第1章-硅的晶体结构、环境与衬底制备.ppt

1、第一章，硅的晶体结构，微电子加工环境和衬底制备，1.1硅的晶体结构的特征，晶体中的原子、分子和离子的组成按一定的规律周期排列。任何晶体都可以被认为是由粒子(原子、分子、离子)按照一定的规则在三维空间中重复排列而成的。晶格晶体中的周期性结构。单晶-一种晶体，其中整个晶体由一个单晶晶格连续组成。多晶晶体是由许多具有相同结构的小颗粒不规则堆积而成的。硅半导体结构，硅晶体结构：形成具有金刚石晶体结构的正四面体。硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层的四个电子(称为价电子)决定。每个硅原子附近有四个硅原子，每两个相邻的原子之间有一对电子。它们对两个原子核都有吸引力，这叫做共价键。硅的共价键结构，晶

2、胞最能反映晶体对称性的最小单位。在300K时，硅的晶格常数=5.4305，锗的晶格常数=5.6463，硅的原子密度：8/a3=51022/cm3，锗的原子密度：8/a3=4.421022/cm3，共价四面体的键角：10928最小原子间距，原子半径rsi=，硅的空间利用率=，1.2晶体取向，晶面和堆垛层模型，以及不同晶体取向和堆垛层上的原子排列任何晶体的晶格中的原子都可以看作是在一系列方向相同的平行直线上，这就是所谓的晶体阵列。同一晶体中有许多不同取向的晶柱，不同取向的晶柱上的原子排列是不同的。通常，晶体方向用于指示由一组晶体柱指示的方向。以简单三次格的本原格的三条边为基向量x，y，z，以任意一

3、个格点为原点，其他所有格点的位置都可以用向量来表示，这里是任意一个整数。并且任何晶体列的方向可以由连接晶体列中相邻晶格点的向量来标记，其中m1、m2和m3是互为素数的整数。它被记录为m1，m2，M3-晶体取向指数。代表这些等价的方向-晶体方向。晶体方向上的原子线密度，是最大的。在硅原子的不同晶体方向上，原子排列是不同的。在不同的晶体方向上，原子的线密度：1.2.2晶面，晶格上的原子可以看作是位于一系列平行的平面系统上，这些平面系统被称为晶面。在任何晶体列中有许多不同取向的晶面，并且不同晶面的原子排列通常是不同的，这可以通过向量x、y和z上的两个相邻平行晶面的截距来标记。表示为x/h1、y/h2

4、、z/h3、h1、h2、h3是互质整数。晶面表示为(h1，h2，H3)-晶面指数(米勒指数)。有些晶面是等价的，如(100)、(010)和其他六个晶面，所以100用来表示晶面族。硅原子在不同晶面上的分布是不同的，并且可以计算晶面上每单位面积的原子数面密度。(100): (111): (110) :密度最高，但不均匀。1.2.3堆积模型，面心立方晶格也称为立方稠密晶格。有两种堆积方式：AB-六方密ABC -立方密，配位数-12，1.2.4双层密平面。金刚石结构由两组面心立方晶格构成，因此其111晶面也是原子密集面。沿着身体对角线滑动的1/4阶梯对角线的长度正好是单位胞的面心立方原子所在的位置。A

5、ABBCC积累形成了。因此，硅晶体的致密平面是双层的。双层密堆积面内距离：双层密堆积间距离：金刚石晶面特征：1。沿着111致密堆积面容易形成解理面。2.111紧密堆积的表面结合牢固，化学腐蚀困难且缓慢，腐蚀后容易暴露在表面。3.111密集平面之间的距离初级缺陷和有害杂质不仅影响材料的力学性能、载流子传输或杂质扩散行为，而且与加工工艺中产生的诱导缺陷密切相关。1.3单晶中的初级缺陷和有害杂质，1.3.1硅晶体中的初级缺陷和点缺陷，1。自填隙原子硅晶格间隙中的硅原子。空位当自填隙原子形成时，原始晶格形成空间点，即空位。晶格正常位置的原子跑到表面，在体内形成晶格空位。这被称为肖特基缺陷。如果原子进入

6、空位并产生空位-弗伦克尔缺陷。在热平衡条件下，空位密度与温度的关系为：3。外来原子晶体生长、加工、集成电路制造等过程中引入的杂质。常见缺陷：点、线、面和体缺陷。EvSi=2.6ev，线缺陷，线缺陷-在一个方向延伸，其他两个方向延伸很少。错位是一种常见的形式。位错一般分为两种基本形式：边缘位错和螺旋位错。当滑移矢量和位错处于其他角度时，形成混合位错。位错主要是沿(111)滑移面穿透晶体的准边缘位错。边缘位错的特征之一是有额外的半晶面。晶体的上部和下部以原子间距滑动。位错特征:引起晶格畸变，在晶体中形成应力场。应力场倾向于积累杂质原子，尤其是有害的杂质原子。形成稳定的杂质沉积，这通常是形成微缺陷、

