半导体材料制备技术(二)ppt课件.ppt

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1、3.3单晶硅制备单晶硅制备目标：实现由多晶到单晶的转变，即原子由液相的随机排列直接转变为有序阵列，由不对称结构转变为对称结构。特点：通过固液界面的移动逐渐完成。途径：多晶硅由固态到熔融态，然后又由熔融态硅到固态晶体硅。方法：有坩埚直拉法；无坩埚区熔法。准备工序：掺杂选择，坩埚准备，籽晶制备等3.3.1硅单晶制备中的掺杂半导体材料的电学性能对纯度敏感，故需人为精确控制杂质的掺入量。加入的杂质元素决定了被掺杂半导体的导电类型、电阻率、少子寿命等电学性能。1、杂质元素的选择1）根据导电类型和电阻率要求选择掺杂元素N型硅单晶：必须选择V族元素（P、As、Sb、Bi）P型硅

2、单晶：必须选择Ⅲ族元素（B、Al、Ga、In）杂质浓度决定了电阻率，但电阻率还与载流子的迁移率有关。杂质浓度较大时，杂质的散射作用增强，迁移率大大降低，从而影响材料的导电能力。2）根据杂质元素在Si中的溶解度选择各种杂质元素在Si中的溶解度相差较大，若掺杂量超过极限量则单晶生长不能正常进行。实际中采用大溶解度的杂质，可以达到重掺杂，又不会使杂质在晶体中析出。3）根据分凝系数选择杂质分凝系数小的掺杂元素，在熔体生长晶体时很难从熔体进入晶体，进行重掺杂是不适宜的。4）根据杂质元素在Si中的扩散系数选择要求Si单晶中掺杂元素的扩散系数要小器件制造过程中，高温工艺（扩散、

3、外延等）进行时，衬底中的杂质以反扩散方式进入外延层，影响杂质再分布，对器件不利。快扩散杂质元素：Li、Na、Cu、Fe、K、Au、Ag慢扩散杂质元素：Al、B、Ca、P、As、Sb、Bi？5）根据杂质元素的蒸发常数选择原因：单晶制备真空环境气-液相处于非平衡态杂质易挥发熔体中杂质量发生变化材料影响材料电学性能措施：选择蒸发常数小的杂质6）考虑掺杂元素原子半径的影响，应尽量选用与锗、硅原子半径近似的杂质。杂质元素的原子半径与Si原子半径之差是影响晶体完整性的重要因素之一！2、掺杂方式（1）元素掺杂直接将纯杂质元素加入硅中。这种方式适于制备电阻率10-2～10-3Ωc

4、m重掺单晶（2）母合金掺杂将杂质与Si制成合金。适于制备电阻率10-1Ω·cm以上的单晶（3）中子嬗变制备高阻材料；有利于提高掺杂的均匀性特征：杂质不是外部掺入，而是本身原子直接转变的自然硅中有三种稳定的同位素28Si（92.21%）29Si（4.7%）30Si（3.09%），这些同位素在硅中均匀分布。中子在硅中的射程为90~100cm，杂质可以掺杂得很均匀很准确。3、掺杂的计算计算掺杂量考虑因素：1）原材料中杂质的含量2）杂质的分凝效应3）杂质在真空中的蒸发效应4）坩锅和系统的玷污（1）掺纯杂质元素重量的计算电阻率r与杂质浓度CS关系如下拉出单晶某位置X的电阻率

5、与熔体中杂质浓度CL的关系高纯材料本身的杂质可以忽略，不考虑蒸发，生长过程中没有污染CL就是掺入杂质的浓度若拉制M克单晶，掺杂质量md为硅或锗的密度，N0为阿弗加德罗常数，A为杂质元素原子量，A/N0每个杂质原子质量例题1要求拉出x＝1/2处，的n-型锗单晶50g，所用原材料是区熔提纯的高纯锗，问需要掺入杂质砷的质量为多少？（已知砷的分凝系数K＝0.02，砷原子量为74，m＝4000，说明：电阻率较高时，掺入杂质的含量很少，称重容易产生误差。因此一般重掺才采用纯元素掺杂的方式否则要使用合金掺杂方式：常用合金P-Si,B-Si,Ge-Sb,Ge-Ga例题2若要求拉出

6、x＝1/2处，的n-型硅单晶50g，问需要掺入砷杂质多少？解：经计算得到m=0.01mg采用母合金掺杂的计算（1）P型掺杂设B-Si合金杂质浓度为C‘S，Si中投入合金重量W1，近似认为合金密度d合＝dSi，电阻率为r合金体积：W1/dSi，杂质总原子数：（W1/dSi）*C’S设多晶原料质量M，熔体体积M/dSi熔体中杂质浓度为CL杂质在合金中的总数熔体中杂质总数相等且X＝0时投入杂质在晶锭头部的浓度多晶硅中的杂质以及坩锅中的杂质当Ci的杂质类型与投入的杂质相同，为＋否则为－应投入合金若K<1,利用x＝0处r最大的条件可以求解CL－>CS（0）例：拉制50gP型

7、Ge单晶，要求r＝1-3Wcm，用Ga－Ge合金掺杂，合金的Cs‘＝1017cm-3，Ci＝0，求掺入合金多少克？已知K＝0.1;mp=2000cm2/vs解选x＝0处r＝3WcmCL＝1016cm-3Cs(0)＝1015cm-3应投入合金实际生产中，常用更方便的经验公式：W合金为参入的母合金量，W料为硅料重量，N产为产品中有效载流子浓度，N合金为母合金浓度。K实际是根据生产设备、热场配置、生产条件等经验归一化总结的系数。它把原料纯度、蒸发、坩埚污染、分凝等因素都包含在一起，以“实际分凝系数”的形式表现出来。TDK-36AZ单晶炉真空化料氩气拉晶时的K实际元素BP

8、AsSbK