集成電路工藝基礎(chǔ)--硅的晶體結(jié)構(gòu)

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=5×1022/cm3鍺晶胞的原子密度:8/a3=4.425×1022/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)在其中存在并運動創(chuàng)造了條件?！?.2晶晶向向、、晶晶面面和和堆堆積積模模型型1.2.1晶晶向向晶列列：：晶格格中中的的原原子子處處在在的的一一系系列列方方向向相相同同的的平平行行直直線線系系上上晶向向：：一族族晶晶列列所所指指的的方方向向，，可可由由連連接接晶晶列列中中相相鄰鄰格格點點的的矢矢量量的的方方向向來來標(biāo)標(biāo)記記。。晶向向指指數(shù)數(shù)：：[m1,m2,m3];<m1,m2,m3>原子子線線密密度度：：原子子個個數(shù)數(shù)/單單位位長長度度不同同晶晶向向氧氧化化速速率率、、腐腐蝕蝕速速率率不不同同<110>方方向上的原子子線密度最大大晶向的表示方方法等效晶向（1）等效晶向（2）1.2.2晶晶面晶面：晶格中的原子子處在的一系系列彼此平行行的平面系晶面方向：晶面的法線方方向，可由相相鄰的兩個平平行晶面在坐坐標(biāo)軸上的截截距的倒數(shù)來來標(biāo)識。晶面指數(shù)：(h1,h2,h3）;{h1,h2,h3}原子面密度：：原子個數(shù)/單單位面積（110）面面上的原子密密度最大等效晶面硅片鑒別方法法（SEMI標(biāo)準(zhǔn)）雙級集成電路工藝CMOS集成成電路工藝1.2.3堆堆積模型圖圖密堆積模型密排面兩層密排面密堆積類型：：ABAB…..六角密積積ABCABC…..立方方密積密堆積類型通過對面心立立方晶格中（（111）面面原子的觀察察：面心立方晶格格的（111）面是密排排面面心立方晶格格的（111）面之間的的堆積是立方方密積1.2.4雙雙層密排排面雙層密排面特特點：密排面面內(nèi)原原子結(jié)合力強強，面間結(jié)合合力弱金剛石晶格是是由兩套面心心立方晶格套套構(gòu)而成，故故其{111}晶面是原原子密排面。。硅晶體的堆積積次序是：AA′BB′′CC′′AA′′BB′′CC′′···硅晶體的密排排面為雙層密密排面金剛石晶面性性質(zhì)：1.由于{111}雙層層密排面面內(nèi)內(nèi)原子結(jié)合力力強，面間結(jié)結(jié)合力弱，故故晶體易沿{111}解解理面劈裂2.面內(nèi)原子子結(jié)合力強，，化學(xué)腐蝕比比較困難和緩緩慢，所以腐腐蝕后容易暴暴露在表面上上3.由于{111}雙層層密排面之間間距離很大，，結(jié)合力弱,晶格缺陷易易在面間形成成和擴展4.面內(nèi)原子子結(jié)合力強，，能量低，晶晶體生長中有有生成（111）晶面的的趨勢返回1.3硅晶晶體中的缺陷陷點缺陷：自間隙原子、、空位、肖特基缺陷、、弗侖克爾缺缺陷線缺陷：刃位錯、螺位位錯面缺陷：層錯、晶粒間間界體缺陷：摻入雜質(zhì)的的量大于硅可可接受的濃度度時，雜質(zhì)將將在晶體中沉沉積，形成體體缺陷。返回點缺陷（擴散散、氧化）返回線缺陷刃位錯的形成成：其根本原原因是晶體內(nèi)內(nèi)部應(yīng)力的存存在金屬雜質(zhì)容易易在線缺陷處處析出，從而而劣化器件的的工作性能。。刃位錯的形成成螺位錯的形成成返回實際晶體中的的位錯線為一一曲線，為混混合位錯面缺陷（層錯錯和晶粒間界界）如果出現(xiàn)面缺缺陷，則該晶晶體不能用來來制作集成電電路。層錯：是由于于原子排列次次序發(fā)生錯亂亂引起的?？梢酝ㄟ^外延延層錯測量外外延層的厚度度。返回§1.4硅硅中的雜質(zhì)1.4.1導(dǎo)導(dǎo)體、半半導(dǎo)體和絕緣緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體體和絕緣體電阻率區(qū)分：：導(dǎo)體10-10Ω·cm；；絕緣體108～1012Ω·cm；；半導(dǎo)體10-6～10Ω··cm半導(dǎo)體？溫度升高使半半導(dǎo)體導(dǎo)電能能力增強，電電阻率下降適當(dāng)波長的光光照可以改變變半導(dǎo)體的導(dǎo)導(dǎo)電能力半導(dǎo)體電阻率率的高低與所所含雜質(zhì)濃度度密切相關(guān)§1.4硅硅中的雜質(zhì)本征半導(dǎo)體：：不摻雜的半半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中中的載流子通過熱激發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生的電子和和空穴對（與與溫度有關(guān)））參考P14圖圖1.17Si和GaAs中本征載流子濃濃度與溫度的的關(guān)系實際使用的半半導(dǎo)體：在純純凈的半導(dǎo)體體中摻入某些些雜質(zhì)，使它它的導(dǎo)電能力力和導(dǎo)電類型型改變。