工艺技术_集成电路工艺基础—硅的晶体结构培训课件

第一章硅的晶体结构与单晶生长 第一章硅的晶体结构与单晶生长 第一章硅的晶体结构与单晶生长 1 1硅晶体结构的特点1 2晶向 晶面和堆积模型1 3硅晶体中的缺陷1 4硅中的杂质1 5杂质在硅晶体中的溶解度1 6硅单晶生长 第一章硅的晶体结构与单晶生长 下一页 1 1硅晶体结构的特点 1 1 1晶胞 1 晶格 简单立方体心立方面心立方 2 晶胞 定义 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元 300K时 硅的a 5 4305 锗的a 5 6463 硅晶胞 金刚石结构 两套面心立方格子沿体心对角线位移四分之一长度套构而成 2 晶胞 1 1 2原子密度 顶角 1 8 面心 1 2 体心 4一个硅晶胞中的原子数 8 1 8 6 1 2 4 8每个原子所占空间体积为 a3 8硅晶胞的原子密度 8 a3 5 1022 cm3锗晶胞的原子密度 8 a3 4 425 1022 cm3 原子密度 原子个数 单位体积 1 1 3共价四面体 一个原子在正四面体的中心 其它四个同它共价的原子位于正四面体的顶点 这种四面体称为共价四面体 最小原子间距 即正四面体中心原子到顶角原子的距离 即晶胞对角线长的四分之一 1 1 4晶体内部的空隙 硅原子半径 rsi 1 17 硅原子体积 单位原子在晶格中占有的体积 空间利用率 硅原子体积 单位原子在晶格中占有的体积约为34 返回 空隙为杂质在其中存在并运动创造了条件 1 2晶向 晶面和堆积模型 1 2 1晶向晶列 晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上晶向 一族晶列所指的方向 可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记 晶向指数 m1 m2 m3 原子线密度 原子个数 单位长度不同晶向氧化速率 腐蚀速率不同方向上的原子线密度最大 晶向的表示方法 等效晶向 1 等效晶向 2 1 2 2晶面 晶面 晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系晶面方向 晶面的法线方向 可由相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数来标识 晶面指数 h1 h2 h3 h1 h2 h3 原子面密度 原子个数 单位面积 110 面上的原子密度最大 等效晶面 硅片鉴别方法 SEMI标准 双级集成电路工艺 CMOS集成电路工艺 1 2 3堆积模型图 密堆积模型 密排面 两层密排面 密堆积类型 ABAB 六角密积ABCABC 立方密积 密堆积类型 通过对面心立方晶格中 111 面原子的观察 面心立方晶格的 111 面是密排面面心立方晶格的 111 面之间的堆积是立方密积 1 2 4双层密排面 双层密排面特点 密排面面内原子结合力强 面间结合力弱 金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成 故其 111 晶面是原子密排面 硅晶体的堆积次序是 AA BB CC AA BB CC 硅晶体的密排面为双层密排面 金刚石晶面性质 1 由于 111 双层密排面面内原子结合力强 面间结合力弱 故晶体易沿 111 解理面劈裂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 返回 1 3硅晶体中的缺陷 点缺陷 自间隙原子 空位 肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷线缺陷 刃位错 螺位错面缺陷 层错 晶粒间界体缺陷 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 返回 点缺陷 扩散 氧化 返回 线缺陷 刃位错的形成 其根本原因是晶体内部应力的存在 金属杂质容易在线缺陷处析出 从而劣化器件的工作性能 刃位错的形成 螺位错的形成 返回 实际晶体中的位错线为一曲线 为混合位错 面缺陷 层错和晶粒间界 如果出现面缺陷 则该晶体不能用来制作集成电路 层错 是由于原子排列次序发生错乱引起的 可以通过外延层错测量外延层的厚度 返回 1 4硅中的杂质 1 4 1导体 半导体和绝缘体导体 半导体和绝缘体电阻率区分 导体10 10 cm 绝缘体108 1012 cm 半导体10 6 10 cm半导体 温度升高使半导体导电能力增强 电阻率下降适当波长的光照可以改变半导体的导电能力半导体电阻率的高低与所含杂质浓度密切相关 1 4硅中的杂质 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 参考P14图1 17Si和GaAs中本征载流子浓度与温度的关系实际使用的半导体 在纯净的半导体中掺入某些杂质 使它的导电能力和导电类型改变 改变的原因 掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加参考P15图1 18电阻率与杂质浓度的关系 N型半导体 族元素 多余电子 磷原子 多余电子只受P原子核库仑势的吸引 故小能量即可使其脱离P原子核的束缚成为自由电子 处于晶格位置又能贡献电子的原子 P 称为施主杂质 电子浓度增加导致导电能力增强 P型半导体 III族元素 空穴 硼原子 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 掺杂半导体 杂质补偿定义 不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象对导电类型和导电能力的影响 实际应用 PN结在一块半导体中 一部分掺入N型杂质 另一部分掺入P型杂质 那么在两种杂质浓度相等处就形成P N结 制造器件和集成电路的基础 掺杂半导体 杂质类型 施主 受主 硼 磷等特殊杂质 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结的过早击穿氧生成络合物 起施主作用 返回 1 5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 固溶体 元素B溶入元素A中后仍保持元素A的晶体结构 那么A晶体称为固溶体 固溶度 杂质在晶体中的最大溶解度 固溶体分类 替位式固溶体杂质占据格点位置形成替位式固溶体必要条件 溶质原子半径的大小接近溶剂原子半径 若溶质原子半径与溶剂原子半径相差大于15 则可能性很小 几何有利因素 连续固溶体 一种物质可无限溶解于另一种物质中 需为替位式固溶体 且溶剂和溶质原子外部电子壳层结构相似大部分施主和受主杂质都与硅形成替位式固溶体间隙式固溶体杂质存在间隙中 1 5杂质在硅中的溶解度 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参考P19图1 20在硅晶体中的固溶度随温度的关系 1 5杂质在硅中的溶解度 晶体生长 1 起始材料 石英岩 高纯度硅砂 2 将纯度为98 的冶金级的硅粉碎 与氯化氢反应 原材料 多晶半导体 3 利用分馏法将三氯化硅 沸点为32 液体中不要的杂质去除 再与氢气作还原反应 产生 电子级硅 electronic gradesilicon EGS 原材料 多晶半导体 多晶半导体 单晶 直拉法 Czochralski法 单晶生长从融体 即其材料是以液态的形式存在 中生长单晶硅的技术绝大多数单晶硅的主流生产技术 下一页 悬浮区熔法单晶生长用来生产高纯度的硅单晶 直拉法 柴可拉斯基拉晶仪 直拉法 直拉法是熔融态物质的结晶的过程直拉法需要的材料 电子级纯度的硅 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 腔室内充保护性气氛 氩气 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 硅的悬浮区熔工艺 在操作过程中 利用射频加热器使一小区域的多晶棒熔融 射频加热器自底部籽晶往上扫过整个多晶棒 由此熔融带也会扫过整个多晶棒 当悬浮熔区上移时 在再结晶处长出单晶且以籽晶方向延伸生长 该方法可生产比直拉法更高阻值的物质 主要用于需要高阻率材料的器件 如高功率