集成电路工艺硅的晶体结构

Chap1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（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130nm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100亿美元的企业都武力承担。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许多挑战，若按照台积电规划，于2018年开始以10奈米量产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=5.431Å

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：5x1022cm-3

本征载流子浓度：ni=1.45x1010cm-3本征电阻率=2.3x105·cm电子迁移率e=1500cm2/Vs,空穴迁移率h=450cm2/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。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硅硅晶体中的缺缺陷缺陷的含义：晶体缺陷就就是指实际晶晶体中与理想想的点阵结构构发生偏差的的区域。理想晶体：格点严格按按照空间点阵阵排列。实际晶体：存在着各种种各样的结构构的不完整性性。几何形态：点缺陷、线线缺陷、面缺缺陷、体缺陷陷一、点缺陷在各个方向上上都没有延伸伸，包括：间间隙原子、空空位、肖特基基缺陷、弗伦伦克尔缺陷和和外来原子（（替位式或间间隙式）等。。如图1.1所示。图1.1.晶晶格中的点点缺陷和类型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向上偏离理想想晶体中的周周期性、规则则性排列所产产生的缺陷，，即缺陷尺寸寸在一维方向向较长，另外外二维方向上上很短，分为为刃型位错和螺螺位错。刃型位错:在某一水平面面以上多出了了垂直方向的的原子面，犹犹如插入的刀刀刃一样，沿沿刀刃方向的的位错为刃型型位错。螺位错:将规则排列的的晶面剪开（（但不完全剪剪断），然后后将剪开的部部分其中一侧侧上移半层，，另一侧下移移半层，然后后黏合起来，，形成一个类类似于楼梯拐拐角处的排排列结构，则则此时在“剪剪开线”终结结处（这里已已形成一条垂垂直纸面的位位错线）附近近的原子面将将发生畸变，，这种原子不不规则排列结结构称为一个个螺位错三、面缺陷二维方向上偏偏离理想晶体体中的周期性性、规则性排排列而产生的的缺陷，即缺缺陷尺寸在二二维方向上延延伸，在第三三维方向上很很小。如孪晶晶、晶粒间界以及及堆垛层错。。孪晶：是指两个晶体体（或一个晶晶体的两部分分）沿一个公公共晶面（即即特定取向关关系）构成镜镜面对称的位位向关系，这这两个晶体就就称为“孪晶晶”，此公共共晶面就称孪孪晶面。晶粒间界则是彼此没有有固定晶向关关系的晶体之之间的过渡区区。孪晶界晶粒间界堆垛层错是指是晶体结结构层正常的的周期性重复复堆垛顺序在在某一层间出出现了错误，，从而导致的的沿该层间平平面（称为层层错面）两侧侧附近原子的的错误排布。。四、体缺陷由于杂质在硅硅晶体中存在在有限的固浓浓度，当掺掺入的数量超超过晶体可接接受的浓度时时，杂质在在晶体中就会会沉积，形成成体缺陷。1.4硅中中杂质1.半导体电电阻率的高低低与所含杂质质浓度有密切切的关系。本征半导体：：不含杂质，，也就是纯净净半导体，它它的电阻率即即载流子浓度度是由自身的的本征性质所所决定。杂质半导体：：掺入一定数数量杂质的半半导体。2.施主杂质质：位于晶格格位置又能贡贡献电子的原原子。V族，，n型。受主杂质：能能接受电子，，即能向价带带释放空穴而而本身变为负负电中心的杂杂质。III族，P型。。3.浅能级：：靠近价带顶顶和导带底。。深能级：位于于禁带中心附附近。1.5杂质质在硅晶体中中的溶解度1.固溶体：当把把一种元素B（溶质）引引入到另一种种元素A（溶溶剂）的晶体体中时，在达达到一定浓度度之前，不会会有新相产生生，而仍保持持原来晶体A的晶体结构构，这样的晶晶体称为固溶溶体。2.固溶度：在一一定温度和平平衡态下，元元素B能够溶溶解到晶体A内的最大浓浓度，称为这这种杂质在晶晶体中的最大大溶解度。3.固溶体分类：：按溶质在溶溶剂中存在形形式。（1）替位式式固溶体：溶溶质原子占据据溶剂晶格格点上的正常位位置，而且杂杂质原子在各各点上的分布布是无序的。。(2)间隙式式固溶体：溶溶质原子存在在于溶剂晶格格的间隙中，，其分布也是是无规则的。。4.某种元素素能否作为扩扩散杂质的一一个重要标准准：看这种杂质的最大固固溶度是否大大于所要求的的表面浓度，如果表面浓度大于于杂质的最大大固溶度，那么选用这这种杂质就无法获得所希望的分布布。1.6单晶晶制备一、直拉法（（CZ法）CZ拉晶仪仪熔炉石英坩埚：盛盛熔融硅液；；石墨基座：支支撑石英坩埚埚；加热坩埚埚；旋转装置：顺顺时针转；加热装置：RF线圈；拉晶装置籽晶夹持器：：夹持籽晶（（单晶）；旋转提拉装置置：逆时针；；环境控制系统统气路供应系统统流量控制器排气系统电子控制反馈馈系统拉晶过程1.熔硅将坩埚内多晶晶料全部熔化化；注意事事项：熔硅时时间不易长；；2.引晶将籽晶下降与与液面接近，，使籽晶预热热几分钟，俗俗称“烤晶””，以除去表表面挥发性杂杂质同时可减减少热冲击。。当温度稳定定时，可将籽籽晶与熔体接接触，籽晶向向上拉，控制制温度使熔体体在籽晶上结结晶；收颈指在引晶后略略为降低温度度，提高拉速速，拉一段直直径比籽晶细细的部分。其目的是是排除接触不不良引起的多多晶和尽量消消除籽晶内原原有位错的延伸。颈颈一般要长于于20mm。。放肩缩颈工艺完成成后，略降低低温度（15-40℃）），让晶体体逐渐长大到到所需的直径为为止。这称为为“放肩”。。等径生长：当当晶体直径到到达所需尺寸寸后，提高拉拉速，使晶体体直径不再增增大，称为收收肩。收肩后后保持晶体直直径不变，就就是等径生长长。此时要严严格控制温度度和拉速。收晶：晶体生生长所需长度度后，拉速不不变，升高熔熔体温度或熔熔体温度不变变，加快拉速速，使晶体脱脱离熔体液面面。