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1、1 半导体工艺基础 重庆邮电大学微电子系 2 第1章单晶硅特性 1 1硅晶体结构的特点1 2硅晶体缺陷1 3硅中杂质 硅 3 1 1硅晶体结构的特点 硅为周期表中 族元素 在地壳中主要以二氧化硅和硅酸盐形式存在 占27 7 仅次于氧 硅的原子量为28 05 25 下密度为2 329g cm3 具有灰色金属光泽 较脆 硬度6 5Mohs 稍低于石英 熔点1410 在熔点时体积收缩率9 5 常温下硅表面覆盖一层极薄氧化层 化学性质不活泼 4 1 1硅晶体结构的特点 硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料 占整个电子材料的95 左右 人们对它的研究最为深入 工艺也最成熟 在集成电路中基本上都是使用硅
2、材料 两两原子夹角 晶体硅熔点高 硬度大 5 硅 锗 砷化镓电学特性比较 硅pn结的反向电流小 硅元件工作温度高 硅不适宜工作在高频领域 6 锗应用的最早 一些分立器件采用 GaAs是目前应用最多的化合物半导体 主要是中等集成度的高速IC 以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势 如下页表 硅在其它方面有许多优势 7 8 硅作为电子材料的优点 原料充分 硅晶体表面易于生长稳定的氧化层 这对于保护硅表面器件或电路的结构 性质很重要 重量轻 密度只有2 33g cm3 热学特性好 线热膨胀系数小 2 5 10 6 热导率高 1 50W cm 单晶圆片的缺陷少 直径大 工艺性能好 机械性能良好 9 硅
3、晶胞 金刚石结构的立方晶胞 晶格 晶体不仅具有规则的多面体外形 重要的是内部原子也是有规则地排列的 整个晶体由质点 原子 离子 分子 在三维空间按一定规则网格状周期性重复排列构成 这种反映晶体中原子排列规律的三维空间格子 称为晶格 单晶体 如果某一固态物体是由单一的晶格连续组成的 多晶体 如果是由很多小单晶晶粒无规则地堆积而成的 10 硅晶胞 金刚石结构的立方晶胞 晶胞 晶体中能反映原子周期性排列基本特点及三维空间格子对称性的基本单元称为晶胞 晶胞并不是晶格最小的周期性重复单元 但它能反映晶体结构的立体对称性 硅晶体的金刚石结构 11 硅晶胞 金刚石结构的立方晶胞 在立方单元8个顶点上各有一个
4、原子 6个面的面心处各有1个原子 立方单元中心到顶角引8条对角线 其中不相连的4条对角线的中点各有1个原子 12 硅晶胞 金刚石结构的立方晶胞 晶胞的边长就是晶格常数 5 4305 原子密度 8 a3 5 1022 atoms cm3 最小间距为 3a 4空间利用率 硅原子的体积 每个原子在晶体中所占体积 13 1 2硅晶向 晶面和堆积模型 一晶格中任一格点作为原点 取过原点的三个晶列x y z为坐标系的坐标轴 沿坐标轴方向的单位矢量 x y z 称为基矢 任意格点位置可由下面矢量给出 任何晶列的取向可由连接晶列中相邻格点的矢量R m1x m2y m3z的方向来表示 14 硅晶面 晶体中所有原
5、子看作处于彼此平行的平面系上 这种平面系叫晶面 用晶面指数 h1h2h3 标记 如 100 晶面 又称密勒指数 等价晶面表示为 100 100 晶向和 100 面是垂直的 立方晶系的几种主要晶面 15 硅的原子线密度 1 a1 41 a1 15 a 硅的几种常用晶向的原子分布图 16 硅晶面 硅常用晶面上原子分布 Si面密度 100 2 a2 110 2 83 a2 111 2 3 a2 17 ABAB 六角密积 镁型 ABCABC 立方密积 铜型 堆积模型图 18 六角密积 19 立方密积 第三层的另一种排列方式 是将球对准第一层的2 4 6位 不同于AB两层的位置 这是C层 20 面心立方
6、晶格 在 111 晶向是立方密积 111 面是密排面 21 硅晶体为双层立方密积结构 硅单晶由两套面心立方结构套构而成 有双层密排面AA BB CC 双层密排面 原子距离最近 结合最为牢固 能量最低 腐蚀困难 容易暴露在表面 在晶体生长中有表面成为 111 晶面的趋势 两层双层密排面之间 原子距离最远 结合脆弱 晶格缺陷容易在这里形成和扩展 在外力作用下 很容易沿着 111 晶面劈裂 这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面 22 解理面 111 面为解理面 即为天然易破裂面 实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向 100 面与 111 面相交成矩形 100 面硅片破裂时裂纹是呈矩形的 111 面和