7、外延位错和氧化物位错的核心。位错特征:在外加一定能量的条件下能产生攀爬和滑动运动。位错在热处理过程中容易移动。当器件的有源区存在位错时，有害杂质的积累和反扩散以及位错线上扩散的增强所形成的传导“管道”将直接影响器件的特性，如击穿电压、pn结反向漏电流等。有源区之外的某些区域中的位错也可以通过吸杂来“清洗”有源区。为了避免单晶生长过程中的位错，防止籽晶中的位错扩展到单晶棒中，颈缩工艺是非常重要的。其次，必须防止悬浮物质或其它杂质进入生长界面和振动或机械冲击，以保持固液界面处液体流动的稳定性和过渡区的温度梯度。降低晶体的冷却速度以防止晶体中产生热应力。表面缺陷和身体缺陷一样，表面缺陷是二维缺陷，两

8、个方向的表面缺陷的尺寸很大，另一个方向的尺寸很小。典型的表面缺陷-多晶。晶界是原子位错区。在密集堆积的晶体结构中，堆垛层错或简称堆垛层错是由于堆垛层错的无序而形成的。分层是一种区域性缺陷。层内外的原子排列有序。只有在界面上才会发生原子排列紊乱。块状缺陷-由于杂质在硅晶体中的溶解度有限，如硼、磷、砷等。当掺杂的杂质的量超过固体溶解度时，杂质沉积在晶体中形成块状缺陷。晶体中的空洞也是大块缺陷。(1)杂质条纹是电活性杂质的条纹缺陷。它们经常出现在直拉硅单晶材料中，主要是由于晶体旋转过程中熔融硅热对流波动引起的径向热场不对称和杂质的差异凝固，导致晶体电阻率的微区不均匀性，严重影响器件参数。(2)有害杂

9、质(三类):非金属、金属和重金属。除了除氧和碳杂质，非金属杂质还包括氢等。金属杂质包括钠、钾、钙、铝、锂、镁、钡等。重金属杂质包括金、铜、铁、镍等。1.3.2硅晶体中的有害杂质、氧和碳杂质：当氧进入硅单晶时，它位于硅晶格的间隙位置，形成硅-氧-硅结构，没有obv在高于650的高温下退火单晶并快速冷却至400-450有助于消除电活性热施主中心。(1)非金属杂质，硅中的氧容易积累金属杂质，这使得材料显示出较大的假寿命。经过热处理后，这种材料显示出较小的真实生命。氧的沉积也会引起氧化诱导的堆垛层错，这将影响硅器件的特性，如宽电压、饱和压降、电流放大系数、特征频率等。硅中的氧含量和氧沉积团的形态对硅单

10、晶的力学性能有明显的影响。当氧含量高时，机械强度随着氧含量的增加而降低。当氧含量较低时，机械强度随着氧含量的增加而增加。碳以非电活性取代位置的形式存在于硅中。高氧含量易于产生碳沉积并形成电活性碳化硅。此外，碳沉积是导致涡流缺陷的因素之一。硅中的碳还会降低硅的晶格常数，导致晶格畸变，导致器件的大泄漏和击穿电压降。(2)硅中重金属杂质重金属杂质的行为更加复杂。在重金属杂质中，铁和铜是影响硅单晶的最重要的杂质。这些有害杂质来自单晶炉和熔硅原料。除了引入复合中心和降低载流子寿命外，它们还容易在位错、微缺陷和氧沉积团簇处积累，形成重金属杂质沉积线或颗粒，造成等离子体击穿和pn结泄漏“管道”等现象。(3)

11、金属杂质如钠和钾是半导体器件制造中最忌讳的有害杂质。由于离子半径小，这些杂质通常位于硅中的间隙位置，并将浅能级中心引入硅单晶以参与传导。然而，微量铝杂质的引入将补偿氮型材料的掺杂。由于单晶材料的质量不能完全满足微电子器件的要求，并且材料中的缺陷和有害杂质是工艺诱导缺陷的主要成核中心，因此必须通过单晶生长过程中的质量控制和后续处理来提高单晶质量，使单晶材料趋于完美。减少单晶材料中缺陷和有害杂质的后续处理方法通常采用吸杂技术。吸收技术主要包括物理吸收、增溶吸收和化学吸收。目前，物理抽吸被广泛使用。1.3.3单晶材料及其完善过程的基本要求，物理吸收的基本过程：在高温下，晶体缺陷和杂质沉积基团以原子态

