第四章、硅中有害杂质
1、 概念解释：
*小平面效应：晶体生长的固液界面，由于受坩埚中熔体等温线的限制，常常是弯曲的。如果在晶体生长时迅速提起晶体，则在<111>锗、硅单晶的固液界面会出现一小片平整的平面，它是(111)原子密排面，称之为小平面。在小平面区杂质浓度与非小平面区有很大差异，这种杂质在小平面区域中分布异常的现象叫小平面效应。
杂质（生长）条纹：在晶体生长的过程中，由于各种外界因素导致晶体生长速率的的微起伏，造成晶体中杂质浓度的起伏，晶体的电阻率、载流子寿命及其他物理性能在纵、径向出现周期性起伏，在用化学腐蚀时表现出宽窄不一的条纹称为杂质条纹。
旋转性条纹：在晶体转轴与温场轴不重合时，不同时刻所生长的晶体中杂质浓度是不相同的，这样形成的条纹叫旋转性条纹。
*中子嬗变掺杂：通常是由三种同位素组成。将高纯区熔硅单晶放入原子反应堆中进行中子辐照，使起施主作用进行掺杂，称为中子嬗变掺杂（*NTD）
漩涡缺陷：无位错单晶在生长方向的横断面经希特尔腐蚀液腐蚀后，所观察到的呈漩涡状分布的宏观缺陷花纹，俗称漩涡缺陷。
热施主效应：在硅单晶中，由于含有氧杂质，在对其进行热处理时，Si与O之间发生一系列反应，在450C°时SiO以最快的速度形成SiO4，SiO4是一个正电中心，可以束缚一个电子，在室温下受热激发而使它电离出来参与导电，SiO4起施主作用，此种效应称为热施主效应。
吸杂工艺：通过机械化学处理方法，在硅片的非电活性区引入缺陷，在热处理时一些重金属杂质会 扩散并淀积在这些缺陷处，从而减少了这些有害杂质对器件工作区的影响，改善了器件的性能，这种工艺叫吸杂工艺。
2、 简述CZ法中杂质掺入办法及其选择依据。
答：对于不易挥发的杂质如硼，可采用共熔法掺入，即把掺入元素或母合金与原料一起放在坩埚中熔化；对于易挥发的杂质，如砷、锑等，则放在掺杂勺中，待材料熔化后，在拉晶前再投放到熔体中，并需冲入氩气抑制杂质挥发。（掺入杂质的方法—共熔法和投杂法）
3、 讨论CZ法中影响单晶纵向电阻率均匀性的因素及其控制办法。
答：影响直拉单晶电阻率的因素有：杂质的分凝、蒸发、沾污等。对于K<1的杂质，分凝会使单晶尾部电阻率降低；而蒸发正好相反，会使单晶尾部电阻率升高。沾污使N型单晶尾部电阻率增高，P型相反。
*控制方法：变速拉晶法。出发点是CS=KCL。若在晶体生长初期用较大的拉速，随后随着晶体的生长而不断减小拉速，保持CL与Keff乘积不变，这样拉出来的单晶纵向电阻率就均匀了。双坩埚法。
4、 讨论CZ法中影响单晶径向电阻率均匀性的因素及其控制办法。
答：*影响单晶径向电阻率均匀性的主要原因是晶体生长时固液界面的平坦度和*小平面效应的影响（P82）。
控制办法：调整晶体生长热系统，使热场的径向温度梯度变小。调节拉晶运行参数，对凸熔体界面，增加拉速。调整晶体或坩埚的转速。增大坩埚内径与晶体直径的比值。（对于小平面效应，需将固液界面调平）
书中补充（非答题）：
在杂质K<1时，凸向熔体的界面会使径向电阻率出现中间高边缘低，凹向熔体的界面则相反，平坦的固液界面其径向电阻率均匀性就比较好。拉晶时，在固液界面处热交换主要有四种：、熔硅凝固放出的热；、熔体的热传导；、通过晶体向上的热传导；、通过晶体向外的辐射热。
在生长晶体头部时，固液界面距单晶炉水冷籽晶杆较近，晶体内温度梯度较大，使晶体纵向导热大于表面辐射热，所以固液界面凸向熔体，在晶体生长到中部，纵向导热等于表面辐射热，故界面平直。
