集成电路工艺基础—硅的晶体结构培训课件(共49页).ppt

第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院第一章 硅的晶体结构与单晶生长 第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院第一章 硅的晶体结构与单晶生长 第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院第一章 硅的晶体结构与单晶生长 第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院v 1.1 硅晶体结构的特点v 1.2 晶向、晶面和堆积模型v 1.3 硅晶体中的缺陷v 1.4 硅中的杂质v 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度v 1.6 硅单晶生长 第一章 硅的晶体结构与单晶生长 下一页第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1 硅晶体结构的特点1.1.1 晶胞1、晶格第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院简单立方 体心立方 面心立方2、晶胞定义：最大限度地反映晶体对称性质的最小单元第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院 300K时，硅的a=5.4305 ,锗的a=5.6463 硅晶胞金刚石结构两套面心立方格子沿体心对角线位移四分之一长度套构而成2、晶胞第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1.2 原子密度v 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：4v 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8v每个原子所占空间体积为：a3/8v硅晶胞的原子密度: 8/a3=51022/cm3v锗晶胞的原子密度: 8/a3=4.4251022/cm3原子密度：原子个数/单位体积第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1.3 共价四面体v 一个原子在正四面体的中心，其它四个同它共价的原子位于正四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。

v 最小原子间距：即正四面体中心原子到顶角原子的距离，即晶胞对角线长的四分之一硅的晶体结构：第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1.4 晶体内部的空隙v硅原子半径： rsi= =1.17 v硅原子体积:v单位原子在晶格中占有的体积：v空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶格中占有的体积 约为34%返回空隙为杂质在其中存在并运动创造了条件第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.2晶向、晶面和堆积模型v 1.2.1 晶向 晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上 晶向：一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记 晶向指数：m1,m2,m3; 原子线密度：原子个数/单位长度 不同 晶向氧化速率、腐蚀速率不同 方向上的原子线密度最大第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院晶向的表示方法第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院等效晶向1第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院等效晶向2第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.2.2 晶面v晶面：晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系v晶面方向：晶面的法线方向，可由相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数来标识。

v晶面指数：(h1,h2,h3;h1,h2,h3v原子面密度：原子个数/单位面积v110面上的原子密度最大第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院等效晶面第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院硅片鉴别方法SEMI标准双级集成电路工艺CMOS集成电路工艺第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.2.3 堆积模型图密堆积模型密排面两层密排面第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院密堆积类型：ABAB.六角密积ABCABC.立方密积密堆积类型p 通过对面心立方晶格中111面原子的观察：p面心立方晶格的111面是密排面p面心立方晶格的111面之间的堆积是立方密积第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.2.4 双层密排面v双层密排面特点： 密排面面内原子结合力强，面间结合力弱v 金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成，故其111晶面是原子密排面v 硅晶体的堆积次序是：AABB CC AA BB CC v 硅晶体的密排面为双层密排面第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院金刚石晶面性质：v 1.由于111双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱，故晶体易沿111解理面劈裂v 2.面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在外表上v 3.由于111双层密排面之间距离很大，结合力弱,晶格缺陷易在面间形成和扩展v 4.面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成111晶面的趋势返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.3 硅晶体中的缺陷点缺陷：自间隙原子、空位、 肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷线缺陷：刃位错、螺位错面缺陷：层错、晶粒间界体缺陷：掺入杂质的量大于硅可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。

返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院点缺陷扩散、氧化返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院线缺陷刃位错的形成：其根本原因是晶体内部应力的存在金属杂质容易缺陷处析出，从而劣化器件的工作性能第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院刃位错的形成第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院螺位错的形成返回实际晶体中的位错线为一曲线，为混合位错第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院面缺陷层错和晶粒间界如果出现面缺陷，那么该晶体不能用来制作集成电路p 层错：是由于原子排列次序发生错乱引起的第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院可以通过外延层错测量外延层的厚度第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.4 硅中的杂质1.4.1 导体、半导体和绝缘体 导体、半导体和绝缘体电阻率区分：导体 10-10 cm；绝缘体 108 1012 cm； 半导体 10-6 10 cm 半导体？温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降适当波长的光照可以改变半导体的导电能力半导体电阻率的上下与所含杂质浓度密切相关第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.4 硅中的杂质v 本征半导体：不掺杂的半导体v本征半导体中的载流子v通过热激发产生的电子和空穴对与温度有关v参考P14图1.17 Si和 GaAs中本征载流子浓度与温度的关系v 实际使用的半导体：在纯洁的半导体中掺入某些杂质，使它的导电能力和导电类型改变。

