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ch1ch1单晶硅特性解析单晶硅特性解析P2本章主要内容Ø1.1 硅晶体结构的特点Ø1.2 硅晶体缺陷Ø1.3 硅中杂质P31.1硅晶体结构的特点常用的半常用的半导体材料：体材料：Ø元素半导体：完全由一种元素构成的，具有半导体性质的材料，位于元素周期表的IV如硅（Si）、锗（Ge）Ø化合物半导体：由两种或两种以上的元素构成的，具有半导体性质的材料，最常见的是由周期表中III族和V族元素形成的如砷化镓（GaAs）、锑化铟（SbIn）自然界物自然界物质按按导电能力分能力分类：：Ø导体：导电能力最强金属元素价电子数少于4个Ø绝缘体：导电能力最弱橡胶，石英，价电子数8个Ø半导体：导电能力介于二者之间价电子数4个P4元素周期表1.1硅晶体结构的特点P51.1硅晶体结构的特点Ø硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料硅四面体硅四面体结构构键角：角：109º28′P6硅、锗、砷化镓电学特性比较性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×105471081.1硅晶体结构的特点P7硅、锗、砷化镓电学特性比较Ø锗应用的最早，一些分立器件采用； GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件Ø从电学特性看硅并无多少优势，硅在其它方面有许多优势 。

1.1硅晶体结构的特点P8性性质SiGeGaAsSiO2原子序数143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.00×10224.42×10222.21×10222.30×1022晶体结构金刚石金刚石闪锌矿四面体无规则网络晶格常数（Å）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（V/μm）30835600熔点（℃）141793712381700蒸汽压（托）10-7（1050℃）10-7（880℃）1（1050℃）10-3（1050℃）比热（J/g·℃）0.700.310.351.00热导率（W/cm·℃）1.500.60.80.01扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数（1/℃）2.5×10-65.8×10-65.9×10-60.5×10-6有效态密度（cm-3）导带Nc价带Nv2.8×10191.0×10191.0×10196.0×10184.7×10177.0×1018硅、锗、砷化镓电学特性比较P9硅作为电子材料的优点Ø原料充分，占地壳25%，沙子是硅在自然界中存在的主要形式；Ø硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；Ø密度只有2.33g/cm3，是锗/砷化镓的43.8%，用于航空、航天；Ø热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃ ，热导率高，1.50W/cm·℃，芯片散热；Ø单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好，目前16英寸；Ø机械性能良好，MEMS。

1.1.1硅的性质P10固体的分固体的分类：：Ø非晶体非晶体：没有重复结构，原子级结构杂乱无章(与晶体材料相对，如塑料)Ø晶体：晶体：具有长程有序的原子模式，最基本的单元称为晶胞晶胞，晶胞在三维结构中最简单的由原子组成的重复单元 晶体的分晶体的分类：：Ø多晶多晶：晶胞级结构杂乱无章Ø单晶晶：晶胞级结构有序排列硅晶胞：面心立方金刚石结构1.1.2硅晶胞P111.1.2硅晶胞晶格常数：晶格常数：α=5.4305Å原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原子半径：原子半径：rSi=√3a/8=1.17Å空空间利用率：利用率：金刚石结构的立方晶胞硅晶体中还有较大的“空隙”（约66%）因此，杂质原子较容易进入硅晶体中P121.1.3硅单晶的晶向、晶面硅的几种常用晶向的原子分布硅的几种常用晶向的原子分布图Ø晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列Ø任何晶格的取向可以由连接晶列中相邻格点的矢量R=m1x+m2y+m3z标记，m1,m2,m3为互质整数，记[m1m2m3]为晶向, 等价的晶向（晶向族）表示为< m1m2m3>线密度：密度：1/a1.41/a1.15/aP13Ø晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。

Ø晶面可以用相邻的两个平行晶面在x，y，z轴上的截距来表示，x/h1,y/h2,z/h3h1,h2,h3为互质整数，用晶面指数或密勒指数 (h1h2 h3)标记，等价晶面（晶面族）标记为{h1h2 h3}Ø如（100）晶面等价晶面表示为{100}Ø[100]晶向和(100)晶面是垂直的立方晶系的几种主要晶面立方晶系的几种主要晶面1.1.3硅单晶的晶向、晶面P14硅晶面硅晶面硅常用晶面上原子分布Si面密度面密度:(100) 2/a2(110) 4/√2a2=2.83/a2(111) 4/√3a2=2.3/a21.1.3硅单晶的晶向、晶面P15Ø硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面Ø双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，晶面能最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{111}晶面的趋势Ø两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着{111}晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面 1.1.3硅单晶的晶向、晶面P16解理面解理面Ø（111）面为解理面，即为天然易破裂面实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。

