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1、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,1.1.1 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=51022/cm3 锗晶胞的原子密度
2、: 8/a3=4.4251022/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
3、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
4、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：AABB 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
5、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,
6、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。,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1.17 Si和 GaAs中本征载流子浓度
7、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
8、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
9、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 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
10、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-grade silicon，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
11、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12m),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、高压等器件。,硅的悬浮区熔工艺,返回,磨光后单晶硅晶片的规格,返回,exercise,简答题 硅双层密排面特点 施主杂质、 受主杂质举例 选择杂质标准,answer,硅双层密排面的特点： 111双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱 施主杂质、 受主杂质举例 施主杂质：如P, As等 受主杂质：如B,Ga等 选择杂质标准 杂质的固溶度大于需要的杂质的表面浓度,
