Chap.1 硅的制備及其晶體結構.ppt

1、天津工業(yè)大學,晶體的概念及硅材料的特點,1,單晶硅片的制備,2,3,硅晶體中的雜質,4,5,硅晶體中的缺陷,單晶硅的晶體結構特點,Chap.1 硅的制備及其晶體結構,天津工業(yè)大學,物質存在形式,天津工業(yè)大學,無定形體和晶體,天津工業(yè)大學,多晶體,天津工業(yè)大學,天津工業(yè)大學,晶體結構的基本特征：原子（或分子、離子）在三維空間 呈周期性重復排列（periodic repeated array） ， 即存在長程有序（long-range order） 性能上兩大特點：固定的熔點（melting point）, 各向異性（anisotropy）,晶體的特點,天津工業(yè)大學,1.1 硅材料的特點,硅器件室

2、溫下有較佳的特性 熱穩(wěn)定性好，更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限 高品質的氧化硅可由熱生長的方式較容易地制得 硅元素含量豐富（25），成本低 高頻、高速場合特性較差,天津工業(yè)大學,硅片與封裝好的模塊,天津工業(yè)大學, 1.2 單晶硅片的制備,石英巖，硅砂（SiO2）,天津工業(yè)大學,1.2.1 多晶硅的制備,石英巖 （高純度硅砂）,天津工業(yè)大學,直拉法 （Czochralski法) 區(qū)域熔融法 （Floating Zone法）,1.2.2 單晶硅錠的制備,天津工業(yè)大學,直拉法（CZ）,天津工業(yè)大學,區(qū)域熔融法（FZ）,區(qū)域提煉系統(tǒng)的原理圖,天津工業(yè)大學,區(qū)域熔融系統(tǒng)的原理圖,直拉法系統(tǒng)的原理圖,天津

3、工業(yè)大學,直拉法和區(qū)熔法的比較,天津工業(yè)大學,1.2.3 IC制造的基本工藝流程,天津工業(yè)大學,1.2.4 硅片(晶園、wafer)的制備,天津工業(yè)大學,定位邊研磨,天津工業(yè)大學,硅片的定位邊,D200mm:,天津工業(yè)大學,硅片拋光和倒角,天津工業(yè)大學,硅片的CMP拋光,天津工業(yè)大學,1.3 硅晶體結構特點,晶胞：最大限度反映晶體對稱性的最小單元 原胞：晶體中最小的周期性重復單元,天津工業(yè)大學,金剛石結構（Si、Ge、GaAs）,天津工業(yè)大學,原子密度及晶體內部空隙,原子密度 晶格常數(shù)a (Si=5.43) 原子密度晶胞中包含原子個數(shù)/晶胞體積 晶體內部空隙 空間利用率晶胞包含原子個數(shù)*原子體

4、積/晶胞總體積,天津工業(yè)大學,金剛石結構,8個頂點原子；6個面心原子 4個體心原子 總原子個數(shù)1348 晶格常數(shù)為a (Si=5.43) 硅晶體中的原子密度為：8/a3=5*1022/cm2 硅原子的半徑 硅晶體中的空間利用率,天津工業(yè)大學,1.4 晶體中的晶面,晶向、晶面、米勒指數(shù),晶向 晶向 晶向,天津工業(yè)大學,面心立方結構（FCC）中的（123）晶面,天津工業(yè)大學,金剛石結構中的晶面,天津工業(yè)大學,常見晶面的面密度,天津工業(yè)大學,之前我們討論的都是完美的晶體，i.e.具有完美的周期性排列。 但是由于晶格粒子本身的熱振動、晶體生長過程中外界的影響、外界雜質的摻入、外部電、機械、磁場等應力的

5、影響等等因素，使得晶格粒子的排列在一定范圍內偏離完美的周期性。這種偏離晶格周期性的情況就稱為缺陷（defect）。 缺陷是不能完全避免的，實際中理想的完美晶體也是不存在的，雖然在某些情況下，缺陷的存在會造成一些危害，然而缺陷在半導體應用中有著非常重要的作用。,1.5 硅晶體中的缺陷,天津工業(yè)大學,缺陷的分類,點缺陷 線缺陷 位錯 面缺陷 層錯 體缺陷 雜質的沉積,自間隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗倫克爾缺陷,外來原子缺陷（替位或間隙式）,天津工業(yè)大學,點缺陷空位 Point defects - Vacancies,空位即晶格中組成粒子的缺失，如果一個晶格正常位置上的原子跑到表面，在體內留下一個

6、晶格空位，則稱為肖特基（ Schottky ）缺陷。,空位 : 點缺陷（point defect) 晶格中點的范圍內產生,空位是可以在晶格中移動的,天津工業(yè)大學,空位（ Vacancies ）,空位的產生需要打破化學鍵，因而需要一定的能量，空位的數(shù)量隨溫度的增加而增加。 在不考慮雜質的情況下（即本征intrinsic 情況下），含有N個粒子的晶體，在溫度為T時空位的平衡濃度為：,EV 是空位產生能量， kB 是Boltzmann常數(shù)，常溫下肖特基缺陷濃度約為1*1010cm-3,天津工業(yè)大學,間隙原子（Interstitials）,晶格中存在著大量的空隙，如果有原子偏離了自身的晶格位置進入間隙