Ø（100）面与（111）面相交呈90°角，（100）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；Ø（111）面和其它（111）面相交呈60°角，因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，Ø硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料 1.1.3硅单晶的晶向、晶面P17晶体的晶向晶体的晶向<100>面的表面状态更有利于控制MOS器件的开关状态的阈值电压<111>原子密度更大，容易生长，成本低，用于双极工艺1.1.3硅单晶的晶向、晶面P181.2硅晶体缺陷——点缺陷Ø在高度完美的单晶硅片中，实际也存在缺陷有：Ø零维——点缺陷；Ø一维——线缺陷；Ø二维——面缺陷；Ø三维——体缺陷；Ø晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响P19Ø本征缺陷（晶体中原子由本征缺陷（晶体中原子由于于热运运动））Ø空位 A：晶格硅原子位置上出现空缺；Ø自填隙原子B ：硅原子不在晶格位置上，而处在晶格位置之间Ø杂质（非本征缺陷：硅以（非本征缺陷：硅以外的其它原子外的其它原子进入硅晶体）入硅晶体）Ø替位杂质CØ填隙杂质D1.2硅晶体缺陷——点缺陷P201.2硅晶体缺陷——点缺陷Ø肖特基缺陷：肖特基缺陷：空位缺陷；Ø弗伦克尔（弗伦克尔（Frenkel）缺陷）缺陷：原子热运动脱离晶格位置进入晶格之间，形成的空穴和自填隙的组合；P21Ø填隙填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；Ø替位替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。

例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命1.2硅晶体缺陷——点缺陷P22Ø线缺陷缺陷最常见的就是位位错位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错乱Ø位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合在交界处形成位错用滑移矢量表征滑移量大小和方向123BA缺陷附近共价缺陷附近共价键被被压缩1、拉、拉长2、、悬挂挂3，存在，存在应力力1.2硅晶体缺陷——线缺陷P23位错主要有刃位错和螺位错Ø刃（形）位错：晶体中插入了一列原子或一个原子面，位错线AB与滑移矢量垂直；Ø螺（旋）位错：一族平行晶面变成单个晶面所组成的螺旋阶梯，位错线AD与滑移矢量平行1.2硅晶体缺陷——线缺陷P241.2硅晶体缺陷——线缺陷刃位错 螺位错P251.2硅晶体缺陷——线缺陷Ø刃形位错的两种运动方式：滑移滑移和攀移攀移Ø硅晶体的双层密排面间原子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿{111}面发生，位错线也就常在{111}晶面之间该面称为滑移面滑移面P26Ø面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。

Ø体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一种体缺陷 1.2硅晶体缺陷——面缺陷和体缺陷P271.2硅晶体缺陷——缺陷的产生及结团Ø缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：Ø存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；Ø晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；Ø硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷Ø结团作用：高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量P28缺陷的去除：缺陷在器件的有源区（晶体管所在位置）缺陷的去除：缺陷在器件的有源区（晶体管所在位置）影影应响其性能，必响其性能，必须设法使之减少法使之减少Ø单晶生长时的工艺控制；Ø非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；Ø本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂1.2硅晶体缺陷——缺陷的去除P291.3硅晶体中的杂质Ø半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质分为有意掺入的和无意掺入的Ø有意掺入Si中的杂质有Ⅲ、VA族硼、磷、砷、锑故意杂质一般能替代硅原子，占据晶格位置，在适当的温度下电离生成自由电子或空穴，能改变硅晶体的电学特性，具有电活性。

Ø无意掺入Si中的杂质有氧，碳等P301.3硅晶体中的杂质Ø间隙式隙式杂质：：主要是Ⅰ和Ⅷ族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快Ø替替位位式式杂质：：主要是Ⅲ和Ⅴ族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质Ø间隙隙—替替位位式式杂质：：大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性P31+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子1.3硅晶体中的杂质P32掺杂半导体掺入杂质的本征半导体掺杂后半导体的导电率大为提高掺入三价元素，如B形成P型半导体，也称空穴型半导体掺入五价元素，如P形成N型半导体，也称电子型半导体1.3硅晶体中的杂质P33+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半导体中掺入五价元素如P自由电子是多子（杂质、热激发）空穴是少子￿（热激发）￿ ￿由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。

