第2讲单晶硅的特性

1集成电路制造工艺简介国外某集成电路工厂外景净化厂房芯片制造净化区域走廊HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm0.35micronI-LineSteppers.thissteppercanimageandalignboth6&8inchwafers.投影式光刻机Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool.Thewafersareina13waferTefloncassetteco-designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995.Againthesearetheworld'sfirst300mmwetprocesscassettes(thatcanbespinrinsedried).硅片清洗装置AswelookinthiswindowweseetheWorld'sFirsttrue300mmproductionfurnace.Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992,itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996.12英寸氧化扩散炉Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle.12英寸氧化扩散炉装片工序ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworld'sfirstproduction300mmNitridesystem!Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997.12英寸氧化扩散炉取片工序（已生长Si3N4）2,500additionalsquarefeetof"StateoftheArt"ClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers!Withincreased300mm&200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization,300mmWetprocessing/Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm0.35umPhotolithography,allinaClassOneenviroment.PVD化学汽相沉积CVD化学汽相沉积CVD

AccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties.Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm,resistivity,CDandstepheightmeasurement.IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool.WealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelationshipswithourMetrologytoolcustomers,foradditionalcorrelationandcalibration.检测工序AboveyouarelookingatacoupleofviewsofthefacilitiesonthewestsideofFabOne.Hereyoucanseeoneofour18.5Meg/OhmDIwatersystemsandoneoffour10,000CFMairsystemsfeedingthisfab(leftpicture),aswellasoneofourwasteairscrubberunits(rightpicture).Bothareinsidethebuildingforeasiermaintenance,longerlifeandbettercontrol.去离子水生产装置空气净化动力装置离子注入检查晶圆HerewearelookingattheIncomingmaterialdispositionracks库房1、何谓集成电路工艺？2、集成电路的单项工艺主要有哪些？3、第一个晶体管在何时何地何人制造而成？4、集成电路由哪些科学家发明？5、什么是摩尔定律？6、集成电路制造技术的特点？7、中国IC产业分布情况？并说出三家国内著名的集成电路制造企业。思考题第一章单晶硅的特性

1.1硅晶体结构的特点

1.2硅晶体缺陷

1.3硅晶体中的杂质§1.1硅晶体结构的特点1.1.1硅的性质硅元素含量丰富（25％），成本低;硅器件室温下有较佳的特性;热稳定性好，更高的熔化温度允许更宽的工艺容限，硬度大;高品质的氧化硅可由热生长的方式较容易地制得;高频、高速场合特性较差。硅四面体结构109º28′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）2.3×10547108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；从电学特性看硅并无多少优势，硅在其它方面有许多优势。硅作为电子材料的优点原料充分；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；重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃，热导率高，1.50W/cm·℃；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。气态（gasstate）液态（liquidstate）固态（solidstate）等离子体（plasma）物质substance晶体（crystal）非晶体、无定形体（amorphoussolid）单晶：水晶、金刚石、单晶硅多晶：金属、陶瓷晶体（crystal）§1.1.2硅晶胞天然单晶体晶体的原子排列内部原子有规则在三维空间重复排列非晶体原子排列内部原子排列杂乱无规则多晶和单晶多晶硅结构

单晶硅结构单晶：晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构叫做单晶。单晶的原子排列长程有序。多晶：由大小不等的晶粒组成，而晶粒由晶胞在三维空间整齐重复排列构成，这样的结构叫做多晶。多晶的原子排列短程有序长程无序。晶格反映晶体中原子排列规律的三维空间格子。晶胞晶体中能放映原子周期性排列基本特点及三维空间格子对称性的基本单元。300K时，硅的a=5.4305Å,锗的a=5.6463Å

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硅晶胞（金刚石结构）硅晶胞（金刚石结构）共价四面体

每个原子都处在正四面体的中心，其它四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅的晶体结构：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=5×1022/cm3锗晶胞的原子密度:8/a3=4.425×1022/cm3原子密度：原子个数/单位体积晶体内部的空隙硅原子半径：rsi==1.17Å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%返回晶向决定了硅片中晶体结构的物理排列不同晶向的硅片的化学，电学，机械性质不同，影响工艺制造和器件性能密勒指数§1.1.3硅单晶的晶向、晶面晶向指数等效晶向（1）[110]及其等效晶向[100]及其等效晶向等效晶向（2）[111]及其等效晶向常用晶面的密勒指数等效晶面[100]、[110]、[111]晶向分别是（100）、（110）（111）晶面的法线金刚石结构中的晶面常见晶面的面密度金刚石晶向、晶面性质：[111]晶向，原子分布最为不均匀，存在原子双层密排面{111}。双层密排面面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面。而在晶体生长过程中有使晶体表面成为{111}晶面的趋势。但{111}面间结合力弱，故晶体易沿{111}解理面劈裂。448inch以下硅片8inch以上硅片晶体缺陷缺陷的含义：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

缺陷的分类

点缺陷

线缺陷位错（刃位错、螺位错）面缺陷层错（堆垛层错）体缺陷杂质的沉积自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、弗伦克尔缺陷外来原子缺陷（替位或间隙式）48点缺陷缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。49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。50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。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。螺位错52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。

堆垛层错54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。

制备纯的晶体是非常困难的，因为在制备的过程中周围的气氛以及容器中的原子会进入晶体替代晶体本身的原子，这种外来的其他原子就称为杂质（impurities）。杂质会对晶体的性质产生很大的影响，