ch1單晶硅特性

1、P1微電子制造工藝概論第1章 單晶硅特點(diǎn)P2本章主要內(nèi)容 1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1.2 硅晶體缺陷 1.3 硅中雜質(zhì)P31.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)常用的半導(dǎo)體材料：常用的半導(dǎo)體材料： 元素半導(dǎo)體：完全由一種元素構(gòu)成的，具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，位于元素周期表的IV。如硅（Si）、鍺（Ge） 化合物半導(dǎo)體：由兩種或兩種以上的元素構(gòu)成的，具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，最常見的是由周期表中III族和V族元素形成的。如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（SbIn）自然界物質(zhì)按導(dǎo)電能力分類：自然界物質(zhì)按導(dǎo)電能力分類： 導(dǎo)體：導(dǎo)電能力最強(qiáng)。金屬元素價(jià)電子數(shù)少于4個(gè) 絕緣體：導(dǎo)電能力最弱。橡膠，石英，價(jià)電子數(shù)8個(gè) 半導(dǎo)體：導(dǎo)電

2、能力介于二者之間。價(jià)電子數(shù)4個(gè)。P4元素周期表1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)P51.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 硅是微電子工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，占整個(gè)電子材料的95左右，人們對(duì)它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是使用硅材料。硅四面體結(jié)構(gòu)硅四面體結(jié)構(gòu)鍵角：鍵角：10928P6硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較性質(zhì)SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/Vs）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/Vs）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.4510102.410189.0106本征電阻率（cm）2.31054710

3、81.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)P7硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較鍺應(yīng)用的最早，一些分立器件采用； GaAs是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，主要是中等集成度的高速IC，及超過GHz的模擬IC使用，以及光電器件從電學(xué)特性看硅并無多少優(yōu)勢(shì)，硅在其它方面有許多優(yōu)勢(shì) 。1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)P8性質(zhì)性質(zhì)SiGeGaAsSiO2原子序數(shù)143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.0010224.4210222.2110222.301022晶體結(jié)構(gòu)金剛石金剛石閃鋅礦四面體無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)晶格常數(shù)（）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.

4、325.322.27相對(duì)介電常數(shù)11.716.319.43.9擊穿電場(chǎng)（V/m）30835600熔點(diǎn)（）141793712381700蒸汽壓（托）10-7（1050）10-7（880）1（1050）10-3（1050）比熱（J/g）0.700.310.351.00熱導(dǎo)率（W/cm）1.500.60.80.01擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）0.900.360.440.006線熱膨脹系數(shù)（1/）2.510-65.810-65.910-60.510-6有效態(tài)密度（cm-3）導(dǎo)帶Nc價(jià)帶Nv2.810191.010191.010196.010184.710177.01018硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較P9硅作為

5、電子材料的優(yōu)點(diǎn) 原料充分，占地殼25%，沙子是硅在自然界中存在的主要形式； 硅晶體表面易于生長(zhǎng)穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要； 密度只有2.33g/cm3，是鍺/砷化鎵的43.8%，用于航空、航天； 熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/ ，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm，芯片散熱； 單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好，目前16英寸； 機(jī)械性能良好，MEMS。1.1.1硅的性質(zhì)P10固體的分類：固體的分類： 非晶體非晶體：沒有重復(fù)結(jié)構(gòu)，原子級(jí)結(jié)構(gòu)雜亂無章(與晶體材料相對(duì)，如塑料)。 晶體：晶體：具有長(zhǎng)程有序的原子模式，最基本的單元稱為晶胞晶胞，晶胞在三維結(jié)構(gòu)中

