林明祥 集成电路制造工艺课件 第二章硅的晶体结构和硅单晶制备

第二章硅的晶体结构和硅单晶体制备，2，回顾一下，半导体材料目前用于半导体器件制造的材料是元素半导体(SiGe )化合物半导体(GaAsInSb锑化铟)本征半导体：不含杂质的纯半导体，纯度为99.999999%(810个9 )。 掺杂半导体：半导体材料对杂质的敏感性非常强，例如在Si中掺杂1000万分之一的磷(p )和硼(b )时，电阻率降低到20万倍。 3、半导体的性质，1、电阻率： 10-3-109.cm导体 109.cm2.导电能力随温度上升而急速增加，一般金属的导电能力随温度上升而降低，变化不明显。 但硅的导电能力随温度上升而增加，变化非常显着。 举个例子，cu:30c100c为一半以下(正的温度系数) si:30c20c为2倍以上(负的温度系数)，4，3 .根据包含半导体的导电能力的微量杂质而显着变化的一般材料的纯度高达99.9%，认为0.1%的杂质对物质的性质没有影响。 如果半导体材料不同，纯硅在室温下： =21400cm硅中掺杂杂质磷原子，硅的纯度将保持在99.9999%。 其电阻率为： =0.2cm . 因此，通过利用这一性质，硅的导电能力可由杂质的量控制。 4 .半导体的导电能力随光的照射而显着变化5 .半导体的导电能力随电场、磁场的施加而变化5 .在硅中混入iii族元素b时，硅中的多个载流子是空穴，该半导体被称为p型半导体。 6、p型和n型半导体，2种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。 纯硅被称为本征半导体。 本征半导体中的载流子的浓度在室温下为T=300K，在硅中掺杂v族元素p时，硅中的多个载流子是电子，该半导体被称为n型半导体。 6、硅电阻率与掺杂(载流子)浓度的关系、7、化合物半导体化合物半导体由元素周期表的第ii族、第iii族、第iv族、第vi族形成. 其中使用最多的是砷化镓(GaAs )、砷化磷(GaAsP )等。 主要用于发光二极管和微波器件的制作。 化合物半导体的特征： 1、载流子迁移率高于硅，该特性能够在通信系统中比Si设备更快地响应高频微波，有效地转换为电流。 耐辐射。 3、制造成本大于Si，且无天然氧化物。 8、对材料的要求：根据材料的结构、获得方法和各自的作用，对它们的要求也不同，常用的Si、Ge、GaAs的选择指标主要有： 1、导电型(p型或n型) 2、电阻率3、少子寿命4、晶格完整性(结晶缺陷要求少于一定数量) 5、纯度高(要求以外的杂质越少越好) 6， 晶体取向(由于晶体各向异性，不同器件所要求的晶体取向不同)、9、2.1硅的晶体结构如何形成？ 晶体分类？ 晶体和非晶体有什么区别？ 水晶？ 结晶方向？ 怎么表现？ 2.2硅晶体中缺陷和杂质、缺陷的分类？ 各种缺陷的特征是什么？ 硅中的杂质类型，2.3.1多晶硅的制造，多晶硅的制造方法？ 反应的化学方程式？ 多晶硅的精制方法是什么？ 分凝现象，分凝系数？ 晶体生长的3阶段单晶硅的制造方法、2.3.2单晶硅的制造、预习、10、物质是晶体(单晶、多晶)和非晶质单晶是原子或分子在空间上以一定规律周期性重复排列的固体物质。(1)某物质是否为结晶取决于内部结构而不是外观；(2)周期性是结晶结构最基本的特征多晶体：原子周期性地排列在小区域内，整体上不规则的非晶体：原子的排列无序，2.1硅的结晶结构，11，非晶质结构，、， 硅的晶体结构：金刚石结构、金刚石结构的各原子周围有4个最接近的原子，这4个原子位于正四面体的顶角，任一顶角的原子和中心原子分别贡献1个价电子共享，形成稳定的共价键结构。 共价键角度： 10928，16，结晶面和结晶方向(结晶列)，结晶面：由结晶中3个不在同一结晶轴上的质点形成的平面结晶方向：由结晶中的任意2点形成的直线称为结晶方向。 17，a，b，c，1 )晶面指数xyzn1n2n3hx ky lz=j(hkl)晶面指数：o，OA=n1aOB=n2bOC=n3c，=，1，(100 )，(110 )，(111 )，(210 )，19，2 )晶面指数，x，y，z， r r=Ux Vy Wz，u，v，w，uvwuvw晶体取向指数e.g .x-axis 100 y-axis 010 z-axis 001 ，111，110，简单的晶体结构，和，23，2.2晶体中的缺陷和杂质，缺陷分类点缺陷，线缺陷一点缺陷点缺陷是空穴、间隙原子、外来杂质原子、肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷、空穴、间隙原子、杂质原子，正常的节点位置是质点没有占有的质点进入间隙的位置是间隙原子。 