直拉法生长单单晶的特点优点：所生长长单晶的直径径较大成本相相对较低;通过热场调整整及晶转，埚埚转等工艺参参数的优化，，可较好控制制电阻率径向均均匀性缺点：石英坩坩埚内壁被熔熔硅侵蚀及石石墨保温加热热元件的影响响，易引入氧碳杂质质，不易生长长高电阻率单单晶（含氧量量通常10-40ppm)原理：在直拉法(CZ法)单晶晶生长的基础础上对坩埚内内的熔体施加加磁磁场，由于半半导体熔体是是良导体，在在磁场作用下下受到与其运运动方向相反反作用力，于于是熔体的热热对流受到抑抑制。因而除除磁体外，主主体设备如单单晶炉等并无无大的差别。。优点：减少温度波波动；减轻轻熔硅与坩坩埚作用；；使扩散层层厚度增大大降低了缺陷陷密度，氧氧的含量，，提高了电电阻分布的的均匀性。二、改进直拉生生长法—磁磁控直拉技技术三、悬浮区熔法法（float-zone，，FZ法））方法：依靠熔体表表面张力，，使熔区悬悬浮于多晶晶Si与下下方长出的单晶之间间，通过熔熔区的移动动而进行提提纯和生长长单晶。悬浮区熔法法（float-zone，，FZ法））特点：可重复生长长、提纯单单晶，单晶晶纯度较CZ法高；；无需坩埚、、石墨托，，污染少；；FZ单晶：：高纯、高高阻、低氧氧、低碳；；缺点:单晶直径不不及CZ法法衬底制备衬底制备包包括：整形、晶体体定向、晶晶面标识、、晶面加工工整型两端去除径向研磨定位面研磨晶面定向与与晶面标识识由于晶体具具有各向异异性，不同同的晶向，，物理化学学性质都不不一样，必必须按一定定的晶向（（或解理面面）进行切切割，如双双极器件：：{111}面；MOS器器件：{100}面面。8inch以以下硅片片需要沿晶晶锭轴向磨磨出平边来来指示晶向向和导电类类型。1．主参考面（（主定位面面，主标志志面）作为器件与与晶体取向向关系的参参考；作为机械设设备自动加加工定位的的参考；作为硅片装装架的接触触位置；2.次次参考面面（次定位位面，次标标志面）识别晶向和和导电类型型8inch以下下硅片8inch以上上硅片切片、磨片片、抛光1．切片将已整形、、定向的单单晶用切割割的方法加加工成符合合一定要求求的单晶薄薄片。切片片基本决定定了晶片的的晶向、厚厚度、平行行度、翘度度，切片损损耗占1/3。2.磨片目的：去除刀痕与与凹凸不平平；改善平整度度；使硅片厚度度一致；磨料：要求：其硬硬度大于硅硅片硬度。。种类：Al2O3、、SiC、、ZrO、、SiO2、MgO等3.抛光目的：进一一步消除表表面缺陷，，获得高度度平整、光光洁及无损损层的“理理想”表面面。方法：机械械抛光、化化学抛光、、化学机械械抛光Chap0,Chap11.晶片制制备分几个个步骤？2.微电子器件件工艺的发发展历史大大致分为哪哪三个阶段段？3.集成电电路的制作作可以分成成哪三个阶阶段：4.人们通常以以，，，来评价集集成电路制制造工艺的的发展水平平。5.集成电路和和各种半导导体器件制制造中所用用的材料，，主要有哪哪三种6.金刚石石结构特点点？7.双层密排面面的特点？？8.固溶体，固固溶度9.按溶质在溶溶剂中存在在形式，固固溶体分哪哪两种？10.某种种元素能否否作为扩散散杂质的一一个重要标标准：看这这种杂质的的最大固溶溶度是否所要求的表表面浓度，，如果表面面浓度杂质的最大大固溶度，，那么选用用这种杂质质就无法获获得所希望望的分布。。9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。21:59:2421:59:2421:5912/28/20229:59:24PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:59:2421:59Dec-2228-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。21:59:2421:59:2421:59Wednesday,December28,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2221:59:2421:59:24December28,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。28十二二月20229:59:24下下午21:59:2412月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月229:59下午午12月-2221:59December28,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2821:59:2421:59:2428December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:59:24下午9:59下下午21:59:2412月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:59:2421:59:2421:5912/28/20229:59:24PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2221:59:2421:59Dec-2228-Dec-2212、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:59:2421:59:2421:59Wednesday,December28,202213、不知香积寺寺，数里入云云峰。。12月-2212月-2221:59:2421:59:24December28,202214、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。28十二月月20229:59:24下午21:59:2412月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月229:59下下午午12月月-2221:59December28,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2821:59:2421:59:2428December202217、空山山新雨雨后，，天气气晚来来秋。。。9:59:24下下午9:59下