改變的原因：：摻雜半導(dǎo)體體中某種載流流子濃度大大大增加參考P15圖圖1.18電阻率與雜質(zhì)質(zhì)濃度的關(guān)系系N型半導(dǎo)體（Ⅴ族元素）+4+4+5+4多余電子磷原子多余電子只受受P原子核庫庫侖勢的吸引引，故小能量量即可使其脫脫離P原子核核的束縛成為為自由電子。。處于晶格位置置又能貢獻電電子的原子（（P）稱為施施主雜質(zhì)。電子濃度增加加導(dǎo)致導(dǎo)電能能力增強。P型半導(dǎo)體（III族元元素）+4+4+3+4空穴硼原子能提供多余空空穴的雜質(zhì)稱稱為受主雜質(zhì)質(zhì)。P型半導(dǎo)體中空空穴是多子，，電子是少子子。摻雜半導(dǎo)體雜質(zhì)補償定義：不同類型雜質(zhì)質(zhì)對導(dǎo)電能力力相互抵消的的現(xiàn)象對導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力的影響？實際應(yīng)用？PN結(jié)在一塊半導(dǎo)體體中，一部分分摻入N型雜雜質(zhì)，另一部部分摻入P型型雜質(zhì)，那么么在兩種雜質(zhì)質(zhì)濃度相等處處就形成P-N結(jié)。制造器件和集成電電路的基礎(chǔ)摻雜半導(dǎo)體雜質(zhì)類型：施主、受主：：硼、磷等等特殊雜質(zhì)：金金（擴散速率率快，作為壽壽命控制雜質(zhì)質(zhì)）玷污雜質(zhì)：碳碳、氧碳會導(dǎo)致致p-n結(jié)的的過早擊穿氧生成絡(luò)合合物，起施主主作用返回§1.5雜雜質(zhì)在硅中的的溶解度雜質(zhì)在硅中的的溶解度是集成電路和和器件的制造造過程中選擇擇雜質(zhì)的重要依據(jù)。固溶體：元素素B溶入元素素A中后仍保保持元素A的的晶體結(jié)構(gòu)，，那么A晶體體稱為固溶體體。固溶度：雜質(zhì)質(zhì)在晶體中的的最大溶解度度固溶體分類：：替位式固溶體體雜質(zhì)占據(jù)格點點位置形成替位式固固溶體必要條條件：溶質(zhì)原子半徑徑的大小接近近溶劑原子半半徑，若溶質(zhì)質(zhì)原子半徑與與溶劑原子半半徑相差大于于15%，則則可能性很小小。（幾何何有利因素））連續(xù)固溶體（一種物質(zhì)可無無限溶解于另另一種物質(zhì)中中）需為替位式固固溶體，且溶溶劑和溶質(zhì)原原子外部電子子殼層結(jié)構(gòu)相相似大部分施主和和受主雜質(zhì)都都與硅形成替替位式固溶體體間隙式固溶體體雜質(zhì)存在間隙隙中§1.5雜雜質(zhì)在硅中的的溶解度施主（受主））雜質(zhì)的溶解解度，將隨晶晶體中的受主主（施主）雜雜質(zhì)含量的增增加而增大某種施主（受受主）雜質(zhì)的的存在會導(dǎo)致致其它施主（（受主）雜質(zhì)質(zhì)的溶解度的的下降選擇雜質(zhì)的依依據(jù)：雜質(zhì)的的固溶度是否否大于所要求求的表面濃度度參考P19圖圖1-20在在硅晶體中中的固溶度隨隨溫度的關(guān)系系§1.5雜雜質(zhì)在硅中的的溶解度晶體生長1、起始材料料：石英巖（（高純度硅砂砂）2、將純度為為98％的冶冶金級的硅粉粉碎，與氯化化氫反應(yīng)原材料－多晶晶半導(dǎo)體3、利用分餾餾法將三氯化化硅（沸點為為32℃）液液體中不要的的雜質(zhì)去除，，再與氫氣作作還原反應(yīng)，，產(chǎn)生“電子子級硅”（electronic-gradesilicon，EGS）原材料－多晶晶半導(dǎo)體多晶半導(dǎo)體－－單晶直拉法（Czochralski法）單單晶生長從融體（即其其材料是以液液態(tài)的形式存存在）中生長長單晶硅的技技術(shù)絕大多數(shù)單晶晶硅的主流生生產(chǎn)技術(shù)下一頁懸浮區(qū)熔法單單晶生長用來生產(chǎn)高純純度的硅單晶晶直拉法柴可拉斯基拉拉晶儀直拉法直拉法是熔融融態(tài)物質(zhì)的結(jié)結(jié)晶的過程直拉法需要的材料：：電子級純度度的硅,將石石英還原提純純至99.999999999%生長系統(tǒng):抽抽真空的腔室室內(nèi)放置坩堝堝（熔融石英英），腔室內(nèi)內(nèi)充保護性氣氣氛（氬氣）），將坩堝加加熱至1500℃左右，籽晶（（直徑0.5cm,10cm長）降降下來與熔料料相接觸隨著籽晶的提提拉，生成柱柱狀晶錠（直直徑可達300mm以上上，長度一般般1~2m)硅的懸浮區(qū)熔熔工藝在操作過程中中，利用射頻頻加熱器使一一小區(qū)域的多多晶棒熔融。。射頻加熱器器自底部籽晶晶往上掃過整整個多晶棒，，由此熔融帶帶也會掃過整整個多晶棒。。