12、在晶体中分解和溶解，然后被移出有源区，或被捕获或挥发。几种物理吸杂方法：(1)本征吸杂：在硅片中引入一些缺陷来吸杂表面附近的杂质和缺陷。一般采用10501100(N2)/65070(02)/10501100(02)多步热处理来吸收杂质。(2)背侧损伤吸收：通过在晶片背侧引入损伤层，损伤层通过热处理在背侧诱发大量位错缺陷，从而将体内的有害杂质或微缺陷吸引到背侧。引入损伤层的方法包括喷砂、离子注入、激光照射等。(3)应力吸收：在晶片背面引入弹性应力，在高温下，应力场将体内的有害杂质和缺陷转移到应力源，从而“清洗”晶片体。应力诱导法是在背面沉积氮化硅、多晶硅或其它热膨胀系数与晶片不匹配的薄膜层。(4

13、)扩散和吸收：杂质扩散在有源区外进行，利用杂质和硅原子半径的差异吸引大量的失配位错，从而在失配位错中积累有害杂质和缺陷，消除有源区中的缺陷。几种方法也可以结合使用1.4硅中的杂质，1.5硅晶体中杂质的溶解度，1.6微电子加工环境1.6.1环境对产量的影响1.6.2超净空间环境要求1.6.3超纯水1.6.4超纯气体和超纯试剂1.7衬底材料1.7.1IC和硅材料1.7.2大直径单晶制备1.8衬底制备1.8.1单晶成形和取向1.8.2晶片加工， 微电子加工环境是指在加工过程中去除与微电子产品接触的单晶。微电子器件的加工水平进入亚微米阶段后，不仅涉及微加工等各种高、精、尖技术，而且对加工环境提出了非常

14、严格的要求。 任何粉尘(面积22mm22mm的200-300 mm硅单晶片，粒径1m的应控制在0.2 /cm2)和杂质团将破坏加工图形并产生加工缺陷。任何有害离子(如钠)的引入都可能改变器件特性并影响器件的可靠性。微电子加工技术除了工艺的精细化、材料的超净化和设备的精密化外，加工环境的超净化已经成为产品性能和质量的重要保证。1.6微电子加工环境，芯片产量和晶片有效面积与平均缺陷面积密度之间的关系：1。清洁空气2。清洁加工工具和传输系统3。超纯试剂，气体4。低温处理5。减少来自加工者的污染。 =exp (-sda)，SD-平均缺陷密度A-晶片有效面积，减少缺陷的措施：1.6.1环境污染对产量的影

15、响。1.6.2超净空间环境要求：超净空间环境包括对灰尘、油脂、烟雾等任何可移动颗粒的要求。通过空气、人员、设备、工具等引入加工空间。(1)用净化标准衡量空间环境洁净度的主要技术指标是洁净度水平。中国将洁净室空气洁净度分为四个等级。随着微电子加工进入亚微米级，对加工环境提出了更高的要求。主要体现在要求粉尘颗粒的粒径按0.1m计算，增加了L和10的洁净度等级(每立方米空气的颗粒数分别小于35和350)。在超大规模集成电路工艺、光刻、制版等加工中，洁净度一般为10。(2)净化和净化设备净化环境的主要措施是净化进入加工空间的空气，防止人员和设备将灰尘带入加工空间。清洁环境主要包括洁净室和局部净化区。净

16、化空气的过程包括几个步骤：过滤、排出和收集灰尘。洁净室可根据气流模式分为：垂直层流、水平层流和随机流。局部净化是指在加工空间的某一区域进行净化处理，以达到局部环境的高度清洁。当地净化设施主要包括：净化工作台、净化通道、空气淋浴室等。洁净室空气净化系统，超纯水：杂质含量极低的水。主要用于清洗和制备化学试剂，主要用于清洗晶片、应时器皿、夹具等。和化学试剂的制备。它是微电子加工的重要辅助材料。随着微电子加工尺寸的减小，要求越来越高。制备方法：离子交换、电渗析和反渗透。1.6.3超纯水、1.6.4超纯气体和化学试剂(1)超纯气体中的有害杂质不仅会污染晶片，还会严重损坏器件结构。例如，如果在氧化过程中氧中的氮含量太高，在预定时间段内产生的氧化物层将变薄，并且氧化物层的耐压性将下降。微电子加工中最常用的化学气体是氧气、氮气、氢气和氩气。一些特殊气体，如硅烷、膦、四氟化碳、氨、氯化氢等。并且这些气体中有害杂质的含量只能在10-6的数量级。气体纯度：在超大规模集成电路工艺中，外延用氢气的纯度高达99.99999%。使用前，化学气体这种试剂中不溶性杂质、重金属杂质和碱金属杂质的含量极低，甚至低至10-9个数量级。试剂的纯度与容器有关。通常使用聚乙烯、聚四氟乙烯或高纯度应时