杂质原子进入晶格(在结晶过程中混入或加入，一般在1%以下)。 进入，间隙位置-间隙杂质原子正常节点-取代杂质原子。25、Frankel缺陷特征的孔隙相对于孔隙出现，其中、和Frankel缺陷的出现、26、Schttky缺陷、正常晶格点的原子在热运动下向晶体表面迁移，晶体内的正常晶格点留有孔隙。 ， 杂质原子位于间隙位置，硅间隙原子，硅晶体缺陷的说明，28，位错的基本类型，1 .刃状位错(棱位错)的特征：位错线的垂直滑动方向2 .螺旋位错3360的特征：位错线的平行滑动方向，双线缺陷3360位错，29， 由三面缺陷体缺陷变位：原子层的排列紊乱引起的大范围的缺陷体缺陷在结晶中混入杂质的情况下，如果混入的含量超过结晶允许的浓度，则杂质在结晶中堆积，形成体缺陷，制造30、2.3硅单晶，原材料多晶硅冶金级硅(MG ) :硅的氧化物在电弧炉中被碳还原而成。 一般含有Si的在90-95%以上，高达99.8%以上。 2、太阳级硅(SG ) :纯度介于冶金级硅与电子级硅之间，迄今尚未明确定义。含Si的估计为99.99 %99.9999 % (4- 6个9 )。 主要用于太阳能电池芯片生产制造的3，电子级硅(EG ) :一般含有Si99.9999%以上，超高纯度要求达到99.9999999%99.999999999%(911个9 )。 其导电性为10-4-1010欧元cm。 主要用于半导体芯片的制造。 31、多晶硅单晶硅的制造单晶硅的性能测试进行单晶硅的加工，形成晶片，32、多晶硅的制造方法、四氯化硅还原法、三氯化氢硅氢还原法硅烷热分解法P12图2-6、33、从砂到晶片的石英砂的主要成分， 二氧化硅由砂将冶金级硅(mgsmetallurgicalgrade (mg ) silicons纯度98%99% )的mgs粉末加入反应炉和氯化氢反应生成三氯硅烷(TCS )，在气化和冷凝过程中与三氯硅烷进行氢反应生成电子级硅材料(EGS ) 精制EGS制造单晶硅直拉悬浮区熔融法1 .从砂到单晶硅34，从砂到硅35，TCS， 硅粉末，氯化氢，过滤器，电容器，精制器，99.9999999%纯度的三氯硅烷，反应器，300C，36，电子级硅材料，37，反应室，H2，反应室氢和三氯硅烷，过程反应室，H2， 1 .直线晶体：晶体主流生长技术1 )设备：石英坩埚、高频加热线圈等2 )材料：半导体多晶材料和掺杂剂、晶种3 )晶体生长的结构与晶种结构一致，单晶硅的制造、40、41、直线晶体：法、加热线圈、 1415C、熔融硅、42、43、夹盘交叉法结晶提拉、资料源：44、浮游区熔融法(FZMethod )、加热线圈、多晶硅棒、单晶硅、晶种、加热线圈移动、熔融硅、 45、46这两种方法的比较结构键(CZ )法，以比较一般的方法，价格便宜，大晶片尺寸(直径300mm )浮游区熔融法(FZMethod )的纯度高(不使用坩埚)价格高，晶片尺寸小(150mm )、47，单晶硅性能试验，1 .物理性能试验重量晶体方向2 .电参数测定导电型电阻率非平衡载流子寿命3 .缺陷检测位错4 .杂质含量测定金属杂质氧碳、48、单晶硅的切断1切断：以切除单晶硅棒的头部、尾部及超过客户规格的部分为目的， 单晶硅棒可用切片设备处理的长度2直径滚磨：使不均匀直径均匀的3晶取向面，电导率和电阻率的检查1 )检查是否能得到半导体掺杂后的电导率，保证掺杂类型正确。 4切片，硅单晶加工，49，50，硅单晶研磨，1目的：去除切片中残留的表面损伤，使晶片表面完全平整的双磨片：研磨晶片，符合半导体使用的要求。 指切割的晶片，锐利的边缘容易剥落，容易产生缺口。 因此，将税利边调整成圆弧状，防止晶片边缘的破裂和晶格缺陷的产生，被称为倒角(或全圆)、单晶硅倒角、使晶片边缘光滑的机械工艺。 52、单晶硅晶片研磨，1研磨目的：晶片表面光滑，镜面般明亮。 2研磨过程是化学和机械两个过程同时进行。 3化学蚀刻液：蚀刻晶片表面的4机械摩擦：同时去除不平整面，得到最平坦的晶片表面。 53、化学机械研