施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子1.3硅晶体中的杂质P34+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半导体中掺入三价元素如B自由电子是少子（热激发) 空穴是多子（杂质、热激发）因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子三价杂质￿因而也称为受主杂质1.3硅晶体中的杂质P351.3.1杂质对Si电学特性的影响ØⅢ、V族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质Ø金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质空穴空穴 硅晶体中硼硅晶体中硼电离示意离示意图B¯B束束缚电子子自由自由电子子 硅晶体中磷硅晶体中磷电离示意离示意图P+P施主施主电离能离能受主受主电离能离能Ø掺杂半导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺入千万分之一的磷（P）或者硼（B），就会使电阻率降低20万倍P36 硅硅单晶晶电阻率与阻率与掺杂浓度关系曲度关系曲线1.3.1硅的电阻率-掺杂浓度曲线Ø不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿Ø硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是N型硅Ø不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能发送到导带。

P371.3.1硅晶体中杂质能级和电离能P381.3.2固溶度和相图Ø一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体Ø一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度P391.3.2固溶度和相图——固溶体硅晶体中杂质的固溶度ØIII，V族杂质在硅中的固溶度并不高，最高的是砷；Ø掺杂浓度可以超过固溶度Ø给含杂质原子的硅片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上P401.3.2固溶度和相图——相图知识Ø相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法Ø相定义为物质存在的一种状态，这一状态是由一组均匀的性质来表征的Ø当混合物体系中的各相均处于热力学平衡状态，一般包括一个以上固相的这种状态图就是相图Ø相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图P41Ø二元相图是以成分和温度为坐标的平面图形，纵坐标表示温度，横坐标表示成分合金的成分以重量百分数或原子百分数表示，横坐标的两个端点A及B，分别表示两个纯组元从A端至B端表示合金含B量的百分数由0逐渐增加至100％，而含A量则由100％逐渐降低至0。

成分轴上任意一点都表示由A和B做出组成的合金1.3.2固溶度和相图——相图知识P42相图的构成：由两条曲线将相图分为三个区左右两端点分别为组元的熔点上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用α表示；两条曲线之间是双相区，标记L+α表示 二元匀晶相二元匀晶相图1.3.2固溶度和相图——相图知识P43两相平衡时的数量分配规律－－杠杆定律 如图，合金x在温度T1将由两相长期并存，这时两相的成分和数量保持不变过x点作水平线交液相线和固相线于a、c点，经热力学证明a、c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分，设mL和m分别为两相的数量，由物质不灭可推导出：一般用占总体数量的百分比的相对值来表示如果把线段axc当成一杠杆，则他们满足杠杆力的平衡原理，所以称之为杠杆定律用杠杆定律来分析在理解和使用都有好的直观性和方便适用所有两相平衡1.3.2固溶度和相图——相图知识P44连续性固溶体：性固溶体：锗-硅相硅相图硅-锗二元相图：可完全互溶，又称为同晶体系，用杠杆规则计算各组分量LS1414℃℃938.3℃℃结晶区晶区T1T2CmClCSLS1.3.2固溶度和相图——相图知识P45铝-硅体系相图￿Ø纯铝的凝固点（熔点）是660℃，纯硅的凝固点是1412℃，在硅熔体中掺入铝，或在铝熔体中掺入硅，熔体的凝固点都下降，凝固点最小值为577℃，这一点称为共晶点共晶点，这一点的组分称为共晶组成，共晶点硅原子占原子总数的11.3%。

1.3.2固溶度和相图——相图知识P46Ø两种中间化合物：SiAs和SiAs2有三个体系，Si-SiAs，SiAs-SiAs2，SiAs2-AsØ有一重量比为86%As和14%Si熔融体从高温开始冷却在温度达1020℃时，固体SiAs从熔体中结晶出来，熔体成为富砷相，直到温度降至944℃，这时液相组成为90%As+10%Si温度继续下降时，固体的SiAs与一些剩余的熔体结合形成液体+SiAs2相，SiAs被包在SiAs2中当温度降至786℃，SiAs2和β相都从液相析出该体系称包晶体系 As-Si体系相图（Si）1.3.2固溶度和相图——相图知识P471.3.2固溶度和相图——固溶体Ø固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体和间隙式固溶体ØSi中Ⅲ、V族杂质形成替位式有限固溶体Ø替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：Ø原子半径相差小于15％，称“有利几何因素” r：Si 1.17, B 0.89, P 1.10 Å；Ø原子外部电了壳层结构相似；Ø晶体结构的相似P48本章小结￿Ø晶体结构，作为芯片衬底的主要晶向、晶面的特点；Ø晶体缺陷类型、产生原因，以及对工艺有重要影响的点缺陷的特点；Ø晶体中杂质类型，对硅电阻率的影响，以及固溶度。