集成電路工藝基礎(chǔ)-硅晶體結(jié)構(gòu)培訓課件

1、第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長 第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長 1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點 1.2 晶向、晶面和堆積模型 1.3 硅晶體中的缺陷 1.4 硅中的雜質(zhì) 1.5 雜質(zhì)在硅晶體中的溶解度 1.6 硅單晶生長 第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長 下一頁1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點1.1.1 晶胞1、晶格簡單立方 體心立方 面心立方2、晶胞定義：最大限度地反映晶體對稱性質(zhì)的最小單元 300K時，硅的a=5.4305 ,鍺的a=5.6463 硅晶胞（金剛石結(jié)構(gòu)）兩套面心立方格子沿體心對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成2、晶胞1.1.2 原子密度 頂角：1/8 ； 面心：1/2 ；體心：4 一個硅晶胞中的

2、原子數(shù): 8*1/8+6*1/2+4=8每個原子所占空間體積為：a3/8硅晶胞的原子密度: 8/a3=51022/cm3鍺晶胞的原子密度: 8/a3=4.4251022/cm3原子密度：原子個數(shù)/單位體積1.1.3 共價四面體一個原子在正四面體的中心，其它四個同它共價的原子位于正四面體的頂點，這種四面體稱為共價四面體。最小原子間距：即正四面體中心原子到頂角原子的距離，即晶胞對角線長的四分之一。硅的晶體結(jié)構(gòu)：1.1.4 晶體內(nèi)部的空隙硅原子半徑： rsi= =1.17 硅原子體積:單位原子在晶格中占有的體積：空間利用率：硅原子體積/單位原子在晶格中占有的體積 約為34%返回空隙為雜質(zhì)在其中存在并

3、運動創(chuàng)造了條件。1.2晶向、晶面和堆積模型 1.2.1 晶向晶列：晶格中的原子處在的一系列方向相同的平行直線系上晶向：一族晶列所指的方向，可由連接晶列中相鄰格點的矢量的方向來標記。晶向指數(shù)：m1,m2,m3;原子線密度：原子個數(shù)/單位長度不同 晶向氧化速率、腐蝕速率不同方向上的原子線密度最大晶向的表示方法等效晶向（1）等效晶向（2）1.2.2 晶面晶面：晶格中的原子處在的一系列彼此平行的平面系晶面方向：晶面的法線方向，可由相鄰的兩個平行晶面在坐標軸上的截距的倒數(shù)來標識。晶面指數(shù)：(h1,h2,h3）;h1,h2,h3原子面密度：原子個數(shù)/單位面積（110）面上的原子密度最大等效晶面硅片鑒別方法

4、（SEMI標準）雙級集成電路工藝CMOS集成電路工藝1.2.3 堆積模型圖密堆積模型密排面兩層密排面密堆積類型：ABAB.六角密積ABCABC.立方密積密堆積類型 通過對面心立方晶格中（111）面原子的觀察：面心立方晶格的（111）面是密排面面心立方晶格的（111）面之間的堆積是立方密積1.2.4 雙層密排面雙層密排面特點： 密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強，面間結(jié)合力弱 金剛石晶格是由兩套面心立方晶格套構(gòu)而成，故其111晶面是原子密排面。 硅晶體的堆積次序是：AABB CC AA BB CC 硅晶體的密排面為雙層密排面金剛石晶面性質(zhì)： 1.由于111雙層密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強，面間結(jié)合力弱，故晶體易沿

5、111解理面劈裂 2.面內(nèi)原子結(jié)合力強，化學腐蝕比較困難和緩慢，所以腐蝕后容易暴露在表面上 3.由于111雙層密排面之間距離很大，結(jié)合力弱,晶格缺陷易在面間形成和擴展 4.面內(nèi)原子結(jié)合力強，能量低，晶體生長中有生成（111）晶面的趨勢返回1.3 硅晶體中的缺陷點缺陷：自間隙原子、空位、 肖特基缺陷、弗侖克爾缺陷線缺陷：刃位錯、螺位錯面缺陷：層錯、晶粒間界體缺陷：摻入雜質(zhì)的量大于硅可接受的濃度時，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。返回點缺陷（擴散、氧化）返回線缺陷刃位錯的形成：其根本原因是晶體內(nèi)部應力的存在金屬雜質(zhì)容易在線缺陷處析出，從而劣化器件的工作性能。刃位錯的形成螺位錯的形成返回實際晶體中的

6、位錯線為一曲線，為混合位錯面缺陷（層錯和晶粒間界）如果出現(xiàn)面缺陷，則該晶體不能用來制作集成電路。 層錯：是由于原子排列次序發(fā)生錯亂引起的?？梢酝ㄟ^外延層錯測量外延層的厚度。返回1.4 硅中的雜質(zhì)1.4.1 導體、半導體和絕緣體 導體、半導體和絕緣體電阻率區(qū)分：導體 10-10 cm；絕緣體 108 1012 cm； 半導體 10-6 10 cm 半導體？溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降適當波長的光照可以改變半導體的導電能力半導體電阻率的高低與所含雜質(zhì)濃度密切相關(guān)1.4 硅中的雜質(zhì) 本征半導體：不摻雜的半導體本征半導體中的載流子通過熱激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴對（與溫度有關(guān)）參考P14圖1.1