6、最簡(jiǎn)單的由原子組成的重復(fù)單元 。晶體的分類：晶體的分類： 多晶多晶：晶胞級(jí)結(jié)構(gòu)雜亂無章 單晶單晶：晶胞級(jí)結(jié)構(gòu)有序排列硅晶胞：面心立方金剛石結(jié)構(gòu)1.1.2硅晶胞P111.1.2硅晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：=5.4305原子密度：原子密度：8/a3=5*1022 cm-3原子半徑：原子半徑：rSi=3a/8=1.17空間利用率：空間利用率：金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶胞硅晶體中還有較大的“空隙”（約66%）。因此，雜質(zhì)原子較容易進(jìn)入硅晶體中。P121.1.3硅單晶的晶向、晶面硅的幾種常用晶向的原子分布圖硅的幾種常用晶向的原子分布圖 晶格中原子可看作是處在一系列方向相同的平行直線系上，這種直線系稱為晶列。 任何

7、晶格的取向可以由連接晶列中相鄰格點(diǎn)的矢量R=m1x+m2y+m3z標(biāo)記，m1,m2,m3為互質(zhì)整數(shù)，記m1m2m3為晶向, 等價(jià)的晶向（晶向族）表示為。線密度：線密度：1/a1.41/a1.15/aP13 晶體中所有原子看作處于彼此平行的平面系上，這種平面系叫晶面。 晶面可以用相鄰的兩個(gè)平行晶面在x，y，z軸上的截距來表示，x/h1,y/h2,z/h3。h1,h2,h3為互質(zhì)整數(shù)，用晶面指數(shù)或密勒指數(shù) (h1h2 h3)標(biāo)記，等價(jià)晶面（晶面族）標(biāo)記為h1h2 h3 如（100）晶面。等價(jià)晶面表示為100。 100晶向和(100)晶面是垂直的。立方晶系的幾種主要晶面立方晶系的幾種主要晶面1.1.

8、3硅單晶的晶向、晶面P14硅晶面硅晶面硅常用晶面上原子分布Si面密度面密度:(100) 2/a2(110) 4/2a2=2.83/a2(111) 4/3a2=2.3/a21.1.3硅單晶的晶向、晶面P15硅單晶由兩套面心立方結(jié)構(gòu)套構(gòu)而成，有雙層密排面。雙層密排面：原子距離最近，結(jié)合最為牢固，晶面能最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長(zhǎng)中有表面成為111晶面的趨勢(shì)。兩層雙層密排面之間：原子距離最遠(yuǎn)，結(jié)合脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴(kuò)展，在外力作用下，很容易沿著111晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。 1.1.3硅單晶的晶向、晶面P16解理面解理面（111）面為解理面，即為天然易破

9、裂面。實(shí)際上由硅片破裂形狀也能判斷出硅面的晶向。（100）面與（111）面相交呈90角，（100）面硅片破裂時(shí)裂紋是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈60角，因此（111）面硅片破裂時(shí)裂紋也是呈三角形，硅晶體不同晶面、晶向性質(zhì)有所差異，因此，微電子工藝是基于不同產(chǎn)品特性，采用不同晶面的硅片作為襯底材料。 1.1.3硅單晶的晶向、晶面P17晶體的晶向晶體的晶向面的表面狀態(tài)更有利于控制MOS器件的開關(guān)狀態(tài)的閾值電壓。原子密度更大，容易生長(zhǎng)，成本低，用于雙極工藝。1.1.3硅單晶的晶向、晶面P181.2硅晶體缺陷點(diǎn)缺陷在高度完美的單晶硅片中，實(shí)際也存在缺陷。有：零維點(diǎn)缺陷；一維線缺陷；二

