Chap硅的晶體結(jié)構(gòu)

1、Chap 1 硅的晶體結(jié)構(gòu) 自然界中的固態(tài)物質(zhì)，簡稱為固體，可分為晶體和非晶體兩大類。晶體類包括單晶體和多晶體。集成電路和各種半導(dǎo)體器件制造中所用的材料，主要有以下三種：（1）元素半導(dǎo)體，如硅、鍺；（2）化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵、磷化銦；（3）絕緣體，如藍寶石、尖晶石。目前主要是硅、鍺和砷化鎵等單晶體，其中又以硅為最多，這是因為硅元素在自然界中的含量十分豐富，大約占地殼25%以上（按質(zhì)量計算）。硅器件占世界上出售的所有半導(dǎo)體器件的90%以上。因此本章只講硅晶體的有關(guān)特點。Si： 含量豐富，占地殼重量25%；單晶Si 生長工藝簡單，目前直徑最大18英吋（450mm） 圖中從左到右分別是450mm（

2、18英寸）、300mm（12英寸）和200mm（8英寸）的晶圓，其中只有8寸為晶圓實物，18寸和12寸皆為比例模型。氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；易于實現(xiàn)平面工藝技術(shù)； 硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實際的成本

3、并不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。 然而，硅晶圓具有的一個特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現(xiàn)壞點。因此從硅晶圓中心向外擴展，壞點數(shù)呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。 雖然晶圓尺寸愈大，愈能降低芯片制造成本，但推升晶圓尺寸所需的技術(shù)和復(fù)雜度高，需要設(shè)備、元件等產(chǎn)業(yè)鏈的搭配，建廠成本亦會大幅增加，具備一定難度。 晶圓尺寸的更新?lián)Q代一般都需要十年左右，比如200mm晶圓是1991年誕生的 ，截至2008年，廣泛使用的300mm晶圓則是Intel在2001年引入的，并首先用于1

4、30nm工藝處理器。事實上，仍有些半導(dǎo)體企業(yè)仍未完成從200mm向300mm的過渡，而Intel此番準備升級450mm必然會讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的芯片制造經(jīng)濟得到進一步發(fā)展。450mm晶圓無論是硅片面積還是切割芯片數(shù)都是300mm的兩倍多，因此每顆芯片的單位成本都會大大降低。當然，投資更大尺寸的晶圓是需要巨額投資的，一般來說年收入低于100億美元的企業(yè)都無力承擔。 Intel不存在這方面的困擾，Intel預(yù)計2015年其首條450mm產(chǎn)線將可開始試產(chǎn)。預(yù)計今年首批測試用450mm晶圓可制成，相應(yīng)的芯片生產(chǎn)設(shè)備方面則會在今年到位。 臺積電450mm計劃暨電子束作業(yè)處處長游秋山表示，18寸晶圓發(fā)展之路仍有

5、許多挑戰(zhàn)，若按照臺積電規(guī)劃，于2018年開始以10納米量產(chǎn)18寸晶圓，屆時適用的微影技術(shù)是否夠成熟是最大問題。 臺灣積體電路制造股份有限公司即臺積電，全球第一家的專業(yè)集成電路制造服務(wù)公司，產(chǎn)能居世界之冠 根據(jù)SEMI統(tǒng)計數(shù)據(jù)，若去除記憶體相關(guān)產(chǎn)品線，臺積電在2011年已擁有近110萬片約當8寸晶圓片的產(chǎn)能，居世界之冠，估計至今年底，臺積電12寸廠的所有潔凈室面積超過32個世界杯足球場大小。Si 的基本特性:金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.431 間接帶隙半導(dǎo)體， 禁帶寬度 Eg=1.12eV 相對介電常數(shù)， r=11.9 熔點： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征載流子濃度：n

