硅的晶体结构.ppt

第一章硅的晶体结构 本章主要内容 硅晶体结构的特点晶向 晶面和堆积模型硅晶体中的缺陷硅中杂质杂质在硅晶体中的溶解度 硅晶体结构的特点 单晶 整个晶体由单一的晶格连续组成 多晶 晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成 晶体是由质点在三维空间中按一定规则作周期重复性排列所构成的 晶体的这种周期性结构称为晶格 体心立方 面心立方 简单立方 常见的晶格结构 硅原子构成的一个面心立方原胞内还有四个原子 分别位于四个空间对角线的1 4处 硅的晶体结构和碳 锗一样 是金刚石结构的半导体晶体 硅晶体结构的特点 硅晶体结构的特点 硅的晶体结构 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元 称为晶胞 硅晶体结构的特点 硅的晶胞结构 在由硅原子构成的一个面心立方原胞内 还有四个硅原子 分别位于四个空间对角线的1 4处 硅和锗的晶格结构相同 但晶胞边长a 晶格常数 不同 300K时 硅的a 5 4305 锗的a 5 6463 一 晶胞 顶角 1 8 面心 1 2 体心 1 锗晶胞 8 a3 4 425 1022 cm3 一个硅晶胞中的原子数 8 1 8 6 1 2 4 8 二 原子密度 硅晶体的原子密度 硅 a 5 4305 硅的原子密度 8 a3 5 1022 cm3 硅晶体结构的特点 晶胞单位体积所含的原子数 称为原子密度 硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同 但任何一原子都有4个最近邻的原子 与之形成共价键 一个原子处在正四面体的中心 其它四个与它共价的原子位于四面体的顶点 这种四面体称为共价四面体 三 共价四面体 硅晶体结构的特点 四 晶体内部的空隙 硅晶体结构的特点 金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的空隙 晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径 晶向 晶面和堆积模型 一 晶向 晶列 晶格中的原子总可以被看作是处在一系列方向相同的平行直线系上 这种直线系称为晶列 同一晶体中存在许多取向不同的晶列 晶向 一族晶列所指的方向称为晶向 而任何晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量方向来标记 晶向指数 m1 m2 m3 等价概括 原子线密度 晶向上单位长度内的原子个数 硅晶体中不同晶向和晶面上的原子排列情况是不相同的 不同的排列对器件的制造有着重要的影响 以中心点O为原点 晶向 晶面和堆积模型 二 晶面 晶面 晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上 这种平面系称为晶面 晶面指数 相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数 晶面指数 h1 h2 h3 h1 h2 h3 等效晶面族 原子面密度 晶面上单位面积的原子数 晶向 晶面和堆积模型 100 晶面原子面密度 密堆积模型 晶向 晶面和堆积模型 三 堆积模型图 六角密积 立方密积 晶向 晶面和堆积模型 ABAB ABCABC ABAB 六角密积ABCABC 立方密积 硅晶体的堆积次序是AA BB CC AA BB CC 为双层密排面 密排面为 111 面 密堆积类型 晶向 晶面和堆积模型 晶向 晶面和堆积模型 四 双层密排面 密排面面内原子结合力强 面间结合力弱 金刚石晶面性质 双层密排面特点 1 由于 111 双层密排面面内原子结合力强 两个双层面间结合力弱 故晶体易沿 111 晶面劈裂 2 面内原子结合力强 化学腐蚀比较困难和缓慢 所以腐蚀后容易暴露在表面上 3 由于 111 双层密排面之间距离很大 结合力弱 晶格缺陷易在面间形成和扩展 4 面内原子结合力强 能量低 晶体生长中有生成 111 晶面的趋势 硅晶体中的缺陷 一 点缺陷 点缺陷主要包括 自间隙原子 空位 肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷 外来原子 替位式或间隙式 晶体中主要缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷 沿位错线多挤入的一行原子 