集成電路工藝基礎(chǔ)-01硅的晶體結(jié)構(gòu)課件

第一章硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長(zhǎng)第一章硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長(zhǎng)第一章硅的晶體結(jié)構(gòu)與單晶生長(zhǎng)§1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.1.1晶胞1、晶格簡(jiǎn)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(duì)稱性質(zhì)的最小單元

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(duì)角線位移四分之一長(zhǎng)度套構(gòu)而成2、晶胞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(duì)角線長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件?！?.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(lái)標(biāo)記。晶向指數(shù)：[m1,m2,m3];<m1,m2,m3>原子線密度：原子個(gè)數(shù)/單位長(zhǎng)度不同晶向氧化速率、腐蝕速率不同<110>方向上的原子線密度最大等效晶向（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(gè)平行晶面在坐標(biāo)軸上的截距的倒數(shù)來(lái)標(biāo)識(shí)。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硅片鑒別方法（SEMI標(biāo)準(zhǔn)）雙級(jí)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(guò)對(duì)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(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(zhǎng)中有生成（111）晶面的趨勢(shì)返回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。返回點(diǎn)缺陷（擴(kuò)散、氧化）返回刃位錯(cuò)的形成螺位錯(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)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(lái)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?！?.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10-10Ω·cm；絕緣體108～1012Ω·cm；半導(dǎo)體10-6～10Ω·cm半導(dǎo)體？溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降適當(dāng)波長(zhǎng)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)§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)體中的載流子通過(guò)熱激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴對(duì)（與溫度有關(guān)）參考P14圖1.17Si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P原子核庫(kù)侖勢(shì)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)。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。摻雜半導(dǎo)體

雜質(zhì)補(bǔ)償定義：不同類型雜質(zhì)對(duì)導(dǎo)電能力相互抵消的現(xiàn)象對(duì)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)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，作為壽命控制雜質(zhì)）玷污雜質(zhì)：碳、氧碳會(huì)導(dǎo)致p-n結(jié)的過(guò)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(guò)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(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（一種物質(zhì)可無(wú)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(huì)導(dǎo)致其它施主（受主）雜質(zhì)的溶解度的下降參考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)在硅中的溶解度晶體生長(zhǎng)1、起始材料：石英巖（高純度硅砂）2、將純度為98％的冶金級(jí)的硅粉碎，與氯化氫反應(yīng)原材料－多晶半導(dǎo)體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(jí)硅”（electronic-gradesilicon，EGS）原材料－多晶半導(dǎo)體多晶半導(dǎo)體－單晶直拉法（Czochralski法）單晶生長(zhǎng)從融體（即其材料是以液態(tài)的形式存在）中生長(zhǎng)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(yè)懸浮區(qū)熔法單晶生長(zhǎng)用來(lái)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(guò)程直拉法需要的材料：電子級(jí)純度的硅,將石英還原提純至99.999999999%生長(zhǎng)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(zhǎng)）降下來(lái)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(zhǎng)度一般1~2m)硅的懸浮區(qū)熔工藝在操作過(guò)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(guò)整個(gè)多晶棒，由此熔融帶也會(huì)掃過(guò)整個(gè)多晶棒。當(dāng)懸浮熔區(qū)上移時(shí)，在再結(jié)晶處長(zhǎng)出單晶且以籽晶方向延伸生長(zhǎng)。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