6、i=1.45x1010 cm-3 本征電阻率 =2.3x105 cm 電子遷移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴遷移率h=450 cm2/Vs1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)1. 晶胞晶體的重要特點是組成晶體的原子、分子、離子是按一定規(guī)則周期排列著。任一晶體都可以看作是由質(zhì)點（原子，分子，離子）在三維空間中按一定規(guī)則做周期重復(fù)性排列所構(gòu)成的。(1) 晶格：晶體的周期性結(jié)構(gòu)稱為晶體格子。(2) 單晶體：整個晶體是由單一的晶格連續(xù)組成。(3) 多晶體：晶體是由相同結(jié)構(gòu)的很多小晶粒無規(guī)則地堆積而成。(4) 晶胞：能夠最大限度地反應(yīng)晶體對稱性質(zhì)的最小單元。(5) 各向異性：晶體在不同方向上的物理特性是不相同的。

7、2. 金剛石結(jié)構(gòu)特點（1）共價四面體：硅由兩套面心立方格子沿體對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成的。一個原子在四面體的中心，另外4個同它共價的原子在正四面體的4個頂角上，這種四面體也稱共價四面體。（2）晶體內(nèi)部的空隙金剛石結(jié)構(gòu)的另一個特點是內(nèi)部存在著相當大的“空隙”。硅晶體內(nèi)大部分是“空”的一些間隙雜質(zhì)能很容易地在晶體內(nèi)運動并存在于體內(nèi)，同時對替位雜質(zhì)的擴散運動提供了足夠的條件。1.2 晶向、晶面和堆積模型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。3.m1,m2,m3晶向指數(shù)， 表示晶向族； (h1,h2,h3)晶面， 表示晶面族

8、4.面心立方晶體結(jié)構(gòu)是立方密堆積，（111）面是密排面。5. 雙層密排面的特點：(1)在晶面內(nèi)原子結(jié)合力強，晶面與晶面之間距離較大，結(jié)合薄弱。(2)兩個雙層面間，間距很大，而且共價鍵稀少，平均兩個原子才有一個共價鍵，致使雙層密排面之間結(jié)合脆弱。 6. 金剛石晶格晶面的性質(zhì)：（1）由于111雙層密排面本身結(jié)合牢固，而雙層密排面之間相互結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著111晶面劈裂。這種易劈裂的晶面稱為解理面。（2）由111雙層密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，所以腐蝕后容易暴露在表面上。（3） 因111雙層密排面之間距離很大，結(jié)合弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴展。（4）111雙層密

9、排面結(jié)合牢固，表明這樣的晶面能量低。由于這個原因，在晶體生長中有一種使晶體表面為111晶面的趨勢。1.3 硅晶體中的缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷一、點缺陷在各個方向上都沒有延伸，包括：間隙原子、空位、肖特基缺陷、弗倫克爾缺陷和外來原子（替位式或間隙式）等。如圖1.1所示。圖1.1. 晶格中的點缺陷和類型弗倫克爾缺陷間隙硅原子硅原子間隙位置雜質(zhì)替位位置的雜質(zhì)空位或肖特基缺陷二、線缺陷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

10、的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯和螺位錯。刃型位錯: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，沿刀刃方向的位錯為刃型位錯。螺位錯: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，然后黏合起來，形成一個類似于樓梯 拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時在“剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯線）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)稱為一個螺位錯 三、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。孿晶：是指兩

11、個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。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)。 孿晶界晶粒間界堆垛層錯是指是晶體結(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)了錯誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯面）兩側(cè)附近原子的錯誤排布 。 四、體缺陷由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度， 當摻入的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時， 雜質(zhì)在晶體中就會沉積，形成體缺陷。1.4 硅中雜質(zhì)1.半導(dǎo)體電阻率的高低與所含雜質(zhì)濃度有密切的關(guān)系。 本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)，也就是純凈半導(dǎo)體，它的電阻率即載流子濃度是由自身的本征性