7、其它 111 面相交呈三角形 因此 111 面硅片破裂时裂纹也是呈三角形 呈60 角 硅晶体不同晶面 晶向性质有所差异 因此 微电子工艺是基于不同产品特性 采用不同晶面的硅片作为衬底材料 23 1 2硅晶体缺陷 在高度完美的单晶硅片中 实际也存在缺陷 有 零维 点缺陷 一维 线缺陷 三维 面缺陷和体缺陷晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响 24 点缺陷 本征空位 肖特基缺陷 A A A A2 自间 填 隙原子B 弗伦克尔缺陷杂质替位杂质C填隙杂质D 空位平衡浓度 自填隙平衡浓度 25 杂质缺陷是非本征点缺陷 是指硅晶体中的外来原子 杂质中 填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的 这些杂质破坏了晶格
8、的完整性 引起点阵的畸变 但对半导体晶体的电学性质影响不大 而替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质 例如 硅晶体中掺入 A A族替位杂质 目的是调节硅晶体的电导率 掺入贵金属Au等 目的是在硅晶体中添加载流子复合中心 缩短载流子寿命 26 线缺陷 线缺陷最常见的就是位错 位错附近 原子排列偏离了严格的周期性 相对位置发生了错乱 位错可看成由滑移形成 滑移后两部分晶体重新吻合 在交界处形成位错 用滑移矢量表征滑移量大小和方向 27 刃位错和螺位错 位错主要有刃位错和螺位错 位错线与滑移矢量垂直称刃位错 位错线与滑移矢量平行 称为螺位错 硅晶体的双层密排面间原于价键密度最小 结合最弱 滑移常
9、沿 111 面发生 位错线也就常在 111 晶面之间 该面称为滑移面 28 刃形位错的运动 攀移 滑移 原位 29 面缺陷和体缺陷 面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱 称为堆垛层错 简称层错 体缺陷是杂质在晶体中沉积形成 晶体中的空隙也是一种体缺陷 30 缺陷的产生及结团 缺陷是存在应力的标志 微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种 存在大的温度梯度 发生非均匀膨胀 在晶体内形成热塑性应力 诱生位错 晶体中存在高浓度的替位杂质 而这些杂质和硅原子大小不同 形成内部应力诱生缺陷 硅晶体表面受到机械外力 如表面划伤 或受到轰击 离子 射线等 外力向晶体中传递 诱生缺陷 结团作用高浓度低
10、维缺陷倾向于集聚 形成更高维缺陷 释放能量 31 缺陷的去除 缺陷在器件的有源区 晶体管所在位置 影应响其性能 必须设法使之减少 单晶生长时的工艺控制 非本征吸杂 在无源区引入应变或损伤区来吸杂 本征吸杂 氧是硅片内固有的杂质 硅中氧沉淀 氧有吸杂作用 是一种本征吸杂 32 1 3硅中杂质 半导体材料多以掺杂混合物状态出现 杂质有故意掺入的和无意掺入的 故意掺入Si中的杂质有 A VA族 金 故意掺入杂质具有电活性 能改变硅晶体的电学特性 无意掺入Si中的杂质有氧 碳等 33 Si中杂质类型 间隙式杂质主要是 A和 A族元素 有 Na K Li H等 它们通常无电活性 在硅中以间隙方式扩散 扩
11、散速率快 替位式杂质主要是 A和 A族元素 具有电活性 在硅中有较高的固浓度 以替位方式扩散为主 也存在间隙 替位式扩散 扩散速率慢 称为慢扩散杂质 间隙 替位式杂质大多数过渡元素 Au Fe Cu Pt Ni Ag等 都以间隙 替位方式扩散 约比替位扩散快五六个数量级 最终位于间隙和替位这两种位置 位于间隙的杂质无电活性 位于替位的杂质具有电活性 34 1 3 1杂质对Si电学特性的影响 A VA族电活性杂质主要有 硼 磷 砷 锑等浅能级杂质金等杂质在室温时难以电离 多数无电活性 是复合中心 具有降低硅中载流子寿命的作用 是深能级杂质 35 硅晶体中杂质能级和电离能 36 硅单晶电阻率与掺杂
