集成电路工艺基础——01_硅的晶体结构.ppt

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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第一章第一章 硅的晶体结构与单晶生长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第一章 硅的晶体结构与单晶生长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第一章 硅的晶体结构与单晶生长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 1.1 硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点v 1.2 1.2 晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型v 1.3 1.3 硅晶体中的缺陷硅晶体中的缺陷v 1.4 1.4 硅中的杂质硅中的杂质v 1.5 1.5

2、杂质在硅晶体中的溶解度杂质在硅晶体中的溶解度v 1.6 1.6 硅单晶生长硅单晶生长 第一章第一章 硅的晶体结构与单晶生长硅的晶体结构与单晶生长 下一页下一页第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1 1.1 硅晶体结构的特点硅晶体结构的特点1.1.1 1.1.1 晶胞晶胞1 1、晶格、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简单立方 体心立方体心立方 面心立方面心立方2 2、晶胞、晶胞定义：最大限度地反映晶体对称性质的最小单元定义：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 300K300K时，硅的时，硅的a=5

3、.4305,a=5.4305,锗的锗的a=5.6463 a=5.6463 硅晶胞（金刚石结构）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 2、晶胞、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 1.1.2 1.1.2 1.1.2 原子密度原子密度原子密度原子密度v 顶角：顶角：1/8 1/8；面心：面心：1/2 1/2 ；体心：；体心：4 4v 一个硅晶胞中的原子数一个硅晶胞中的原子数:8*1/8+6*1/2+4=8:8*1/8+6*1/2+4=8v每个原子所占空间体积为：每个原子所占空间体

4、积为：a a3 3/8/8v硅晶胞的原子密度硅晶胞的原子密度:8/a:8/a3 3=5105102222/cm/cm3 3v锗晶胞的原子密度锗晶胞的原子密度:8/a:8/a3 3=4.42510=4.425102222/cm3/cm3原子密度：原子个数原子密度：原子个数/单位体积单位体积第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.1.3 1.1.3 1.1.3 1.1.3 共价四面体共价四面体共价四面体共价四面体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。位于正四面体的顶点，这种四面体

5、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，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。即晶胞对角线长的四分之一。硅的晶体结构：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 1.1.4 晶体内部的空隙晶体内部的空隙v硅原子半径：硅原子半径：r rsisi=1.17=1.17 v硅原子体积硅原子体积:v单位原子在晶格中占有的体积：单位原子在晶格中占有的体积：v空间利用率：空间利用率：硅原子体积硅原子体积/单位原子在晶格中占有的体积单位原子在晶格中占有的体积 约为约为34%34%返回返回空隙为杂质在其中存在空隙为

6、杂质在其中存在并运动创造了条件。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1.21.21.21.2晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型晶向、晶面和堆积模型v 1.2.1 1.2.1 晶向晶向晶列：晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上系上晶向：晶向：一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点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。的矢量的方向来标记。晶向指数：晶向指数：m1,m2,m3;m1,m2,m3;原子线密度：原子线密度：原子个数原子个数/单位长度单位长度不同不

7、同 晶向氧化速率、腐蚀速率不同晶向氧化速率、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晶向的表示方法晶向的表示方法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（等效晶向（1 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（等效晶向（2 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 1.2.2 1.2.2 1.2.2 晶面晶面晶面晶面v晶面：晶面：晶格中的原子处在的一系列彼此平行的晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系平面系v晶面方向：晶面方向：晶面的法

8、线方向，可由相邻的两个晶面的法线方向，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。平行晶面在坐标轴上的截距的倒数来标识。v晶面指数：晶面指数：(h1,h2,h3(h1,h2,h3）;h1,h2,h3;h1,h2,h3v原子面密度：原子面密度：原子个数原子个数/单位面积单位面积（110110）面上的原子密度最大）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（硅片鉴别方法（硅片鉴别方法（硅片鉴别方法（SEMISEMISEMISEMI标准）标准）标准）标准）双级集成双级集成电路工艺电路工艺C

9、MOSCMOS集成集成电路工艺电路工艺第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.2.3 1.2.3 堆积模型图堆积模型图密堆积模型密堆积模型密排面密排面两层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：密堆积类型：ABAB.六角密积六角密积ABCABC.立方密积立方密积密堆积类型密堆积类型p 通过对面心立方晶格中（通过对面心立方晶格中（111）面原子的观察：）面原子的观察：v面心立方晶格的（面心立方晶格的（111）面是密排面）面是密排面v面心立方晶格的（面心立方晶格的（111）面之间的堆积是立方密积）面之间的堆积是立方密积第一章 硅的晶体结构与单晶生