12、質(zhì)所決定。 雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻入一定數(shù)量雜質(zhì)的半導(dǎo)體。2.施主雜質(zhì)：位于晶格位置又能貢獻電子的原子。V族，n型。 受主雜質(zhì)：能接受電子，即能向價帶釋放空穴而本身變?yōu)樨撾娭行牡碾s質(zhì)。III族，P型。3.淺能級：靠近價帶頂和導(dǎo)帶底。 深能級：位于禁帶中心附近。1.5 雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度 1. 固溶體：當把一種元素B（溶質(zhì)）引入到另一種元素A（溶劑）的晶體中時，在達到一定濃度之前，不會有新相產(chǎn)生，而仍保持原來晶體A的晶體結(jié)構(gòu)，這樣的晶體稱為固溶體。2.固溶度：在一定溫度和平衡態(tài)下，元素B能夠溶解到晶體A內(nèi)的最大濃度，稱為這種雜質(zhì)在晶體中的最大溶解度。3.固溶體分類：按溶質(zhì)在溶劑中存在形式。（1）替位

13、式固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格格點上的正常位置，而且雜質(zhì)原子在各點上的分布是無序的。(2)間隙式固溶體：溶質(zhì)原子存在于溶劑晶格的間隙中，其分布也是無規(guī)則的。4.某種元素能否作為擴散雜質(zhì)的一個重要標準：看這種雜質(zhì)的最大固溶度是否大于所要求的表面濃度，如果表面濃度大于雜質(zhì)的最大固溶度，那么選用這種雜質(zhì)就無法獲得所希望的分布。1.6 單晶制備一、直拉法（CZ法）CZ 拉晶儀熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時針；環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控制器排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng)拉晶過程1.

14、熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化 ；注意事項：熔硅時間不易長；2.引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時可減少熱沖擊。當溫度穩(wěn)定時，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶； 收頸指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。 放肩縮頸工藝完成后，略降低溫度（15-40） ，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴

15、格控制溫度和拉速。收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。直拉法生長單晶的特點優(yōu)點：所生長單晶的直徑較大成本相對較低; 通過熱場調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好控制 電阻率徑向均勻性缺點：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易 引入氧碳雜質(zhì)，不易生長高電阻率單晶（含氧量通常10- 40ppm)原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長的基礎(chǔ)上對坩堝內(nèi)的熔體施加 磁場，由于半導(dǎo)體熔體是良導(dǎo)體，在磁場作用下受到與其運動方向相反作用力，于是熔體的熱對流受到抑制。因而除磁體外，主體設(shè)備如單晶爐等并無大的差別。優(yōu)點：減少溫度波動；減輕熔硅

16、與坩堝作用；使擴散層厚度增大 降低了缺陷密度，氧的含量，提高了電阻分布的均勻性。 二、改進直拉生長法磁控直拉技術(shù)三、懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）方法： 依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動而進行提純和生長單晶。懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）特點：可重復(fù)生長、提純單晶，單晶純度較CZ法高； 無需坩堝、石墨托，污染少； FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點: 單晶直徑不及CZ法 襯底制備 襯底制備包括： 整形、晶體定向、晶面標識、晶面加工整型兩端去除徑向研磨定位面研磨晶面定向與晶面標識由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學(xué)性質(zhì)

17、都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進行切割，如雙極器件：111面； MOS器件：100面。8 inch 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導(dǎo)電類型。1主參考面（主定位面，主標志面） 作為器件與晶體取向關(guān)系的參考； 作為機械設(shè)備自動加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；2. 次參考面（次定位面，次標志面） 識別晶向和導(dǎo)電類型 8 inch 以下硅片8 inch 以上硅片切片、磨片、拋光1切片 將已整形、定向的單晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。切片基本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片損耗占1/3。2.磨片目的： 去除刀痕與凹凸不平；改善平整度； 使硅片厚度一致；磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等3.拋光目的：進一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔及無損層的“理想”表面。方法：機械拋