第2讲单晶硅的特性

1、1 集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介 国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景 净净 化化 厂厂 房房 Here in the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 ; n 硅器件室温下有较佳的特性硅器件室温下有较佳的特性; ; n 热稳定性好，更高的熔化温热稳定性好，更高的熔化温 度允许更宽的工艺容限，硬度允许更宽的工艺容限，硬 度大度大; ; n 高品质的氧化硅可由热生长高

2、品质的氧化硅可由热生长 的方式较容易地制得的方式较容易地制得; ; n 高频、高速场合特性较差。高频、高速场合特性较差。 硅四面体结构硅四面体结构 10928 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 性质性质SiGeGaAs 禁带宽度（禁带宽度（eV）1.120.671.43 禁带类型禁带类型间接间接间接间接直接直接 晶格电子迁移率（晶格电子迁移率（cm2/Vs）135039008600 晶格空穴迁移率（晶格空穴迁移率（cm2/Vs）4801900250 本征载流子浓度（本征载流子浓度（cm-3）1.4510102.410189.0106 本征电阻率（本征电阻率（cm）2.310547108 第一

3、章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 气态（气态（gas stategas state） 液态（液态（liquid stateliquid state） 固态（固态（solid statesolid state） 等离子体（等离子体（plasmaplasma） 物质物质 substancesubstance 晶体（晶体（crystalcrystal） 非晶体、无定形体非晶体、无定形体 （amorphous solidamorphous solid） 单晶：水晶、金刚石、单晶硅单晶：水晶、金刚石、单晶硅 多晶：金属、陶瓷多晶：金属

4、、陶瓷 晶体（晶体（crystalcrystal） 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 天然单晶体 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 多晶硅结构多晶硅结构 单晶硅结构单晶硅结构 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 面心立方 （FCC） 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 300K 300K时，硅的时，硅的a=5.4305a=5.4305 , ,锗的锗的a=5.6463a=5.6463 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 硅的晶体结构：硅的晶体结构：

5、第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 原子密度：原子个数原子密度：原子个数/单位体积单位体积 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 a 8 3 3 3 4 iS r 3 8 1 a 返回返回 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 等效晶向（等效晶向（1 1） 110及其等效晶向及其等效晶向 100及其等效晶向及其等效晶向 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 等效晶向（等效晶向（2 2） 111及其等效晶向及其等效晶向 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 等效晶面等效晶面 100、110、111

6、晶向分别是晶向分别是 （100）、（）、（110）（）（111）晶面的法线）晶面的法线 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 金刚石结构 （100面） 金刚石结构 （110面） 金刚石结构 （111面） a 2a3a 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 a a (100) a (110) a1/2 (3/2)1/2a a1/2 (111) 22 2 4 1 41 aa 2 3 4 2 2 3 2 2 1 2 4 1 4 a aa 2 2 4 2 2 2 1 2 4 1 4 aaa 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 44 8 inch 以下硅片以下硅片 8 i

7、nch 以上硅片以上硅片 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 晶体缺陷晶体缺陷 缺陷的含义缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点 阵结构发生偏差的区域。阵结构发生偏差的区域。 理想晶体理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。：格点严格按照空间点阵排列。 实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。 几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 点点缺陷缺陷 线线缺陷缺陷 位错位错（刃位错、螺位错）刃位错、螺位

8、错） 面面缺陷缺陷 层错层错（堆垛层错）（堆垛层错） 体体缺陷缺陷 杂质的沉积杂质的沉积 自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、 弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷 外来原子缺陷（替位或间隙式）外来原子缺陷（替位或间隙式） 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 48 点缺陷点缺陷 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上 缺陷的尺寸都很小。缺陷的尺寸都很小。 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 49 线缺陷线缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则 性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一

9、维方向较长，性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长， 另外二维方向上很短，分为另外二维方向上很短，分为刃型位错刃型位错和和螺位错螺位错。 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 50 刃型位错刃型位错 在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如 插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将 剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层

10、，然后 黏合起来，形成一个类似于楼梯黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构，拐角处的排列结构， 则此时在则此时在“剪开线剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面终结处（这里已形成一条垂直纸面 的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则 排列结构称为一个螺位错。排列结构称为一个螺位错。 螺位错螺位错 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 52 面缺陷面缺陷 二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺 陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶陷，即缺陷尺寸在

11、二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、 晶粒间界以及堆垛层错。晶粒间界以及堆垛层错。 孪晶：孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即 特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪孪 晶晶”，此公共晶面就称孪晶面。，此公共晶面就称孪晶面。 晶粒间界晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。 孪晶界孪晶界 晶粒间界晶粒间界 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一

12、层指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层 间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面）间出现了错误，从而导致的沿该层间平面（称为层错面） 两侧附近原子的错误排布两侧附近原子的错误排布 。 堆垛层错堆垛层错 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 54 体缺陷体缺陷 由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度，由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入当掺入 的数量超过晶体可接受的浓度时，的数量超过晶体可接受的浓度时， 杂质在晶体中就会杂质在晶体中就会 沉积，形成体缺陷。沉积，形成体缺陷。 第一章 单晶硅的特性 湖南科技学院 制备纯的晶体是非常困难的，因为在制备的过制备纯的晶体是非常困难的，因为在制备的过 程中周围的气氛以及容器中的原子会进入晶体替代程中周围的气氛以及容器中的原子会进入晶体替代 晶体本身的原子，这种外来的其他原子就称为晶体本身的原子，这种外来的其他原子就称为杂质杂质 （ impurities）