10、維面缺陷；三維體缺陷；晶體缺陷對(duì)微電子工藝有多方面的影響。P19本征缺陷（晶體中原子由本征缺陷（晶體中原子由于熱運(yùn)動(dòng)）于熱運(yùn)動(dòng)）空位 A：晶格硅原子位置上出現(xiàn)空缺；自填隙原子B ：硅原子不在晶格位置上，而處在晶格位置之間。雜質(zhì)（非本征缺陷：硅以雜質(zhì)（非本征缺陷：硅以外的其它原子進(jìn)入硅晶體）外的其它原子進(jìn)入硅晶體）替位雜質(zhì)C填隙雜質(zhì)DkTEvveNn/0kTEiiieNn/01.2硅晶體缺陷點(diǎn)缺陷P201.2硅晶體缺陷點(diǎn)缺陷肖特基缺陷：肖特基缺陷：空位缺陷；弗倫克爾（弗倫克爾（Frenkel）缺陷）缺陷：原子熱運(yùn)動(dòng)脫離晶格位置進(jìn)入晶格之間，形成的空穴和自填隙的組合；P21填隙雜質(zhì)填隙雜質(zhì)在微電子

11、工藝中是應(yīng)盡量避免的，這些雜質(zhì)破壞了晶格的完整性，引起點(diǎn)陣的畸變，但對(duì)半導(dǎo)體晶體的電學(xué)性質(zhì)影響不大；替位雜質(zhì)替位雜質(zhì)通常是在微電子工藝中有意摻入的雜質(zhì)。例如，硅晶體中摻入、族替位雜質(zhì)，目的是調(diào)節(jié)硅晶體的電導(dǎo)率；摻入貴金屬Au等，目的是在硅晶體中添加載流子復(fù)合中心，縮短載流子壽命。1.2硅晶體缺陷點(diǎn)缺陷P22線缺陷線缺陷最常見的就是位錯(cuò)位錯(cuò)。位錯(cuò)附近，原子排列偏離了嚴(yán)格的周期性，相對(duì)位置發(fā)生了錯(cuò)亂。位錯(cuò)可看成由滑移形成，滑移后兩部分晶體重新吻合。在交界處形成位錯(cuò)。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。123BA缺陷附近共價(jià)鍵被缺陷附近共價(jià)鍵被壓縮壓縮1、拉長(zhǎng)、拉長(zhǎng)2、懸、懸掛掛3，存在應(yīng)力，存在應(yīng)力1

12、.2硅晶體缺陷線缺陷P23位錯(cuò)主要有刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)刃（形）位錯(cuò)：晶體中插入了一列原子或一個(gè)原子面，位錯(cuò)線AB與滑移矢量垂直；螺（旋）位錯(cuò)：一族平行晶面變成單個(gè)晶面所組成的螺旋階梯，位錯(cuò)線AD與滑移矢量平行。1.2硅晶體缺陷線缺陷P241.2硅晶體缺陷線缺陷刃位錯(cuò) 螺位錯(cuò)ATL 8.0 : SSOLUICtrlP251.2硅晶體缺陷線缺陷刃形位錯(cuò)的兩種運(yùn)動(dòng)方式：滑移滑移和攀移攀移。硅晶體的雙層密排面間原子價(jià)鍵密度最小，結(jié)合最弱，滑移常沿111面發(fā)生，位錯(cuò)線也就常在111晶面之間。該面稱為滑移面滑移面。P26 面缺陷主要是由于原子堆積排列次序發(fā)生錯(cuò)亂，稱為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。層錯(cuò)。 體缺陷是雜質(zhì)在

13、晶體中沉積形成；晶體中的空隙也是一種體缺陷。 1.2硅晶體缺陷面缺陷和體缺陷P271.2硅晶體缺陷缺陷的產(chǎn)生及結(jié)團(tuán)缺陷是存在應(yīng)力的標(biāo)志，微電子工藝過程中能夠誘導(dǎo)缺陷的應(yīng)力主要有三種：存在大的溫度梯度，發(fā)生非均勻膨脹，在晶體內(nèi)形成熱塑性應(yīng)力，誘生位錯(cuò)；晶體中存在高濃度的替位雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)和硅原子大小不同，形成內(nèi)部應(yīng)力誘生缺陷；硅晶體表面受到機(jī)械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。結(jié)團(tuán)作用：高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量P28缺陷的去除：缺陷在器件的有源區(qū)（晶體管所在位置）缺陷的去除：缺陷在器件的有源區(qū)（晶體管所在位置）影應(yīng)響其性能，必須

