匀溶液 的假设并非总成立。
Boundary layer
浮（力）致环流 （buoyancy-driven recirculation cells）
附面层（boundary layer）：熔料有一定黏滞
15
掺杂分布
目的：在晶体生长时，往往将一定数量的杂质原子加入熔融液中， 以获得所需的掺杂浓度，使硅片具有一定电阻率（比如：N/P 型硅片 1-100 Ω·cm）
任何一种杂质在不同相中的溶解度是 不同的。固液两相界面随着单晶生长不断 向液相中推移，原存在于融硅中的杂质将 在界面两边再分布直至达到在界面两边的 化学势相同，这种现象称为分凝现象，平 衡时的比例常数称为分凝系数。
→ C ≈ 1015-1016 cm-3
→ Introduces SiO2 in CZ; Oi≈1017-1018cm-3
9
¾ 拉晶：籽晶CCW，坩埚CW， 降低熔料温度梯度，提高生长和 掺杂均匀性；
¾ 坩埚随液面下降而上升：保持 熔硅液面在温度场中位置不变；
¾ 加磁场：抑制热对流，降低缺
陷、杂质、氧含量的浓度；
一级：温度、拉晶速度；
二级：单晶和坩埚转速、 气体流量。
EGS中杂质 < 1 ppb，晶体生长引入 O （≈ 1018 cm-3） 和 C （≈ 1016 cm-3）， 融硅中掺杂杂质 P、B、As 等
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
¾ 直径：由拉速决定；
φ200mm单晶, < 0.8mm/min
¾ 拉速：由远离结晶表面的加热
条件所限制；
¾ 氧含量：角色好坏参半；
¾ 碳含量：形成本征缺陷。
10
非惰性，可影响硅工艺过程，如杂质扩散
硅中的氧：10~20 ppm（5×1017~1018cm−3），定性而非定量模型
析出过程： 体积膨胀 （压应力）， 消耗 V 或产生 I。 Si-Si → Si-O-Si
硅的
溶解温度TM
发射系数 处的热导率
vPmax
=
1
Lρ
2σεkM TM5 3r
硅的 密度
波尔兹曼 常数
6 in CZ 晶体的最大拉速： 23.6cmhr−1，是实际拉晶 速度的 2 倍。
实际拉晶过程中，拉晶速度变化同时引起单晶直径和轴向温度分布的变化。 通常使用反馈系统监视和实时调节拉速，以维持均一直径。
M )k0 −1 M0
Cs C0
= k0 (1 −
M )k0 −1 M0
k0 >1：掺杂浓度将会持续减少， 晶锭头浓度>晶锭尾浓度；
k0 <1：掺杂浓度将会持续增加， 晶锭头浓度<晶锭尾浓度；
k0 ≈1：可获得均匀的掺杂浓度分布。
19
Radial Doping Nonuniformity 非理想因素： 熔料中杂质浓度不均、温度梯度 、对流流动、界面边界层等
¾ 影响氧的沉积（趋向于形成最小应力的氧、 碳化合物）及吸杂效率；
¾ 在更高温度上（650~1000°C）形成氧施主； ¾ 与点缺陷和其它掺杂杂质存在相互作用
（补偿应力）。
不是期望的杂质，需严格控制其浓度。
更高浓度的碳可改变硅禁带宽度 （几个百分 点）- 未来可能的新型器件。
12
拉晶过程
a. 引晶（下种）：籽晶旋转下降，预热（烤晶）后与熔 硅表面熔接，注意控制引晶温度；
对于均匀溶液，平衡分凝系数 k0 = Cs / Cl ，其中 Cs 和 Cl 分别是晶体和 熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度。
16
特定温度下、特定系统中的特定杂质，k0一般由实验测定。
杂质 B Al Ga In O C P
硅中常见掺杂杂质的平衡分凝系数 k0 = Cs / Cl
k0 8×10−1
2
3.1 衬底材料
微电子器件衬底材料的种类：
元素半导体（如硅、锗）、 化合物半导体（砷化镓、磷化铟、氮化 镓、碳化硅） 和 绝缘体（蓝宝石、尖晶石）
¾ 结构、组成各有不同特点； ¾ 不承担器件或电路的电子功能；