5、 说明不同的固液生长界面形状（凸、凹、平） 对电阻率径向分布的影响（K<1杂质）
答：对于K<1的杂质。当晶体生长过程中，纵向热传导>径向热辐射时，如拉晶初期，固液生长界面凸向熔体，导致在同一高度的平面内中间部分晶体先生长，杂质浓度小，边缘部分后生长，杂质浓度大，造成沿径向电阻率中间高外面低。ntd当纵向热传导=径向热辐射时，如等径生长部分，固液面平坦，杂质浓度和电阻率沿径向分布均匀。当纵向热传导<径向热辐射时，如晶体生长后期，晶体固液界面凹向熔体，导致在同一高度平面内中间部分后生长，杂质浓度大，边缘部分先生长，杂质浓度小，径向电阻率中低外高。
6、 分析产生杂质条纹的根本*原因并说明对于非平坦界面，由于晶转轴与热转轴不重合带来的杂质条纹的形状（横截面、纵截面、表面）
答：根本原因：晶体中杂质浓度的起伏---由于晶体生长速率的起伏造成的。由于单晶炉的机械蠕动和机械震动-间歇式条纹；由于晶体转轴和温场轴不同轴—旋转性条纹；由于加热器功率或热量损耗的起伏；由于液流状态不稳定。
对于非平台界面，由于晶转轴与热场轴不重合，使杂质条纹沿晶体横截面呈螺旋状结构，纵截面周期性螺旋结构，表面也呈螺旋结构。
7、 解释组分过冷并推导组分过冷产生的条件，讨论出现组分过冷时平坦界面上的干扰如何发展成胞状界面及枝蔓生长。
答：在拉制重掺杂单晶时，对于K<1杂质，由于分凝作用在界面附近形成一个杂质富集层。在富集层内各点的凝固点不同， 虽然界面的温度为凝固点，但离开界面 的熔体的实际温度低于凝固点，处于过冷状态。原来固液界面前沿的过热熔体因杂质的聚集产生一过冷区，这种因组分变化而产生的过冷现象称为*组分过冷。（*成因，生成机制）
组分过冷的推导：P90
出现组分过冷时，平坦界面上晶体生长出现微突起，突起部分深入组分过冷熔体中，导致突起迅速生长，当突起部位之间相距比较近时，突出侧面由于晶体生长释放相变潜热使侧面附近熔体过冷度减小，侧面生长速度低于突起尖端的生长速度，突起越长越长，沿突起横向看过去，截面呈现胞状界面；如果在突起的侧面出现干扰产生新的突起，新的突起向侧面迅速生长，这样生长的突起呈现树枝状结构界面出现枝蔓生长。
在拉直重掺杂单晶时，单晶尾部常过早地出现多晶，而且在晶变前的单晶截面经腐蚀后呈现蛛网状结构或螺旋状结构。
*防止组分过冷条件：凝固点处的曲线斜率dT(Z)/dZ|Z=0<(dT(Z)/dZ)L
*组分过冷的影响：在平坦的界面上因干扰产生突起时，其尖端处于过冷度较大的熔体中，它的生长速率比界面快，凸起不能自动消失， 于是平坦的界面稳定性就被破坏了。
8、 简述位错对材料性能的影响及无位错单晶工艺的要点。
答：对材料性能的影响：
对载流子浓度的影响：一般影响不大。
对迁移率的影响：使电子迁移率减小，宏观迁移率降低，平行位错线与垂直位错线方向上迁移率不同。
对载流子寿命的影响：
对器件的影响：
无位错单晶工艺的要点：
正确的选择籽晶晶向和制备籽晶；
（选择的籽晶应是没有系属结构或星形结构的晶体；*为了使位错容易排除体外，必须使生长轴与｛111｝面的最小夹角最大）-拉制无位错单晶。
采用合适的拉晶工艺：采用缩颈工艺、籽晶预热等。
9、 补充：
掺杂量的计算：P73
掌握（111）小平面、凸向熔体：P82
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