14、設(shè)法使之減少。影應(yīng)響其性能，必須設(shè)法使之減少。單晶生長(zhǎng)時(shí)的工藝控制；非本征吸雜，在無源區(qū)引入應(yīng)變或損傷區(qū)來吸雜；本征吸雜，氧是硅片內(nèi)固有的雜質(zhì)，硅中氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。1.2硅晶體缺陷缺陷的去除P291.3硅晶體中的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料多以摻雜混合物狀態(tài)出現(xiàn)，雜質(zhì)分為有意摻入的和無意摻入的。有意摻入Si中的雜質(zhì)有、VA族硼、磷、砷、銻。故意雜質(zhì)一般能替代硅原子，占據(jù)晶格位置，在適當(dāng)?shù)臏囟认码婋x生成自由電子或空穴，能改變硅晶體的電學(xué)特性，具有電活性。無意摻入Si中的雜質(zhì)有氧，碳等。P301.3硅晶體中的雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)：間隙式雜質(zhì)：主要是和族元素，有：Na、K、Li、H等，它們通常無

15、電活性，在硅中以間隙方式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率快。 替位式雜質(zhì)：替位式雜質(zhì)：主要是和族元素，具有電活性，在硅中有較高的固溶度。以替位方式擴(kuò)散為主，也存在間隙-替位式擴(kuò)散，擴(kuò)散速率慢，稱為慢擴(kuò)散雜質(zhì)。 間隙間隙替位式雜質(zhì)：替位式雜質(zhì)：大多數(shù)過渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以間隙-替位方式擴(kuò)散，約比替位擴(kuò)散快五六個(gè)數(shù)量級(jí)，最終位于間隙和替位這兩種位置，位于間隙的雜質(zhì)無電活性，位于替位的雜質(zhì)具有電活性。P31+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價(jià)鍵內(nèi)的電子稱為束縛電子掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子T=0K 且無外界激發(fā)，只有束縛電子，沒有自由電子，本征半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。T=300K，

16、本征激發(fā)，少量束縛電子擺脫共價(jià)鍵成為自由電子。1.3硅晶體中的雜質(zhì)P32摻雜半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體。摻雜后半導(dǎo)體的導(dǎo)電率大為提高摻入三價(jià)元素，如B形成P型半導(dǎo)體，也稱空穴型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素，如P形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。1.3硅晶體中的雜質(zhì)P33+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5+5在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素如P自由電子是多子（雜質(zhì)、熱激發(fā)）空穴是少子 （熱激發(fā)） 由于五價(jià)元素很容易貢獻(xiàn)電子，因此將其稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)因提供自由電子而帶正電荷成為正離子1.3硅晶體中的雜質(zhì)P34+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素如B自由電子是少子（熱

17、激發(fā)) 空穴是多子（雜質(zhì)、熱激發(fā)）因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。1.3硅晶體中的雜質(zhì)P351.3.1雜質(zhì)對(duì)Si電學(xué)特性的影響 、V族電活性雜質(zhì)主要有：硼、磷、砷，銻等淺能級(jí)雜質(zhì) 金等雜質(zhì)在室溫時(shí)難以電離，多數(shù)無電活性，是復(fù)合中心，具有降低硅中載流子壽命的作用，是深能級(jí)雜質(zhì)空穴空穴 硅晶體中硼電離示意圖硅晶體中硼電離示意圖BB束縛電子束縛電子自由電子自由電子 硅晶體中磷電離示意圖硅晶體中磷電離示意圖P+PDCDEE 施主電離能施主電離能受主電離能受主電離能vAAEE 摻雜半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料對(duì)雜質(zhì)的敏感性非常強(qiáng)，例如在Si中摻入千萬分之一的磷（P）