10、长电子科技大学中山学院1.2.4 1.2.4 双层密排面双层密排面双层密排面双层密排面v双层密排面特点：双层密排面特点：密排面面内原子结合力强，面密排面面内原子结合力强，面间结合力弱间结合力弱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。晶面是原子密排面。v 硅晶体的堆积次序是：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：金刚石晶面性质：金刚石晶面性质：金刚石晶面性质：v 1.1.由于由于111

11、111双层密排面面内原子结合力强，面双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱，故晶体易沿间结合力弱，故晶体易沿111111解理面劈裂解理面劈裂v 2.2.面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，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表面上所以腐蚀后容易暴露在表面上v 3.3.由于由于111111双层密排面之间距离很大，结合力双层密排面之间距离很大，结合力弱弱,晶格缺陷易在面间形成和扩展晶格缺陷易在面间形成和扩展v 4.4.面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成（成（111111）晶面的趋势）晶面的趋势返回返回第一章 硅的晶体

12、结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.3 1.3 硅晶体中的缺陷硅晶体中的缺陷点缺陷点缺陷：自间隙原子、空位、自间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷线缺陷线缺陷：刃位错、螺位错刃位错、螺位错面缺陷面缺陷：层错、晶粒间界层错、晶粒间界体缺陷体缺陷：掺入杂质的量大于硅可接受的浓度时，：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。杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。返回返回第一章 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）点缺陷（扩散、氧化）返回返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院线缺陷线缺陷刃位错的形成：其根本原因

13、是晶体内部应力的刃位错的形成：其根本原因是晶体内部应力的存在存在金属杂质容易在线缺陷处析出，从而劣化器件的金属杂质容易在线缺陷处析出，从而劣化器件的工作性能。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螺位错的形成返回返回实际晶体中的位错线为一曲线，为混合位错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）面缺陷（层错和晶粒间界）如果出现面缺陷，则该晶体不能用来制作集成电路。如果出现面缺陷，则该晶体不能用来制作集成电路。p 层错：

14、是由于原子排列次序发生错乱引起的。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返回返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.4 1.4 硅中的杂质硅中的杂质硅中的杂质硅中的杂质1.4.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体v 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体电阻率区分：电阻率区分：导体导体 10-10 cm；绝缘体；绝缘体 108 1012 cm；半导体半导体 10-6 10 cmv 半导体？半导体？温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降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适

15、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高低与所含杂质浓度密切相关半导体电阻率的高低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 1.4 1.4 1.4 硅中的杂质硅中的杂质硅中的杂质硅中的杂质v 本征半导体：不掺杂的半导体本征半导体：不掺杂的半导体本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子通过热激发产生的电子和空穴对（与温度有关）通过热激发产生的电子和空穴对（与温度有关）参考参考P14P14图图1.17 1.17 SiSi和和 GaAsGaAs中中本征载流子浓度与温度的关系本征载流子浓度与温度的关系v 实际使用的半导体：在纯净的半导体中掺入某实际使用

16、的半导体：在纯净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。些杂质，使它的导电能力和导电类型改变。改变的原因：掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加改变的原因：掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加参考参考P15P15图图1.18 1.18 电阻率与杂质浓度的关系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（型半导体（族元素）族元素）+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子v 多余电子只受多余电子只受P原子核库仑势的吸引，故小能量即可使其脱原子核库仑势的吸引，故小能量即可使其脱离离P原子核的束缚成为自由电子。原子核的束缚成为自由电子。v 处于晶格位

17、置又能贡献电子的原子（处于晶格位置又能贡献电子的原子（P）称为施主杂质。）称为施主杂质。v 电子浓度增加导致导电能力增强。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（型半导体（III 族元素）族元素）+4+4+3+4空穴空穴硼原硼原子子能提供多余空穴的杂质称为受主杂质。能提供多余空穴的杂质称为受主杂质。P 型半导体型半导体中空穴是多子，电子是少子。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掺杂半导体掺杂半导体掺杂半导体v 杂质补偿杂质补偿定义：定义：不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象不同类型杂质对导

18、电能力相互抵消的现象对对导电类型导电类型和和导电能力导电能力的影响？的影响？实际应用？实际应用？v PN PN 结结在一块半导体中，一部分掺入在一块半导体中，一部分掺入N N型杂质，另一部分掺入型杂质，另一部分掺入P P型杂质，那么在两种杂质浓度相等处就形成型杂质，那么在两种杂质浓度相等处就形成P-NP-N结。结。制造制造器件和集成电路器件和集成电路的基础的基础第一章 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掺杂半导体掺杂半导体掺杂半导体v 杂质类型：杂质类型：施主、受主：施主、受主：硼、磷等硼、磷等特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂质