12、浓度关系曲线 硅的电阻率 掺杂浓度曲线 不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿 硅中同时存在磷和硼 若磷的浓度高于硼 那么这就是N型硅 不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度 因为电离的电子首先要填充受主 余下的才能发送到导带 37 1 3 2杂质在硅晶体中的溶解度 在微电子产品中实际使用的衬底硅片不会是纯净的本征半导体 二是掺入了特定杂质的固溶体 是混合物材料 通常采用固溶度和相图来表征混合物体系在热力学平衡状态下的性质 38 1 3 2杂质在硅晶体中的溶解度 一种元素B 溶质 引入到另一种元素A 溶剂 晶体中时 在达到一定浓度之前 不会有新相产生 仍保持原A晶体结构 这样的晶体称为
13、固溶体 一定温度 杂质在晶体中具有最大平衡浓度 这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度 39 固溶体 固溶体主要可分为两类 替位式固溶体和间隙式固溶体 Si中 A VA族杂质形成替位式有限固溶体 替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件 原子半径相差小于15 称 有利几何因素 r Si1 17 B0 89 P1 10 原子外部电了壳层结构相似 晶体结构的相似 40 硅晶体中杂质的固溶度 掺杂浓度可以超过固溶度 给含杂质原子的硅片加热 再快速冷却 杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上 41 相图知识 相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法 相定义为物质存在的一种状态 这一状态是由一组均匀的性
14、质来表征的 当混合物体系中的各相均处于热力学平衡状态 一般包括一个以上固相的这种状态图就是相图 相图与大气压也有关 微电子工艺大多是常压工艺 一般只使用常压状态的相图 42 相图用途 由材料的成分和温度预知平衡相 材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律 估算平衡相的数量 4 预测材料的组织和性能 43 相图的构成 由两条曲线将相图分为三个区 左右两端点分别为组元的熔点 上面的一条曲线称为液相线 液相线之上为液相的单相区 常用L表示 下面的一条曲线称为固相线 固相线之下为固溶体的单相区 常用 表示 两条曲线之间是双相区 标记L 表示 二元匀晶相图 44 相图与冷却曲线的关系 成分一定
15、 在冷却过程中 不同的相热容量不相同 如果系统散热能力一样 温度随时间的变化 冷却 曲线上的斜率将不同 曲线的转折点对应温度就是某些相开始出现或完全小时的温度 利用这一特点 由实测的冷却曲线可以作出相图 45 两相平衡时的数量分配规律 杠杆定律 如图 合金x在温度T1将由两相长期并存 这时两相的成分和数量保持不变 过x点作水平线交液相线和固相线于a c点 经热力学证明a c点的成分分别为平衡的液体和固体的成分 设mL和m 分别为两相的数量 由物质不灭可推导出 一般用占总体数量的百分比的相对值来表示 如果把线段axc当成一杠杆 则他们满足杠杆力的平衡原理 所以称之为杠杆定律 用杠杆定律来分析在理
16、解和使用都有好的直观性和方便 适用所有两相平衡 46 连续性固溶体 锗 硅相图 47 铝 硅体系相图 纯铝的凝固点 熔点 是660 纯硅的凝固点是1412 在硅熔体中掺入铝 或在铝熔体中掺入硅 熔体的凝固点都下降 凝固点最小值为577 这一点称为共晶点 这一点的组分称为共晶组成 共晶点硅原子占原子总数的11 3 L 48 砷 硅体系相图 两种中间化合物 SiAs和SiAs2 有三个体系 Si SiAs SiAs SiAs2 SiAs2 As 有一重量比为86 As熔融体从高温开始冷却 在温度达1020 时 固体SiAs从熔体中结晶出来 熔体成为富砷相 直到温度降至944 这时液相组成为90 As 10 Si 温度继续下降时 固体的SiAs与一些剩余的熔体结合形成液体 SiAs2相 SiAs被包在SiAs2中 当温度降至786 SiAs2和 相都从液相析出 该体系称包晶体系 49 本章小结 晶体结构 作为芯片衬底的主要晶向 晶面的特点 晶体缺陷类型 产生原因 以及对工艺有重要影响的点缺陷的特点 晶体中杂质类型 对硅电阻率的影响 以及固溶度