當(dāng)懸浮熔區(qū)區(qū)上移時，在在再結(jié)晶處長長出單晶且以以籽晶方向延延伸生長。該方法可生產(chǎn)產(chǎn)比直拉法更更高阻值的物物質(zhì)，主要用用于需要高阻阻率材料的器器件，如高功功率、高壓等等器件。硅的懸浮區(qū)熔熔工藝返回磨光后單晶硅硅晶片的規(guī)格格返回exercise簡答題硅雙層密排面面特點施主雜質(zhì)、受受主雜質(zhì)舉舉例選擇雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)answer硅雙層密排面面的特點：{111}雙雙層密排面面面內(nèi)原子結(jié)合合力強，面間間結(jié)合力弱施主雜質(zhì)、受受主雜質(zhì)舉舉例施主雜質(zhì)：如如P,As等受主雜質(zhì)：如如B,Ga等等選擇雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)雜質(zhì)的固溶度度大于需要的的雜質(zhì)的表面面濃度9、靜靜夜夜四四無無鄰鄰，，荒荒居居舊舊業(yè)業(yè)貧貧。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。21:59:2321:59:2321:5912/28/20229:59:23PM11、以我獨沈久久，愧君相見見頻。。12月-2221:59:2321:59Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。21:59:2321:59:2321:59Wednesday,December28,202213、乍見翻疑疑夢，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2221:59:2321:59:23December28,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。28十十二月20229:59:23下午午21:59:2312月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月229:59下下午12月-2221:59December28,202216、行動動出成成果，，工作作出財財富。。。2022/12/2821:59:2321:59:2328December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。9:59:23下午午9:59下午午21:59:2312月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有結(jié)果果，但但是不不努力力卻什什么改改變也也沒有有。。。21:59:2321:59:2321:5912/28/20229:59:23PM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2221:59:2321:59Dec-2228-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。21:59:2321:59:2321:59Wednesday,December28,202213、不不知知香香積積寺寺，，數(shù)數(shù)里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2221:59:2321:59:23December28,202214、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。28十十二月20229:59:23下午午21:59:2312月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荊門門九派派通。。。。十二月月229:59下下午午12月月-2221:59December28,202216、少年十五五二十時，，步行奪得得胡馬騎。。。2022/12/2821:59:2321:59:2328December202217、空山新雨雨后，天氣氣晚來秋。。。9:59:23下下午9:59下下午21:59:2312月-229、楊柳散散和風(fēng)，，青山澹澹吾慮。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱讀一切好好書如同和過過去最杰出的的人談話。21:59:2321:59:2321:5912/28/20229:59:23PM11、越是是沒有有本領(lǐng)領(lǐng)的就就越加加自命命不凡凡。12月月-2221:59:2321:59Dec-2228-Dec-2212、越越