各具有一个未成键的电子 这种状态成为悬挂键 硅晶体中的缺陷 二 线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷 可以通过范性形变产生 主要有刃位错和螺位错等 刃位错 已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线 当位错线与滑移矢量垂直时 这样的位错称为刃位错 位错线与滑移矢量平行 称为螺位错 把前后相对位移一个原子间距 晶体剪开 使两边晶体然后粘合 位错线附近的原子排列发生错乱 硅晶体中的缺陷 螺位错 硅晶体中的缺陷 三 面缺陷 在密堆积的晶体结构中 由于堆积次序发生错乱 称为堆垛层错 简称层错 层错是一种区域性的缺陷 在层错以内及以外的原子都规则排列 只是在两部分交界面处原子排列发生错乱 所以它是一种面缺陷 四 体缺陷 掺入杂质的量大于硅可接受的浓度时 杂质将在晶体中沉积 形成体缺陷 一 导体 半导体和绝缘体 导体10 10 cm绝缘体108 1012 cm半导体10 6 10 cm 本征半导体 不掺杂的半导体本征半导体中的载流子 通过热激发产生的电子和空穴对 与温度有关 杂质半导体 在纯净的半导体中掺入某些杂质 使它的导电能力改变 硅中杂质 二 N型半导体 多余电子只受磷原子实库仑势的吸引 故有小能量既可运动成为自由电子 电子浓度大大增加导致导电能力增强 能提供多余电子的杂质称为施主杂质 硅中杂质 三 P型半导体 能提供多余空穴的杂质称为受主杂质 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 硅中杂质 硅片中同时有浅施主和浅受主时 导电类型和载流子浓度数量由杂质浓度差决定在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 这是制造器件和集成电路的基础杂质类型 施主 受主 磷 硼等特殊杂质 金 扩散速率快 作为寿命控制杂质 玷污杂质 碳 氧碳会导致p n结的击穿氧生成络合物 起施主作用 硅中杂质 杂质在硅中的溶解度 杂质在硅中的溶解度是集成电路和器件的制造过程中选择杂质的重要依据 当把一种元素B 溶质 引入到另一种元素A 溶剂 的晶体中时 在达到一定浓度之前 不会有新相产生 而保持原来晶体A内的晶体结构 这样的晶体称为固溶体 固溶体 固溶度 在一定温度和平衡态下 元素B能够溶解到晶体A内的最大浓度 称为杂质在A内的固溶度 即最大溶解度 杂质在硅中的溶解度 固溶体分类 替位式固溶体 间隙式固溶体 替位式固溶体的主要特点 溶质 杂质 原子占据溶剂 原晶体 晶格格点上的正常位置 而且溶质原子在格点上的分布是无序的 间隙式固溶体的主要特点 溶质 杂质 原子存在于溶剂 原晶体 晶格格点的间隙中 其分布也是无规则的 在半导体器件和集成电路制造中的施主和受主杂质 在晶体中都是以替位形式存在 连续固溶体 一种物质可无限溶解于另一种物质中 形成连续固溶体的必要条件溶质原子与溶剂原子的大小接近 溶剂和溶质原子外部电子壳层结构相似且晶体结构相似 必须是替位式固溶体 施主 受主 杂质的溶解度 将随晶体中的受主 施主 杂质含量的增加而增大某种施主 受主 杂质的存在会导致其它施主 受主 杂质的溶解度的下降选择杂质的依据 杂质的固溶度是否大于所要求的表面浓度 杂质在硅中的溶解度 硅单晶材料的制备 直拉法单晶生长 区熔法单晶生长 一 直拉法 直拉法是绝大多数晶体的主流生产技术 是熔融态物质的结晶的过程 需要的材料 电子级纯度的多晶硅 将石英还原提纯至99 999999999 生长系统 抽真空的腔室内放置坩埚 熔融石英 腔室回充保护性气氛 将坩埚加热至1500 左右 籽晶 直径0 5cm 10cm长 降下来与熔料相接触 随着籽晶的提拉 生成柱状晶锭 直径可达300mm以上 长度一般1 2m Therawmaterialcontains 1ppbimpurities PulledcrystalscontainO 1018cm 3 andC 1016cm 3 plusanyaddeddopantsplacedinthemelt CzochralskiGrowthEquipment 硅单晶材料的制备 二 区熔法 区熔法用来生产高纯度的硅单晶 柱状的高纯多晶材料固定于卡盘 金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶 在金属线圈中通以射频电流 即电感加热 使紧邻的多晶