Chap1硅的晶体结构

1、Chap 1 硅的晶体结构 自然界中的固态物质，简称为固体，可分为晶体和非晶体两大类。晶体类包括单晶体和多晶体。集成电路和各种半导体器件制造中所用的材料，主要有以下三种：（1）元素半导体，如硅、锗；（2）化合物半导体，如砷化镓、磷化铟；（3）绝缘体，如蓝宝石、尖晶石。目前主要是硅、锗和砷化镓等单晶体，其中又以硅为最多，这是因为硅元素在自然界中的含量十分丰富，大约占地壳25%以上（按质量计算）。硅器件占世界上出售的所有半导体器件的90%以上。因此本章只讲硅晶体的有关特点。Si： 含量丰富，占地壳重量25%；单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋（450mm） 图中从左到右分别是450mm（

2、18英寸）、300mm（12英寸）和200mm（8英寸）的晶圆，其中只有8寸为晶圆实物，18寸和12寸皆为比例模型。氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；易于实现平面工艺技术； 硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本

3、并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。 然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。 虽然晶圆尺寸愈大，愈能降低芯片制造成本，但推升晶圆尺寸所需的技术和复杂度高，需要设备、元件等产业链的搭配，建厂成本亦会大幅增加，具备一定难度。 晶圆尺寸的更新换代一般都需要十年左右，比如200mm晶圆是1991年诞生的 ，截至2008年，广泛使用的300mm晶圆则是Intel在2001年引入的，并首先用于1

4、30nm工艺处理器。事实上，仍有些半导体企业仍未完成从200mm向300mm的过渡，而Intel此番准备升级450mm必然会让半导体产业的芯片制造经济得到进一步发展。450mm晶圆无论是硅片面积还是切割芯片数都是300mm的两倍多，因此每颗芯片的单位成本都会大大降低。当然，投资更大尺寸的晶圆是需要巨额投资的，一般来说年收入低于100亿美元的企业都无力承担。 Intel不存在这方面的困扰，Intel预计2015年其首条450mm产线将可开始试产。预计今年首批测试用450mm晶圆可制成，相应的芯片生产设备方面则会在今年到位。 台积电450mm计划暨电子束作业处处长游秋山表示，18寸晶圆发展之路仍有

5、许多挑战，若按照台积电规划，于2018年开始以10纳米量产18寸晶圆，届时适用的微影技术是否够成熟是最大问题。 台湾积体电路制造股份有限公司即台积电，全球第一家的专业集成电路制造服务公司，产能居世界之冠 根据SEMI统计数据，若去除记忆体相关产品线，台积电在2011年已拥有近110万片约当8寸晶圆片的产能，居世界之冠，估计至今年底，台积电12寸厂的所有洁净室面积超过32个世界杯足球场大小。Si 的基本特性:金刚石结构，晶格常数a=5.431 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV 相对介电常数， r=11.9 熔点： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征载流子浓度：n

6、i=1.45x1010 cm-3 本征电阻率 =2.3x105 cm 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率h=450 cm2/Vs1.1 硅晶体结构1. 晶胞晶体的重要特点是组成晶体的原子、分子、离子是按一定规则周期排列着。任一晶体都可以看作是由质点（原子，分子，离子）在三维空间中按一定规则做周期重复性排列所构成的。(1) 晶格：晶体的周期性结构称为晶体格子。(2) 单晶体：整个晶体是由单一的晶格连续组成。(3) 多晶体：晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。(4) 晶胞：能够最大限度地反应晶体对称性质的最小单元。(5) 各向异性：晶体在不同方向上的物理特性是不相同的。

7、2. 金刚石结构特点（1）共价四面体：硅由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之一长度套构而成的。一个原子在四面体的中心，另外4个同它共价的原子在正四面体的4个顶角上，这种四面体也称共价四面体。（2）晶体内部的空隙金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的“空隙”。硅晶体内大部分是“空”的一些间隙杂质能很容易地在晶体内运动并存在于体内，同时对替位杂质的扩散运动提供了足够的条件。1.2 晶向、晶面和堆积模型1.晶向：表示一族晶列所指的方向。2.晶列：晶格中的原子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。3.m1,m2,m3晶向指数， 表示晶向族； (h1,h2,h3)晶面， 表示晶面族