• 导电类型：N 型与 P 型都易制备； • 电阻率：0.01~105 Ω·cm，均匀性好；
SiCl4 ＋H2 → Si＋4HCl↑
8
一、直拉（Czochralski ，CZ）法
¾ 目前 IC 所用 Si 基片基本均由 CZ 法 制备；
¾ 加热 EGS 至 1417°C 左右熔融，使用 籽晶浸入后拉出硅单晶；
1CrystalPulling.MOV ¾ 需控制工艺参数
1CrystalPulling.MOV
30 Å 晶核 @ 700°C
¾ 适当浓度填隙氧原子可提高硅的机械强度 （≈25%）；
¾ 构成氧施主（ SiO4，450°C，1016cm-3）， 提供的自由电子对改变单晶硅电阻率 。 T>500°C 退火， 硅氧络合物溶解；
¾ 因溶解度变化而析出，形成位错和堆垛层 错，（非有源区的）可用于本征吸杂。
6
3.2 单晶生长
原材料 多晶半导体
单晶 晶片
Si/SiO2 蒸馏和还原
GaAs/Ga, As 合成
晶体生长
晶体生长
研磨、切割、 抛光
研磨、切割、 抛光
7
硅砂（SiO2）
98% pure
冶金级硅（MGS）
ppb purity，最纯材料
电子级硅（EGS）
高温碳还原
高温氯化
高温氢还原
1600-1800°C
系数，靠近固液界面某一区域无物质流动。
k0→ k e
=
k0
k0 + (1 − k 0 )e −Vb/ D
b：附面层厚度，V：拉速， D：杂质的扩散系数，Vb/D：生长参数。
要使晶体获得均匀掺杂分布（ke≈1），可通过较高 拉速和较低旋转速度得到（b 与旋转速率成反比）
21
计算：
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 60 kg 的硅，若 要达到上述掺杂浓度应该加入多少克的硼（摩尔质量10.8g）？已知掺 硼时的平衡分凝系数 k0=0.8，融熔硅的密度为2.53 g/cm3。
固液相界面区 域的热传输一 维连续性方程
.
Ldm dt
+
kL
dT dx 1
A1
=
kS
dT dx 2
A2
界面附近液相一侧无温度梯 度时，则单晶生长速度最大
பைடு நூலகம்
熔解 单位时间 液相 x1面温 固相 x2面温 潜热 内凝结量 热导率 度梯度 热导率 度梯度
( dm ) = ρ( dx )
dt
dt
14
最大拉晶速度与晶体半径的平方根成反比
b. 缩颈：高温熔接，低温快速细长缩颈，以生长无位错 单晶。
c. 放肩：缩颈到要求长度后，大幅降低提拉速度，将晶 体放大到所需直径，控制出一均匀平滑的肩。
d. 等径生长：放肩至接近所需直径时，升温、加速，使 晶体圆滑进入等径生长。恒定拉速使直径 大小均匀。
e. 收尾：等径生长后，升温提速拉成 锥形尾体，目的在于减少尾 部位错的产生与攀移。
• 直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。
3
Si 的基本特性:
¾ 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV ¾ 相对介电常数：εr=11.9 ¾ 熔点： 1417°C；工作温度：150°C； ¾ 本征载流子浓度：ni=1.45 × 1010 cm−3 ¾ 本征电阻率： ρ=2.3 × 105 Ω·cm ¾ 电子迁移率： μe=1500 cm2/Vs； ¾ 空穴迁移率： μh=450 cm2/Vs
微电子工艺学
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
绪论 现代 CMOS 工艺技术 晶体生长与衬底制备 加工环境与基片清洗 光刻 热氧化 扩散掺杂 离子注入掺杂 薄膜淀积 刻蚀 后段工艺与集成
1
第三章 单晶生长和衬底制备
3.1 衬底材料 3.2 单晶生长 3.3 衬底制备 3.4 晶体特性 3.5 晶体参数测量