7、7 Si和 GaAs中本征載流子濃度與溫度的關(guān)系 實際使用的半導體：在純凈的半導體中摻入某些雜質(zhì)，使它的導電能力和導電類型改變。改變的原因：摻雜半導體中某種載流子濃度大大增加參考P15圖1.18 電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系N 型半導體（族元素）+4+4+5+4多余電子磷原子 多余電子只受P原子核庫侖勢的吸引，故小能量即可使其脫離P原子核的束縛成為自由電子。 處于晶格位置又能貢獻電子的原子（P）稱為施主雜質(zhì)。 電子濃度增加導致導電能力增強。P 型半導體（III 族元素）+4+4+3+4空穴硼原子能提供多余空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。摻雜半導體 雜質(zhì)補償定義：不同類型

8、雜質(zhì)對導電能力相互抵消的現(xiàn)象對導電類型和導電能力的影響？實際應用？ PN 結(jié)在一塊半導體中，一部分摻入N型雜質(zhì)，另一部分摻入P型雜質(zhì)，那么在兩種雜質(zhì)濃度相等處就形成P-N結(jié)。制造器件和集成電路的基礎(chǔ)摻雜半導體 雜質(zhì)類型：施主、受主： 硼、磷等特殊雜質(zhì)：金（擴散速率快，作為壽命控制雜質(zhì)）玷污雜質(zhì)：碳、氧碳 會導致p-n結(jié)的過早擊穿氧 生成絡(luò)合物，起施主作用返回1.5 雜質(zhì)在硅中的溶解度 雜質(zhì)在硅中的溶解度是集成電路和器件的制造過程中選擇雜質(zhì)的重要依據(jù)。固溶體：元素B溶入元素A中后仍保持元素A的晶體結(jié)構(gòu)，那么A晶體稱為固溶體。固溶度：雜質(zhì)在晶體中的最大溶解度固溶體分類：替位式固溶體 雜質(zhì)占據(jù)格點位

9、置形成替位式固溶體必要條件：溶質(zhì)原子半徑的大小接近溶劑原子半徑，若溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑相差大于15%，則可能性很小。 （幾何有利因素）連續(xù)固溶體（一種物質(zhì)可無限溶解于另一種物質(zhì)中）需為替位式固溶體，且溶劑和溶質(zhì)原子外部電子殼層結(jié)構(gòu)相似大部分施主和受主雜質(zhì)都與硅形成替位式固溶體間隙式固溶體 雜質(zhì)存在間隙中1.5 雜質(zhì)在硅中的溶解度施主（受主）雜質(zhì)的溶解度，將隨晶體中的受主（施主）雜質(zhì)含量的增加而增大某種施主（受主）雜質(zhì)的存在會導致其它施主（受主）雜質(zhì)的溶解度的下降 選擇雜質(zhì)的依據(jù)：雜質(zhì)的固溶度是否大于所要求的表面濃度參考P19圖1-20 在硅晶體中的固溶度隨溫度的關(guān)系1.5 雜質(zhì)在硅中的溶

10、解度晶體生長1、起始材料：石英巖（高純度硅砂）2、將純度為98的冶金級的硅粉碎，與氯化氫反應原材料多晶半導體3、利用分餾法將三氯化硅（沸點為32）液體中不要的雜質(zhì)去除，再與氫氣作還原反應，產(chǎn)生“電子級硅”（electronic-grade silicon，EGS）原材料多晶半導體多晶半導體單晶直拉法（Czochralski 法）單晶生長從融體（即其材料是以液態(tài)的形式存在）中生長單晶硅的技術(shù)絕大多數(shù)單晶硅的主流生產(chǎn)技術(shù)下一頁懸浮區(qū)熔法單晶生長用來生產(chǎn)高純度的硅單晶直拉法柴可拉斯基拉晶儀直拉法直拉法是熔融態(tài)物質(zhì)的結(jié)晶的過程直拉法需要的材料：電子級純度的硅,將石英還原提純至99.999999999%生長系統(tǒng):抽真空的腔室內(nèi)放置坩堝（熔融石英），腔室內(nèi)充保護性氣氛（氬氣），將坩堝加熱至1500 左右，籽晶（直徑0.5cm,10cm長）降下來與熔料相接觸隨著籽晶的提拉，生成柱狀晶錠（直徑可達300mm以上，長度一般12m)硅的懸浮區(qū)熔工藝在操作過程中，利用射頻加熱器使一小區(qū)域的多晶棒熔融。射頻加