18、或者硼（B），就會(huì)使電阻率降低20萬倍。P36 硅單晶電阻率與摻雜濃度關(guān)系曲線硅單晶電阻率與摻雜濃度關(guān)系曲線1.3.1硅的電阻率-摻雜濃度曲線 不同類型雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象叫雜質(zhì)補(bǔ)償。 硅中同時(shí)存在磷和硼，若磷的濃度高于硼，那么這就是N型硅。 不過導(dǎo)帶中的電子濃度并不等于磷雜質(zhì)濃度，因?yàn)殡婋x的電子首先要填充受主，余下的才能發(fā)送到導(dǎo)帶。P371.3.1硅晶體中雜質(zhì)能級(jí)和電離能P381.3.2固溶度和相圖一種元素B(溶質(zhì))引入到另一種元素A(溶劑)晶體中時(shí)，在達(dá)到一定濃度之前，不會(huì)有新相產(chǎn)生，仍保持原A晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶體稱為固溶體。一定溫度，雜質(zhì)在晶體中具有最大平衡濃度，這一平衡濃度就稱

19、為該雜質(zhì)B在晶體A中的固溶度。P391.3.2固溶度和相圖固溶體硅晶體中雜質(zhì)的固溶度 III，V族雜質(zhì)在硅中的固溶度并不高，最高的是砷； 摻雜濃度可以超過固溶度。 給含雜質(zhì)原子的硅片加熱，再快速冷卻，雜質(zhì)濃度可超出其固溶度的10倍以上。P401.3.2固溶度和相圖相圖知識(shí)相圖是用來討論混合物體系性質(zhì)的一種圖示方法。相定義為物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，這一狀態(tài)是由一組均勻的性質(zhì)來表征的。當(dāng)混合物體系中的各相均處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，一般包括一個(gè)以上固相的這種狀態(tài)圖就是相圖。相圖與大氣壓也有關(guān)，微電子工藝大多是常壓工藝，一般只使用常壓狀態(tài)的相圖。P41 二元相圖是以成分和溫度為坐標(biāo)的平面圖形，縱坐標(biāo)表示溫度，

20、橫坐標(biāo)表示成分。合金的成分以重量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)表示，橫坐標(biāo)的兩個(gè)端點(diǎn)A及B，分別表示兩個(gè)純組元。從A端至B端表示合金含B量的百分?jǐn)?shù)由0逐漸增加至100，而含A量則由100逐漸降低至0。成分軸上任意一點(diǎn)都表示由A和B做出組成的合金。1.3.2固溶度和相圖相圖知識(shí)P42相圖的構(gòu)成：由兩條曲線將相圖分為三個(gè)區(qū)。左右兩端點(diǎn)分別為組元的熔點(diǎn)。上面的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區(qū)，常用L表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區(qū)，常用表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標(biāo)記L+表示。 二元?jiǎng)蚓鄨D二元?jiǎng)蚓鄨D1.3.2固溶度和相圖相圖知識(shí)P43兩相平衡時(shí)的數(shù)量分配規(guī)律杠桿定律 如圖，合金x在溫度T1將由兩相長(zhǎng)期并存，這時(shí)兩相的成分和數(shù)量保持不變。過x點(diǎn)作水平線交液相線和固相線于a、c點(diǎn)，經(jīng)熱力學(xué)證明a、c點(diǎn)的成分分別為平衡的液體和固體的成分，設(shè)mL和m分別為兩相的數(shù)量，由物質(zhì)不滅可推導(dǎo)出：一般用占總體數(shù)量的百分比的相對(duì)值來表示。如果把線段axc當(dāng)成一杠桿，則他們滿足杠桿力的平衡原理，所以稱之為杠桿定律。用杠桿定律來分析在理解和使用都有好的直觀性和方便。適用所有兩相平衡。1.3.2固溶度和相圖相圖知識(shí)P44連續(xù)性固溶體：鍺連續(xù)性固溶體：鍺-硅相圖硅相圖硅-鍺二元相圖：可完全互溶，又稱為同晶體系，用杠桿