8、4.面心立方晶体结构是立方密堆积，（111）面是密排面。5. 双层密排面的特点：(1)在晶面内原子结合力强，晶面与晶面之间距离较大，结合薄弱。(2)两个双层面间，间距很大，而且共价键稀少，平均两个原子才有一个共价键，致使双层密排面之间结合脆弱。 6. 金刚石晶格晶面的性质：（1）由于111双层密排面本身结合牢固，而双层密排面之间相互结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着111晶面劈裂。这种易劈裂的晶面称为解理面。（2）由111双层密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上。（3） 因111双层密排面之间距离很大，结合弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展。（4）111双层密

9、排面结合牢固，表明这样的晶面能量低。由于这个原因，在晶体生长中有一种使晶体表面为111晶面的趋势。1.3 硅晶体中的缺陷缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷一、点缺陷在各个方向上都没有延伸，包括：间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷和外来原子（替位式或间隙式）等。如图1.1所示。图1.1. 晶格中的点缺陷和类型弗伦克尔缺陷间隙硅原子硅原子间隙位置杂质替位位置的杂质空位或肖特基缺陷二、线缺陷指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生

10、的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错 三、面缺陷二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。孪晶：是指两

11、个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。 孪晶界晶粒间界堆垛层错是指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布 。 四、体缺陷由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入的数量超过晶体可接受的浓度时， 杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。1.4 硅中杂质1.半导体电阻率的高低与所含杂质浓度有密切的关系。 本征半导体：不含杂质，也就是纯净半导体，它的电阻率即载流子浓度是由自身的本征性

12、质所决定。 杂质半导体：掺入一定数量杂质的半导体。2.施主杂质：位于晶格位置又能贡献电子的原子。V族，n型。 受主杂质：能接受电子，即能向价带释放空穴而本身变为负电中心的杂质。III族，P型。3.浅能级：靠近价带顶和导带底。 深能级：位于禁带中心附近。1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 1. 固溶体：当把一种元素B（溶质）引入到另一种元素A（溶剂）的晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，而仍保持原来晶体A的晶体结构，这样的晶体称为固溶体。2.固溶度：在一定温度和平衡态下，元素B能够溶解到晶体A内的最大浓度，称为这种杂质在晶体中的最大溶解度。3.固溶体分类：按溶质在溶剂中存在形式。（1）替位

13、式固溶体：溶质原子占据溶剂晶格格点上的正常位置，而且杂质原子在各点上的分布是无序的。(2)间隙式固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格的间隙中，其分布也是无规则的。4.某种元素能否作为扩散杂质的一个重要标准：看这种杂质的最大固溶度是否大于所要求的表面浓度，如果表面浓度大于杂质的最大固溶度，那么选用这种杂质就无法获得所希望的分布。1.6 单晶制备一、直拉法（CZ法）CZ 拉晶仪熔炉石英坩埚：盛熔融硅液；石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；旋转装置：顺时针转；加热装置：RF线圈；拉晶装置籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；旋转提拉装置：逆时针；环境控制系统气路供应系统流量控制器排气系统电子控制反馈系统拉晶过程1.

14、熔硅将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；2.引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶； 收颈指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。 放肩缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40） ，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严

15、格控制温度和拉速。收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。直拉法生长单晶的特点优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制 电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易 引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10- 40ppm)原理： 在直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加 磁场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外，主体设备如单晶炉等并无大的差别。优点：减少温度波动；减轻熔硅

16、与坩埚作用；使扩散层厚度增大 降低了缺陷密度，氧的含量，提高了电阻分布的均匀性。 二、改进直拉生长法磁控直拉技术三、悬浮区熔法（float-zone，FZ法）方法： 依靠熔体表面张力，使熔区悬浮于多晶Si与下方长出 的单晶之间，通过熔区的移动而进行提纯和生长单晶。悬浮区熔法（float-zone，FZ法）特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点: 单晶直径不及CZ法 衬底制备 衬底制备包括： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工整型两端去除径向研磨定位面研磨晶面定向与晶面标识由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质

17、都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件：111面； MOS器件：100面。8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。1主参考面（主定位面，主标志面） 作为器件与晶体取向关系的参考； 作为机械设备自动加工定位的参考； 作为硅片装架的接触位置；2. 次参考面（次定位面，次标志面） 识别晶向和导电类型 8 inch 以下硅片8 inch 以上硅片切片、磨片、抛光1切片 将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片损耗占1/3。2.磨片目的： 去除刀痕与凹凸不平；改善平整度； 使硅片厚度一致；磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等3.抛光目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无损层的“理想”表面。方法：机械抛