2024年4月25日发(作者：秦昊磊)
杂质分凝系数
分凝系数（segregation coefficient）：
对于固相-液相的界面，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
料中分布的浓度是不同的，这就是所谓杂质的分凝现象。这种杂质分凝作用的大小常常用所
谓分凝系数来描述：“分凝系数”= (杂质在固相中的溶解度)/(杂质在液相中的溶解度)。所谓
区域提纯就是利用这种分凝作用来提纯金属和半导体等材料的。
分凝现象也可以用来制作所谓合金pn结。例如，在n型Si衬底片上面放置金属杂质
Al，然后加热让Al-Si共熔，由于Al在Si中的分凝系数<1（具体数值与温度有关），这就
意味着液相Si中的Al含量要高于固相Si中，因此当液相Si冷却、再结晶后，即成为了p
型层；该再结晶层与衬底Si之间即形成了pn结。
杂质的分凝现象不仅出现于固相-液相的界面处，而且在不同种类材料的固体-固体界面
上也存在。例如，对Si-SiO2界面：硼的分凝系数为3/10，磷的分凝系数约为10/1。这就是
说，掺硼的Si在表面通过热氧化而形成一层SiO2以后，在表面附近处的硼浓度将会减小；
而掺磷的Si在经过热氧化以后，Si表面附近处的磷浓度将会增高。这种杂质的分凝作用在
器件制作工艺中是值得注意的一个问题。
分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体
中浓度不同的现象（偏析现象）
平衡分凝系数：在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值
K0=CS/CL
平衡状态：无限缓慢地冷却，杂质在固相和液相中充分扩散
硅中的杂质
impurities in silicon
表1硅单昌中杂质的物理、化学性质 ┌──┬────┬───┬──────┬───────┬────┬────
─────────────┬─────┐ │杂质│ 类型 │熔点 │分凝系数 │最大固溶度 │蒸发常数│扩散系数D=刃
屺xp〔一E/KT〕 │扩散型式 │ │元素│(A受主) │(oC) │ │(at/emZ) │(em/s) ├──────┬───┬─────
─┤ │ │ │(D施主) │ │ │ │ │DO(emZ/s) │E(eV) │适用温度(℃)│ │ ├──┼────┼───┼─────
─┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────┤ │B │A │2027 │0 .9 │6X1020
│5X10一6 │l6 │3 .8 │1050一1350 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────
┼──────┼───┼──────┼─────┤ │A1 │A │659 │2X10一3 │2X1019 │10一4 │4 .8 │3 .3 │
1050一1450 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼
──────┼─────┤ │Ga │A │30 │8X10一2 │4X1019 │10一2 │3 .6 │3 .5 │1100一1350 │代位 │ ├
──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────
┤ │In │A │156 │4X10一‘ │6 .7X1020 │SX10一2 │16.5 │4 .0 │1100一1350 │代位 │ ├──┼────┼─
──┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────┤ │P │D │597
│0 .35 │1 .3X1021 │10一4 │10.5 │3 .7 │950一1230 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼──
─────┼────┼──────┼───┼──────┼─────┤ │AS │D │817 │0 .30 │1 .8X1021 │
SX10一3 │0 .32 │3 .6 │1050一1350 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼───
─┼──────┼───┼──────┼─────┤ │Sb │D │630 │0 .023 │6 .5X1019 │7X10一2 │12.9 │
3 .0 │1190一1400 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼─
──┼──────┼─────┤ │Cu │D，A │1083 │4X10一4 │1 .5X1018 │5X10一2 │4X10一2 │10 │ │填隙，
代位│ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼
─────┤ │Au │D，A │1063 │2 .5 x 10一5│1 .2X1017 │ │1 .lx10一2 │1 .1 │800~1300 │填隙，代位│ ├
──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────
┤ │Fe │D │1539 │8X10一6 │3义1016 │Zxlo一2 │6 2 X 10一2 │0 .87 │1100一1300 │填隙 │ ├──┼──
──┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────┤ │Nl │
