集成电路工艺之硅的晶体结构

1、集成电路工艺之硅的晶体结构第1页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四第一章 硅的晶体结构与单晶生长 第2页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四第一章 硅的晶体结构与单晶生长 第3页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四 1.1 硅晶体结构的特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中的杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 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4页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.1 硅晶体结构的特点1.1.1 晶胞1、晶格第5页，共49页，2022年，

2、5月20日，1点32分，星期四简单立方 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6页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四 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7页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.1.2 原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：4 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8每个原子所占空间体积为：a3/8硅晶胞的原子密度: 8/a3=51022/cm3锗晶胞的原子密度: 8/a3=4

3、.4251022/cm3原子密度：原子个数/单位体积第8页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.1.3 共价四面体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。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9页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.1.4 晶体内部的空隙硅原子半径： rsi= =1.17 硅原子体积:单位原子在晶格中占有的体积：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10页，共49

4、页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.2晶向、晶面和堆积模型 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11页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四晶向的表示方法第12页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四等效晶向（1）第13页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四等效晶向（2）第14页，共49页，2022年，5月20日，1点3

5、2分，星期四1.2.2 晶面晶面：晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系晶面方向：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。晶面指数：(h1,h2,h3）;h1,h2,h3原子面密度：原子个数/单位面积（110）面上的原子密度最大第15页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四等效晶面第16页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四硅片鉴别方法（SEMI标准）双级集成电路工艺CMOS集成电路工艺第17页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.2.3 堆积模型图密堆积模型密排面两层密排面第18页，共49页，2022年，5月

6、20日，1点32分，星期四密堆积类型：ABAB.六角密积ABCABC.立方密积密堆积类型 通过对面心立方晶格中（111）面原子的观察：面心立方晶格的（111）面是密排面面心立方晶格的（111）面之间的堆积是立方密积第19页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.2.4 双层密排面双层密排面特点： 密排面面内原子结合力强，面间结合力弱 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。 硅晶体的堆积次序是：AABB CC AA BB CC 硅晶体的密排面为双层密排面第20页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四金刚石晶面性质： 1.由于111双

7、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 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表面上 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 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21页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.3 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22页，共49页，2022年，5月20日，1点32分

8、，星期四点缺陷（扩散、氧化）返回第23页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四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在线缺陷处析出，从而劣化器件的工作性能。第24页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四刃位错的形成第25页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四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26页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四面缺陷（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。 层错：是由于原子排列次序发生错乱引起的。第27页，共49页，2022年，5月20

9、日，1点32分，星期四可以通过外延层错测量外延层的厚度。第28页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四返回第29页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.4 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高低与所含杂质浓度密切相关第30页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.4 硅中的杂质 本征半导体：不掺杂的半导体本征半导体

10、中的载流子通过热激发产生的电子和空穴对（与温度有关）参考P14图1.17 Si和 GaAs中本征载流子浓度与温度的关系 实际使用的半导体：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。改变的原因：掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加参考P15图1.18 电阻率与杂质浓度的关系第31页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四N 型半导体（族元素）+4+4+5+4多余电子磷原子 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。 处于晶格位置又能贡献电子的原子（P）称为施主杂质。 电子浓度增加导致导电能力增强。第32页，共49页，2022年

11、，5月20日，1点32分，星期四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33页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四掺杂半导体 杂质补偿定义：不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象对导电类型和导电能力的影响？实际应用？ PN 结在一块半导体中，一部分掺入N型杂质，另一部分掺入P型杂质，那么在两种杂质浓度相等处就形成P-N结。制造器件和集成电路的基础第34页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四掺杂半导体 杂质类型：施主、受主： 硼、磷等特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂

12、质）玷污杂质：碳、氧碳 会导致p-n结的过早击穿氧 生成络合物，起施主作用返回第35页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四1.5 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。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。固溶度：杂质在晶体中的最大溶解度第36页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四固溶体分类：替位式固溶体 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

13、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 杂质存在间隙中1.5 杂质在硅中的溶解度第37页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四施主（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 选择杂质的依据：杂质的固溶度是否大于所要求的表面浓度参考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38页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四晶体生长第39页，共49页，2

14、022年，5月20日，1点32分，星期四1、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，与氯化氢反应原材料多晶半导体第40页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四3、利用分馏法将三氯化硅（沸点为32）液体中不要的杂质去除，再与氢气作还原反应，产生“电子级硅”（electronic-grade silicon，EGS）原材料多晶半导体第41页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四多晶半导体单晶直拉法（Czochralski 法）单晶生长从融体（即其材料是以液态的形式存在）中生长单晶硅的技术绝大多数单晶硅的主流生产技术下一页悬浮区熔法单晶生长用来

15、生产高纯度的硅单晶第42页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四直拉法柴可拉斯基拉晶仪第43页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四直拉法直拉法是熔融态物质的结晶的过程直拉法需要的材料：电子级纯度的硅,将石英还原提纯至99.999999999%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44页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四硅的悬浮区熔工艺第45页，共49页，2022年，5月20日，1点32分，星期四在操作过程中，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。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46页，共49页，2022年，5月20日，1点32