第2講單晶硅的特性

1、1集成電路制造工藝簡(jiǎn)介集成電路制造工藝簡(jiǎn)介國(guó)外某集成電路工廠外景國(guó)外某集成電路工廠外景凈凈化化廠廠房房Here in the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投投影影式式光光刻刻機(jī)機(jī)Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are i

2、n a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗裝裝置置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design o

3、f this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化擴(kuò)擴(kuò)散散爐爐Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英英寸寸氧氧化化擴(kuò)擴(kuò)散散爐爐裝裝片片工工序序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We

4、 began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化擴(kuò)散爐化擴(kuò)散爐取片工序取片工序（已生長(zhǎng)（已生長(zhǎng)Si3N4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet

5、 processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.PVDAccuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD

6、and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 檢檢測(cè)測(cè)工工序序Above you are looki

7、ng at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab (left picture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for ea

8、sier maintenance, longer life and better control. 去去離離子子水水生生產(chǎn)產(chǎn)裝裝置置空空氣氣凈凈化化動(dòng)動(dòng)力力裝裝置置Here we are looking at the Incoming material disposition racks 庫(kù)房庫(kù)房第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院1.1.1 硅的性質(zhì)硅的性質(zhì)n 硅元素含量豐富（硅元素含量豐富（2525），），成本低成本低; ;n 硅器件室溫下有較佳的特性硅器件室溫下有較佳的特性; ;n 熱穩(wěn)定性好，更高的熔化溫?zé)岱€(wěn)定性好，更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限，硬度允許

9、更寬的工藝容限，硬度大度大; ;n 高品質(zhì)的氧化硅可由熱生長(zhǎng)高品質(zhì)的氧化硅可由熱生長(zhǎng)的方式較容易地制得的方式較容易地制得; ;n 高頻、高速場(chǎng)合特性較差。高頻、高速場(chǎng)合特性較差。硅四面體結(jié)構(gòu)硅四面體結(jié)構(gòu)10928第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院性質(zhì)性質(zhì)SiGeGaAs禁帶寬度（禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型禁帶類型間接間接間接間接直接直接晶格電子遷移率（晶格電子遷移率（cm2/Vs）135039008600晶格空穴遷移率（晶格空穴遷移率（cm2/Vs）4801900250本征載流子濃度（本征載流子濃度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征電阻率（本征電阻率

10、（cm）2.310547108第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院氣態(tài)（氣態(tài)（gas stategas state）液態(tài)（液態(tài)（liquid stateliquid state）固態(tài)（固態(tài)（solid statesolid state）等離子體（等離子體（plasmaplasma）物質(zhì)物質(zhì)substancesubstance晶體（晶體（crystalcrystal）非晶體、無(wú)定形體非晶體、無(wú)定形體（amorphous solidamorphous solid）單晶：水晶、金剛石、單晶硅單晶：水晶、金剛石、單晶硅多晶：金屬、陶瓷多晶：金

11、屬、陶瓷晶體（晶體（crystalcrystal）第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院天然單晶體第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院多晶硅結(jié)構(gòu)多晶硅結(jié)構(gòu) 單晶硅結(jié)構(gòu)單晶硅結(jié)構(gòu)第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院面心立方（FCC）第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院 300K 300K時(shí)，硅的時(shí)，硅的a=5.4305a=5.4305 , ,鍺的鍺的a=5.6463a=5.6463 第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院硅的晶體結(jié)構(gòu)：硅的晶體結(jié)構(gòu)：第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院原子密度：原子

12、個(gè)數(shù)原子密度：原子個(gè)數(shù)/單位體積單位體積第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院a83334iSr381a返回返回第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院等效晶向（等效晶向（1 1）110及其等效晶向及其等效晶向100及其等效晶向及其等效晶向第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院等效晶向（等效晶向（2 2）111及其等效晶向及其等效晶向第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院等效晶面等效晶面100、110、111晶向分別是晶向分別是（100）、（）、（110）（）（111）晶面的法線）晶面的法線第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院金

13、剛石結(jié)構(gòu)（100面）金剛石結(jié)構(gòu)（110面）金剛石結(jié)構(gòu)（111面）a2a3a第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院aa(100)a(110)a1/2(3/2)1/2aa1/2(111)2224141aa2342232212414aaa22422212414aaa第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院448 inch 以下硅片以下硅片8 inch 以上硅片以上硅片第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院晶體缺陷晶體缺陷缺陷的含義缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理

14、想晶體理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院 點(diǎn)點(diǎn)缺陷缺陷 線線缺陷缺陷 位錯(cuò)位錯(cuò)（刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)）刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)）面面缺陷缺陷 層錯(cuò)層錯(cuò)（堆垛層錯(cuò)）（堆垛層錯(cuò)）體體缺陷缺陷 雜質(zhì)的沉積雜質(zhì)的沉積自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、弗倫克爾缺陷弗倫克爾缺陷外來(lái)原子缺陷（替位或間隙式）外來(lái)原子缺陷（替位或間隙式）第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院48點(diǎn)

15、缺陷點(diǎn)缺陷 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。缺陷的尺寸都很小。第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院49線缺陷線缺陷 指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短，分為另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和和螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)。第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院50刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣

16、，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院 將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來(lái)，形成一個(gè)類似于樓梯黏合起來(lái)，形成一個(gè)類似于樓梯 拐角處的排列結(jié)構(gòu)，拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在則此時(shí)在“剪開線剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò)。排

17、列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò)。 螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院52面缺陷面缺陷 二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。孿晶：孿晶：是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿孿晶晶”，此公共

18、晶面就稱孿晶面。，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界晶粒間界則是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。則是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。 孿晶界孿晶界晶粒間界晶粒間界第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院 指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯(cuò)面）間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯(cuò)面）兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤排布兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤排布 。 堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò)第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院54體缺陷體缺陷 由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度，由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度， 當(dāng)摻入當(dāng)摻入的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時(shí)，的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時(shí)， 雜質(zhì)在晶體中就會(huì)雜質(zhì)在晶體中就會(huì)沉積，形成體缺陷。沉積，形成體缺陷。第一章 單晶硅的特性湖南科技學(xué)院 制備純的晶體是非常困難的，因?yàn)樵谥苽涞倪^制備純的晶體是非常困難的，因?yàn)樵谥苽涞?/p>