A │1455 │10一6 │1 .3X1018 │ │10一3一10一4│2，0 │ │填隙 │ ├──┼────┼───┼──────┼
───────┼────┼──────┼───┼──────┼─────┤ │O │D │一218 │1 .25 │2，75 x 101
吕 │ │0 .23 │2 .5 │ │代位，填隙│ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼───
───┼───┼──────┼─────┤ │C │ │ │0 .07 │3 .2x1017 │ │0 .33 │2 .92 │1070一1400 │代
位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─
────┤ │N │D │一210 │7X10一4 │4 .5xl018 │ │了 │3 .29 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │} │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │} │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │一 │ │ │ │ └──┴────┴───┴──────┴──
─────┴────┴──────┴───┴──────┴─────┘ 种杂质成为受主杂质。如果m族和V族杂质同
时存在硅 单晶中，掺杂效果将会互相抵消。即一般要求硅单晶有 较低的杂质补偿度。 重金属Cu、Fe、Au是深能级杂质，它
们的能级 处于硅的禁带中间，形成多重能级，起着电子和空穴的 复合中心或陷阱作用，致使硅单晶寿命降低，重金属扩 散系
数大，易于在硅单晶中的缺陷处聚集沉淀，使PN 结扭曲，结电流增大，击穿软，重金属还会使硅单晶电 阻率发生变化。 碱
金属杂质，尤其是Na，在常温下易于在Si- 5102界面处形成Na+，且有极高的迁移率，将导致器 件不稳定和降低可靠性。 非
金属杂质中主要是O、C、H和N。人们对O 和C的行为已有较多的了解，而N的行为正在研究 中。在典型的直拉硅单晶中，填
隙氧原子含量5X1017 一2x10‘sem一3，而区熔硅单晶氧含量低于SX10‘6 cm一“。氧对硅单晶的影响很大程度上取决于它
的热历 史。在300一800℃热循环处理时，氧在硅中将有施主 效应，从而改变硅的电阻率。高温下溶解于硅单晶中的 氧，降
温时会有一部分氧在缺陷处沉淀，并吸收重金属 杂质，从而影响硅的少子寿命测童和PN结性能。同 时氧的存在，还与空位结
合成核，导致空位团的形成和 微缺陷的产生。然而，氧的存在对增强硅片的机械强度 有好处。硅中的碳是杂质沉淀的形核中
心，容易诱生二 次缺陷，对硅性能影响很大。此外，还会导致PN结 特性变软、击穿电压降低、漏电流增大。它的浓度大于 1.5xl0
‘7at/em3时，害处就比较明显了。 随着器件尺寸逐步减小、集成度增加、新功能器件 的产生，不仅需要进一步研究硅中微
量杂质的行为，而 且需要进一步有效地控制它们。器件加工时，必须采取 一些吸杂措施，进二步降低有害杂质含量。应用于
电子 器件的硅的纯度要求见表2o 检测分析硅中杂质的方法随着技术的发展，手段也 越来越先进。主要方法有:①质谱;②俄
歇电子能谱 表2电子器件硅的纯度要求 杂质含量(X10一6) m族元素<0.3 V族元素<1.5 重金属<0.1 碳<10 氧<50 其他所有
杂质<0.001 (AES);③光电子能谱(ESCA);④色谱;⑤发射光 谱;⑥原子吸收光谱;⑦电子探针;⑧离子探针;⑨放 化分析;⑩湿化
学分析;O电化学分析;⑩X射线荧 光分析(XRF);⑩背散射(RBS);⑩原子核反应法; ⑩带电离子活化分析。(叶志镇) 硅中的杂质
impurities in silieon硅单晶中的其 他各种物质。硅中杂质的多少主要取决于多晶硅中杂质 的含量及提纯效果、以及单晶
生长的环境等因素。往往 根据需要，人为地在硅单晶中加入某些杂质。 杂质的种类及其物理化学性质硅中杂质按其作用 可分
为两大类:有用杂质和有害杂质。人们可根据对硅 单晶电学性能的特定要求，有意地掺入某种有用杂质， 并有效地控制其浓度
和分布，从而获得所期望的硅单 晶。有害杂质将影响甚至破坏硅单晶的性能，必须尽量 加以限制和排除。硅的主要杂质有:m
族杂质，V族杂 质，重金属、碱金属和非金属杂质等。m族杂质主要有 B、AI、Ga和In，而V族的杂质主要有P、As和Sb。 重
金属杂质主要有Cu、Au、Fe、Ni和Mn;碱金属 杂质主要有Na、K、Ca、Li和Mg。而非金属杂质主 要有O、C、H和N。由于杂
质的原子结构不同，导致 它们在硅中的物理化学性质各异。一些杂质在硅中的主 要物理化学性质:最大固溶度、扩散系数、分
凝系数、 蒸发系数和熔点等见表1o 杂质在硅中的行为自20世纪50年代成功制备了 第一只晶体管和成功生长了硅单晶以来，
研究硅中杂质 的行为一直是个重要课题。随着大规模集成电路集成度 的提高和新型半导体器件的发展，对硅中微量杂质的行
为以及如何影响硅性能的研究也就越深入。对于份族的 硅，m、V族元素是主要的掺杂剂，用以控制硅单晶的 导电类型和电阻
率。用V族元素的P、As或Sb等杂 质掺入硅单晶中，它们的原子将在硅的晶格点上替代硅 原子，在原子最外层的5个价电子
中有4个与硅原子的 4个价电子形成共价键，其余1个电子易于电离，为硅 提供了传导电子，使硅变成N型半导体。这种杂
质成 为施主杂质。m族元素B、AI或Ga等杂质掺入硅单 晶中，它们的原子同样将在硅的晶格点上替代硅原子， 最外层的3
个电子与硅原子4个价电子形成共价键时产 生空穴，易于接受价电子，使硅变成P型半导体。这
......