7、位置，則成為了間隙原子。 顯然，間隙原子也是一種點缺陷，當間隙原子和晶格原子大小相當時，會引起很大的晶格破壞，因而需要很大的能量。 如果間隙原子的體積比晶格原子小的多，則可以穩(wěn)定存在。,天津工業(yè)大學,弗蘭克爾缺陷（Frenkel Defects）,通?？瘴缓烷g隙原子是成對出現(xiàn)的，離子離開它原來的位置進入間隙形成間隙離子，同時留下一個空位。這種缺陷成為Frenkel Defect，它仍然是電中性的。,Frenkel defects 可以由光照或者熱激發(fā)，而且也可以自身復合消失，放出一定的能量（發(fā)光）。,天津工業(yè)大學,線缺陷位錯 Line Defects - dislocations,晶體中的位錯

8、可以設想是在外力的作用下由滑移引起的，滑移后兩部分晶體重新吻合，滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的交界處形成位錯。,天津工業(yè)大學,刃位錯 Edge dislocations,滑移量的大小和反向可用滑移矢量B（Burgers vector ）來描述，當位錯線與滑移矢量垂直時，稱為刃位錯。,懸掛鍵可以給出一個電子或從晶體中接受一個電子，從而對晶體的電學性質產生影響。,天津工業(yè)大學,螺位錯 Screw dislocations,當位錯線與滑移矢量平行時，稱為螺位錯。,天津工業(yè)大學,對一般晶體而言，沿某些晶面往往容易發(fā)生滑移，這樣的晶面稱為滑移面。構成滑移面的條件時該面上的原子面密度大，而晶面之間

9、的原子價鍵密度小，且間距大。對于硅晶體來說，111晶面中，雙層密排面之間原子價鍵密度最小，結合最弱，因此滑移常沿111面發(fā)生。,除了應力形變可以產生位錯外，晶格失配也可以引起位錯。若某一部分摻入較多的外來原子，就會使晶格發(fā)生壓縮或膨脹，在摻雜和未摻雜的兩部分晶體界面上就會產生位錯，以減少因晶格失配產生的應力。,天津工業(yè)大學,面缺陷層錯 Side defects,多晶的晶粒間界是最明顯的面缺陷，晶粒間界是一個原子錯排的過渡區(qū)。在密堆積的晶體結構中，層錯又稱為堆積層錯，是由原子排列順序發(fā)生錯亂引起的。層錯并不改變晶體的電學性質，但是會引起擴散雜質分布不均勻等影響。,天津工業(yè)大學,體缺陷 Body

10、defects,當向晶體中摻入雜質時，因為雜質在晶體中的溶解度是有限的，如果摻入數(shù)量超過晶體可接受的濃度時，雜質將在晶體中沉積，形成體缺陷。這是一種三維尺度上的缺陷。,天津工業(yè)大學,1.6 硅中雜質 Impurities,制備純的晶體是非常困難的，因為在制備的過程中周圍的氣氛以及容器中的原子會進入晶體替代晶體本身的原子，這種外來的其他原子就稱為雜質（ impurities）。 雜質會對晶體的性質產生很大的影響，既有有利的也有不利的，我們經常會向晶體中加入雜質（ impurities or dopants）來達到某種目的，這個過程就是摻雜（doping）。,天津工業(yè)大學,天津工業(yè)大學,本征硅（S

11、ilicon）,本征硅（intrinsic）,本征載流子濃度,天津工業(yè)大學,n型半導體（ n-type semiconductor ）,摻雜硅（Doped Silicon）,As是五價元素，多余一個電子，相當與它給出一個電子，是施主(donor)。 摻入As的Si是非本征(extrinsic)半導體，它是電子導電，電子帶負電(negative)，所以稱為n型半導體。,天津工業(yè)大學,施主：雜質在帶隙中提供帶有電子的能級，能級略低于導帶底的能量，和價帶中的電子相比較，很容易激發(fā)到導帶中 電子載流子。含有施主雜質的半導體，主要依靠施主熱激發(fā)到導帶的電子導電 n型半導體。,摻雜硅（Doped Sili

12、con）,天津工業(yè)大學,摻雜硅（Doped Silicon）,p型半導體（ p-type semiconductor ）,B是三價元素，少一個電子，相當與它接受了一個電子，是受主(acceptor)。 摻入B的Si是非本征(extrinsic)半導體，它是空穴導電，空穴帶正電(positive)，所以稱為p型半導體。,天津工業(yè)大學,摻雜硅（Doped Silicon）,受主：雜質提供帶隙中空的能級，電子由價帶激發(fā)到受主能級要比激發(fā)到導帶容易的多。主要含有受主雜質的半導體，因價帶中的一些電子被激發(fā)到施主能級，而在價帶中產生許多空穴，主要依靠這些空穴導電 p型半導體。,天津工業(yè)大學,淺能級（類氫雜

13、質能級）雜質,N型半導體：在IV族（Si，Ge）族化合物中摻入V族元素（P，As，Sb）；在IIIV族化合物中摻入VI族元素取代V族元素。特點為半導體材料中有多余的電子。 P型半導體：在IV族（Si，Ge）族化合物中摻入III族元素（Al，Ga，In）；在IIIV族化合物中摻入II族元素取代III族元素。特點為半導體材料中形成空穴。 摻入多一個電子的原子，電子的運動類似于氫原子中電子的情況。 以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質能級，其特點為束縛能很小，對于產生電子和空穴特別有效，施主或受主的能級非常接近導帶或價帶，被稱為淺能級雜質。,天津工業(yè)大學,深能級雜質,一些摻雜半導體中的雜質或缺陷在帶隙中引入的能級較深，被稱為深能級雜質。一般情況下深能級雜質大多為多重能級。,深能級雜質和缺陷的作用 1) 可以成為有效復合中心，大大降低載流子的壽命； 2) 可以成為非輻射復合中心，影響半導體的發(fā)光效率； 3) 可以作為