v改变的原因：掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加v参考P15图1.18 电阻率与杂质浓度的关系第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院N 型半导体族元素+4+4+5+4多余电子磷原子v 多余电子只受P原子核库仑势的吸引，故小能量即可使其脱离P原子核的束缚成为自由电子v 处于晶格位置又能奉献电子的原子P称为施主杂质v 电子浓度增加导致导电能力增强第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院P 型半导体III 族元素+4+4+3+4空穴硼原子能提供多余空穴的杂质称为受主杂质P 型半导体中空穴是多子，电子是少子第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院掺杂半导体v 杂质补偿v 定义：不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象v 对导电类型和导电能力的影响？v 实际应用？v PN 结v 在一块半导体中，一局部掺入N型杂质，另一局部掺入P型杂质，那么在两种杂质浓度相等处就形成P-N结v 制造器件和集成电路的根底第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院掺杂半导体v 杂质类型：v施主、受主： 硼、磷等v特殊杂质：金扩散速率快，作为寿命控制杂质v玷污杂质：碳、氧v碳 会导致p-n结的过早击穿v氧 生成络合物，起施主作用返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.5 杂质在硅中的溶解度 杂质在硅中的溶解度是集成电路和器件的制造过程中选择杂质的重要依据。

v固溶体：元素B溶入元素A中后仍保持元素A的晶体结构，那么A晶体称为固溶体v固溶度：杂质在晶体中的最大溶解度第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院v 固溶体分类：v 替位式固溶体 杂质占据格点位置v 形成替位式固溶体必要条件：v 溶质原子半径的大小接近溶剂原子半径，假设溶质原子半径与溶剂原子半径相差大于15%，那么可能性很小 几何有利因素v 连续固溶体一种物质可无限溶解于另一种物质中v 需为替位式固溶体，且溶剂和溶质原子外部电子壳层结构相似v 大局部施主和受主杂质都与硅形成替位式固溶体v 间隙式固溶体 杂质存在间隙中1.5 杂质在硅中的溶解度第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院v 施主受主杂质的溶解度，将随晶体中的受主施主杂质含量的增加而增大v 某种施主受主杂质的存在会导致其它施主受主杂质的溶解度的下降v 选择杂质的依据：杂质的固溶度是否大于所要求的外表浓度v 参考P19图1-20 在硅晶体中的固溶度随温度的关系1.5 杂质在硅中的溶解度第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院晶体生长第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1、起始材料：石英岩高纯度硅砂2、将纯度为98的冶金级的硅粉碎，与氯化氢反响原材料多晶半导体第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院3、利用分馏法将三氯化硅沸点为32液体中不要的杂质去除，再与氢气作复原反响，产生“电子级硅electronic-grade silicon，EGS原材料多晶半导体第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院多晶半导体单晶v直拉法Czochralski 法单晶生长v从融体即其材料是以液态的形式存在中生长单晶硅的技术v绝大多数单晶硅的主流生产技术下一页v悬浮区熔法单晶生长n用来生产高纯度的硅单晶第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院直拉法柴可拉斯基拉晶仪第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院直拉法v直拉法是熔融态物质的结晶的过程v直拉法v需要的材料：电子级纯度的硅,将石英复原提纯至99.999999999%v生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚熔融石英，腔室内充保护性气氛氩气，将坩埚加热至1500 左右，籽晶直径0.5cm,10cm长降下来与熔料相接触v随着籽晶的提拉，生成柱状晶锭直径可达300mm以上，长度一般12m)第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院硅的悬浮区熔工艺第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院v在操作过程中，利用射频加热器使一小区域的多晶棒熔融。

射频加热器自底部籽晶往上扫过整个多晶棒，由此熔融带也会扫过整个多晶棒当悬浮熔区上移时，在再结晶处长出单晶且以籽晶方向延伸生长v该方法可生产比直拉法更高阻值的物质，主要用于需要高阻率材料的器件，如高功率、高压等器件硅的悬浮区熔工艺返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院磨光后单晶硅晶片的规格返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院exercisev简答题 硅双层密排面特点 施主杂质、 受主杂质举例 选择杂质标准第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院answerv 硅双层密排面的特点：v 111双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱v 施主杂质、 受主杂质举例v 施主杂质：如P, As等v 受主杂质：如B,Ga等v 选择杂质标准v 杂质的固溶度大于需要的杂质的外表浓度。