2024年4月25日发(作者：秦昊磊)
杂质分凝系数
分凝系数（segregation coefficient）：
对于固相-液相的界面，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
料中分布的浓度是不同的，这就是所谓杂质的分凝现象。这种杂质分凝作用的大小常常用所
谓分凝系数来描述：“分凝系数”= (杂质在固相中的溶解度)/(杂质在液相中的溶解度)。所谓
区域提纯就是利用这种分凝作用来提纯金属和半导体等材料的。
分凝现象也可以用来制作所谓合金pn结。例如，在n型Si衬底片上面放置金属杂质
Al，然后加热让Al-Si共熔，由于Al在Si中的分凝系数<1（具体数值与温度有关），这就
意味着液相Si中的Al含量要高于固相Si中，因此当液相Si冷却、再结晶后，即成为了p
型层；该再结晶层与衬底Si之间即形成了pn结。
杂质的分凝现象不仅出现于固相-液相的界面处，而且在不同种类材料的固体-固体界面
上也存在。例如，对Si-SiO2界面：硼的分凝系数为3/10，磷的分凝系数约为10/1。这就是
说，掺硼的Si在表面通过热氧化而形成一层SiO2以后，在表面附近处的硼浓度将会减小；
而掺磷的Si在经过热氧化以后，Si表面附近处的磷浓度将会增高。这种杂质的分凝作用在
器件制作工艺中是值得注意的一个问题。
分凝现象：将含有杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体
中浓度不同的现象（偏析现象）
平衡分凝系数：在一定温度下，平衡状态时，杂质在固液两相中浓度的比值
K0=CS/CL
平衡状态：无限缓慢地冷却，杂质在固相和液相中充分扩散
硅中的杂质
impurities in silicon
表1硅单昌中杂质的物理、化学性质 ┌──┬────┬───┬──────┬───────┬────┬────
─────────────┬─────┐ │杂质│ 类型 │熔点 │分凝系数 │最大固溶度 │蒸发常数│扩散系数D=刃
屺xp〔一E/KT〕 │扩散型式 │ │元素│(A受主) │(oC) │ │(at/emZ) │(em/s) ├──────┬───┬─────
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│0 .35 │1 .3X1021 │10一4 │10.5 │3 .7 │950一1230 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼──
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SX10一3 │0 .32 │3 .6 │1050一1350 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼───
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3 .0 │1190一1400 │代位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼─
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代位│ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼
─────┤ │Au │D，A │1063 │2 .5 x 10一5│1 .2X1017 │ │1 .lx10一2 │1 .1 │800~1300 │填隙，代位│ ├
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A │1455 │10一6 │1 .3X1018 │ │10一3一10一4│2，0 │ │填隙 │ ├──┼────┼───┼──────┼
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吕 │ │0 .23 │2 .5 │ │代位，填隙│ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼───
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位 │ ├──┼────┼───┼──────┼───────┼────┼──────┼───┼──────┼─