19、）质）玷污杂质：碳、氧玷污杂质：碳、氧碳碳 会导致会导致p-np-n结的过早击穿结的过早击穿氧氧 生成络合物，起施主作用生成络合物，起施主作用返回返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1.5 1.5 1.5 1.5 杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度 杂质在硅中的杂质在硅中的溶解度溶解度是集成电路和器件的制是集成电路和器件的制造过程中选择杂质的造过程中选择杂质的重要依据。重要依据。v固溶体：元素固溶体：元素B B溶入元素溶入元素A A中后仍保持元素中后仍保持元素A A的晶体的晶体结构，那么结构，那么A A晶体称为固溶体。晶体称为固溶体。v固

20、溶度：杂质在晶体中的最大溶解度固溶度：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：固溶体分类：替位式固溶体替位式固溶体 杂质占据格点位置杂质占据格点位置形成替位式固溶体必要条件：溶质原子半径的大小接近溶剂原子半径，若溶质原子半径与溶剂原子半径相差大于15%，则可能性很小。（几何有利因素）连续固溶体（一种物质可无限溶解于另一种物质中）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大部分施主和受主杂质都与硅形成替位式固溶体间隙式固溶体间隙式固溶体 杂质存在间隙中杂质存在间隙中1.5 1.5 1.5 1.5 杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度杂质

21、在硅中的溶解度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）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质的溶解度的下降参考参考P19P19图图1-20 1-20 在硅晶体中的固溶度随温度的关系在硅晶体中的固溶度随温度的关系1.5 1.5 1.5 1.5 杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度杂质在硅中的溶解度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

22、科技大学中山学院晶体生长晶体生长晶体生长晶体生长第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院1 1、起始材料：石英岩（高纯度硅砂）、起始材料：石英岩（高纯度硅砂）2 2、将纯度为、将纯度为9898的冶金级的硅粉碎，与氯化氢反应的冶金级的硅粉碎，与氯化氢反应原材料多晶半导体原材料多晶半导体原材料多晶半导体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 3、利用分馏法将三氯化硅（沸点为、利用分馏法将三氯化硅（沸点为3232）液体中不要）液体中不要的杂质去除，再与氢气作还原反应，产生的杂质去除，再与氢气作还原反应，产生“电子级硅电子级硅”（electronic-grade

23、 siliconelectronic-grade silicon，EGSEGS）原材料多晶半导体原材料多晶半导体原材料多晶半导体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多晶半导体单晶多晶半导体单晶多晶半导体单晶v直拉法直拉法（CzochralskiCzochralski 法）单晶生长法）单晶生长从融体（即其材料是以液态的形式存在）中生从融体（即其材料是以液态的形式存在）中生长单晶硅的技术长单晶硅的技术绝大多数单晶硅的主流生产技术绝大多数单晶硅的主流生产技术下一页下一页v悬浮区熔法单晶生长悬浮区熔法单晶生长n用来生产高纯度的硅单晶用来生产高纯度的硅单晶第一

24、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直拉法直拉法直拉法柴可拉斯基拉晶仪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直拉法直拉法直拉法v直拉法是熔融态物质的结晶的过程直拉法是熔融态物质的结晶的过程v直拉法直拉法需要的材料：电子级纯度的硅需要的材料：电子级纯度的硅,将石英还原提纯将石英还原提纯至至99.999999999%99.999999999%生长系统生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚（熔融石英）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，腔室内充保护性气氛（氩气），将坩埚加热至1500 1500 左右，籽晶（直径左右

25、，籽晶（直径0.5cm,10cm0.5cm,10cm长）长）降下来与熔料相接触降下来与熔料相接触随着籽晶的提拉，生成柱状晶锭（直径可达随着籽晶的提拉，生成柱状晶锭（直径可达300mm300mm以上，长度一般以上，长度一般12m)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硅的悬浮区熔工艺硅的悬浮区熔工艺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

26、多晶棒。当悬多晶棒，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。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、高压等器于需要高阻率材料的器件，如高功率、高压等器件。件。硅的悬浮区熔工艺硅的悬浮区熔工艺硅的悬浮区熔工艺硅的悬浮区熔工艺返回返回第一章 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磨光后单晶硅晶片的规格磨光后单晶硅晶片的规格磨光后单晶硅晶片的规格返回返回第一章 硅的晶体结构与单晶生长电子科技大学中山学院exerciseexerciseexerciseexercisev简答题简答题硅双层密排面特点硅双层密排面特点施主杂质、施主杂质、受主杂质举例受主杂质举例选择杂质标准选择杂质标准