集成電路工藝之硅的晶體結(jié)構(gòu)

1、集成電路工藝之硅的晶體結(jié)構(gòu)第1頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長 第2頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四第一章 硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長 第3頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四 1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 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 下一頁第4頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.1 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.1.1 晶胞1、晶格第5頁，共49頁，2022年，

2、5月20日，1點(diǎn)32分，星期四簡單立方 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)的最小單元第6頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四 300K時(shí)，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、晶胞第7頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.1.2 原子密度 頂角：1/8 ； 面心：1/2 ；體心：4 一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù): 8*1/8+6*1/2+4=8每個(gè)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

3、.4251022/cm3原子密度：原子個(gè)數(shù)/單位體積第8頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.1.3 共價(jià)四面體一個(gè)原子在正四面體的中心，其它四個(gè)同它共價(jià)的原子位于正四面體的頂點(diǎn)，這種四面體稱為共價(jià)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)：第9頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.1.4 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)在其中存在并運(yùn)動創(chuàng)造了條件。第10頁，共49

4、頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.2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(diǎn)的矢量的方向來標(biāo)記。晶向指數(shù)：m1,m2,m3;原子線密度：原子個(gè)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第11頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四晶向的表示方法第12頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四等效晶向（1）第13頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四等效晶向（2）第14頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)3

5、2分，星期四1.2.2 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(gè)平行晶面在坐標(biāo)軸上的截距的倒數(shù)來標(biāo)識。晶面指數(shù)：(h1,h2,h3）;h1,h2,h3原子面密度：原子個(gè)數(shù)/單位面積（110）面上的原子密度最大第15頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四等效晶面第16頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四硅片鑒別方法（SEMI標(biāo)準(zhǔn)）雙級集成電路工藝CMOS集成電路工藝第17頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.2.3 堆積模型圖密堆積模型密排面兩層密排面第18頁，共49頁，2022年，5月

6、20日，1點(diǎn)32分，星期四密堆積類型：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第19頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.2.4 雙層密排面雙層密排面特點(diǎn)： 密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，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第20頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四金剛石晶面性質(zhì)： 1.由于111雙

7、層密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，面間結(jié)合力弱，故晶體易沿111解理面劈裂 2.面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，化學(xué)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(kuò)展 4.面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，能量低，晶體生長中有生成（111）晶面的趨勢返回第21頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.3 硅晶體中的缺陷點(diǎn)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(cuò)、螺位錯(cuò)面缺陷：層錯(cuò)、晶粒間界體缺陷：摻入雜質(zhì)的量大于硅可接受的濃度時(shí)，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。返回第22頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分

8、，星期四點(diǎn)缺陷（擴(kuò)散、氧化）返回第23頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四線缺陷刃位錯(cuò)的形成：其根本原因是晶體內(nèi)部應(yīng)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。第24頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四刃位錯(cuò)的形成第25頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四螺位錯(cuò)的形成返回實(shí)際晶體中的位錯(cuò)線為一曲線，為混合位錯(cuò)第26頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四面缺陷（層錯(cuò)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(cuò)：是由于原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂引起的。第27頁，共49頁，2022年，5月20

9、日，1點(diǎn)32分，星期四可以通過外延層錯(cuò)測量外延層的厚度。第28頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四返回第29頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.4 硅中的雜質(zhì)1.4.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體電阻率區(qū)分：導(dǎo)體 10-10 cm；絕緣體 108 1012 cm； 半導(dǎo)體 10-6 10 cm 半導(dǎo)體？溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力半導(dǎo)體電阻率的高低與所含雜質(zhì)濃度密切相關(guān)第30頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.4 硅中的雜質(zhì) 本征半導(dǎo)體：不摻雜的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體

10、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1.17 Si和 GaAs中本征載流子濃度與溫度的關(guān)系 實(shí)際使用的半導(dǎo)體：在純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，使它的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型改變。改變的原因：摻雜半導(dǎo)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)系第31頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四N 型半導(dǎo)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(xiàn)電子的原子（P）稱為施主雜質(zhì)。 電子濃度增加導(dǎo)致導(dǎo)電能力增強(qiáng)。第32頁，共49頁，2022年

11、，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四P 型半導(dǎo)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(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。第33頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四摻雜半導(dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償定義：不同類型雜質(zhì)對導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象對導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力的影響？實(shí)際應(yīng)用？ PN 結(jié)在一塊半導(dǎo)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)第34頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四摻雜半導(dǎo)體 雜質(zhì)類型：施主、受主： 硼、磷等特殊雜質(zhì)：金（擴(kuò)散速率快，作為壽命控制雜

12、質(zhì)）玷污雜質(zhì)：碳、氧碳 會導(dǎo)致p-n結(jié)的過早擊穿氧 生成絡(luò)合物，起施主作用返回第35頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1.5 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第36頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四固溶體分類：替位式固溶體 雜質(zhì)占據(jù)格點(diǎn)位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

13、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)在硅中的溶解度第37頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四施主（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(dǎo)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)在硅中的溶解度第38頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四晶體生長第39頁，共49頁，2

14、022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四1、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(yīng)原材料多晶半導(dǎo)體第40頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四3、利用分餾法將三氯化硅（沸點(diǎn)為32）液體中不要的雜質(zhì)去除，再與氫氣作還原反應(yīng)，產(chǎn)生“電子級硅”（electronic-grade silicon，EGS）原材料多晶半導(dǎo)體第41頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四多晶半導(dǎo)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

15、生產(chǎn)高純度的硅單晶第42頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四直拉法柴可拉斯基拉晶儀第43頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四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(hù)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(dá)300mm以上，長度一般12m)第44頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四硅的懸浮區(qū)熔工藝第45頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32分，星期四在操作過程中，利用射頻加熱器使一小區(qū)域的多晶棒熔融。射頻加熱器自底部籽晶往上掃過整個(gè)多晶棒，由此熔融帶也會掃過整個(gè)多晶棒。當(dāng)懸浮熔區(qū)上移時(shí)，在再結(jié)晶處長出單晶且以籽晶方向延伸生長。該方法可生產(chǎn)比直拉法更高阻值的物質(zhì)，主要用于需要高阻率材料的器件，如高功率、高壓等器件。硅的懸浮區(qū)熔工藝返回第46頁，共49頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)32