────┤ │N │D │一210 │7X10一4 │4 .5xl018 │ │了 │3 .29 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │} │ │ │ │ │
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时存在硅 单晶中，掺杂效果将会互相抵消。即一般要求硅单晶有 较低的杂质补偿度。 重金属Cu、Fe、Au是深能级杂质，它
们的能级 处于硅的禁带中间，形成多重能级，起着电子和空穴的 复合中心或陷阱作用，致使硅单晶寿命降低，重金属扩 散系
数大，易于在硅单晶中的缺陷处聚集沉淀，使PN 结扭曲，结电流增大，击穿软，重金属还会使硅单晶电 阻率发生变化。 碱
金属杂质，尤其是Na，在常温下易于在Si- 5102界面处形成Na+，且有极高的迁移率，将导致器 件不稳定和降低可靠性。 非
金属杂质中主要是O、C、H和N。人们对O 和C的行为已有较多的了解，而N的行为正在研究 中。在典型的直拉硅单晶中，填
隙氧原子含量5X1017 一2x10‘sem一3，而区熔硅单晶氧含量低于SX10‘6 cm一“。氧对硅单晶的影响很大程度上取决于它
的热历 史。在300一800℃热循环处理时，氧在硅中将有施主 效应，从而改变硅的电阻率。高温下溶解于硅单晶中的 氧，降
温时会有一部分氧在缺陷处沉淀，并吸收重金属 杂质，从而影响硅的少子寿命测童和PN结性能。同 时氧的存在，还与空位结
合成核，导致空位团的形成和 微缺陷的产生。然而，氧的存在对增强硅片的机械强度 有好处。硅中的碳是杂质沉淀的形核中
心，容易诱生二 次缺陷，对硅性能影响很大。此外，还会导致PN结 特性变软、击穿电压降低、漏电流增大。它的浓度大于 1.5xl0
‘7at/em3时，害处就比较明显了。 随着器件尺寸逐步减小、集成度增加、新功能器件 的产生，不仅需要进一步研究硅中微
量杂质的行为，而 且需要进一步有效地控制它们。器件加工时，必须采取 一些吸杂措施，进二步降低有害杂质含量。应用于
电子 器件的硅的纯度要求见表2o 检测分析硅中杂质的方法随着技术的发展，手段也 越来越先进。主要方法有:①质谱;②俄
歇电子能谱 表2电子器件硅的纯度要求 杂质含量(X10一6) m族元素<0.3 V族元素<1.5 重金属<0.1 碳<10 氧<50 其他所有
杂质<0.001 (AES);③光电子能谱(ESCA);④色谱;⑤发射光 谱;⑥原子吸收光谱;⑦电子探针;⑧离子探针;⑨放 化分析;⑩湿化
学分析;O电化学分析;⑩X射线荧 光分析(XRF);⑩背散射(RBS);⑩原子核反应法; ⑩带电离子活化分析。(叶志镇) 硅中的杂质
impurities in silieon硅单晶中的其 他各种物质。硅中杂质的多少主要取决于多晶硅中杂质 的含量及提纯效果、以及单晶
生长的环境等因素。往往 根据需要，人为地在硅单晶中加入某些杂质。 杂质的种类及其物理化学性质硅中杂质按其作用 可分
为两大类:有用杂质和有害杂质。人们可根据对硅 单晶电学性能的特定要求，有意地掺入某种有用杂质， 并有效地控制其浓度
和分布，从而获得所期望的硅单 晶。有害杂质将影响甚至破坏硅单晶的性能，必须尽量 加以限制和排除。硅的主要杂质有:m
族杂质，V族杂 质，重金属、碱金属和非金属杂质等。m族杂质主要有 B、AI、Ga和In，而V族的杂质主要有P、As和Sb。 重
金属杂质主要有Cu、Au、Fe、Ni和Mn;碱金属 杂质主要有Na、K、Ca、Li和Mg。而非金属杂质主 要有O、C、H和N。由于杂
质的原子结构不同，导致 它们在硅中的物理化学性质各异。一些杂质在硅中的主 要物理化学性质:最大固溶度、扩散系数、分
凝系数、 蒸发系数和熔点等见表1o 杂质在硅中的行为自20世纪50年代成功制备了 第一只晶体管和成功生长了硅单晶以来，
研究硅中杂质 的行为一直是个重要课题。随着大规模集成电路集成度 的提高和新型半导体器件的发展，对硅中微量杂质的行
为以及如何影响硅性能的研究也就越深入。对于份族的 硅，m、V族元素是主要的掺杂剂，用以控制硅单晶的 导电类型和电阻
率。用V族元素的P、As或Sb等杂 质掺入硅单晶中，它们的原子将在硅的晶格点上替代硅 原子，在原子最外层的5个价电子
中有4个与硅原子的 4个价电子形成共价键，其余1个电子易于电离，为硅 提供了传导电子，使硅变成N型半导体。这种杂
质成 为施主杂质。m族元素B、AI或Ga等杂质掺入硅单 晶中，它们的原子同样将在硅的晶格点上替代硅原子， 最外层的3
个电子与硅原子4个价电子形成共价键时产 生空穴，易于接受价电子，使硅变成P型半导体。这
......