硅的制备及其晶体结构

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1、天津工业大学,晶体的概念及硅材料的特点,1,单晶硅片的制备,2,3,硅晶体中的杂质,4,5,硅晶体中的缺陷,单晶硅的晶体结构特点,Chap.1 硅的制备及其晶体结构,天津工业大学,气态（gas state） 液态（liquid state） 固态（solid state） 等离子体（plasma）,物质 substance,晶体（crystal） 非晶体、无定形体（amorphous solid）,单晶：水晶、金刚石、单晶硅 多晶：金属、陶瓷,晶体（crystal）,物质存在形式及晶体的概念,天津工业大学,无定形体和晶体,天津工业大学,多晶体,天津工业大学,天然单晶体,天津工业大学,晶体结构的

2、基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array） ， 即存在长程有序（long-range order） 性能上两大特点：固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）,晶体的特点,天津工业大学,1.1 硅材料的特点,硅器件室温下有较佳的特性; 热稳定性好，更高的熔化温度允许更宽的工艺容限; 高品质的氧化硅可由热生长的方式较容易地制得; 硅元素含量丰富（25），成本低; 高频、高速场合特性较差。,天津工业大学,二氧化硅的作用,天津工业大学,芯片和晶圆,Wafer,Single die, chip,天津工业

3、大学,1.2 单晶硅片的制备,石英岩，硅砂（SiO2）,天津工业大学,1.2.1 多晶硅的制备,石英岩 （高纯度硅砂）,天津工业大学,直拉法 （Czochralski法) 区域熔融法 （Floating Zone法）,1.2.2 单晶硅锭的制备,天津工业大学,直拉法（CZ）,天津工业大学,区域熔融法（FZ）,区域提炼系统的原理图,天津工业大学,直拉法和区熔法原理图,区域熔融系统的原理图,直拉法系统的原理图,天津工业大学,直拉法和区熔法的比较,天津工业大学,IC制造的基本工艺流程,天津工业大学,1.2.3 硅片(晶园、wafer)的制备,天津工业大学,定位边研磨,天津工业大学,硅片的定位边,D2

4、00mm:,天津工业大学,硅片抛光和倒角,天津工业大学,硅片的CMP抛光,天津工业大学,1.3 硅晶体结构特点,晶胞：最大限度反映晶体对称性的最小单元； 七大晶系，14种布喇菲点阵，对应14种晶胞；,天津工业大学,金刚石的晶体结构,天津工业大学,金刚石结构（Si、Ge、GaAs）,天津工业大学,原子密度及晶体内部空隙,原子密度 晶格常数a (Si=5.43) 原子密度晶胞中包含原子个数/晶胞体积 晶体内部空隙 空间利用率晶胞包含原子个数*原子体积/晶胞总体积,天津工业大学,硅晶体中的原子密度和空隙,8个顶点原子；6个面心原子 4个体心原子 总原子个数1348 晶格常数为a (Si=5.43)

5、硅晶体中的原子密度为：8/a3=5*1022/cm3 硅原子的半径 硅晶体中的空间利用率,天津工业大学,1.4 晶体中的晶向和晶面,晶向：表示晶列的方向，从一个阵点O沿某个晶列到另一阵点P作位移矢量R，则 R=l1a+l2b+l3c；（l1:l2:l3 m:n:p 化为互质整数）,晶向指数【mnp】： 晶向矢量在三晶轴上投影的互质指数 在立方晶体中，同类晶向记为 代表了100、00、010、 00、001、00六个同类晶向； 代表了立方晶胞所有空间对角线 的8个晶向； 表示立方晶胞所有12个面对角线 的晶向。,天津工业大学,晶面及密勒指数,晶面：点阵中的所有阵点全部位于一系列相互平行、等距的平

6、面上，这样的平面系称为晶面，一系列等效的晶面构成晶面族。,天津工业大学,晶面指数表示方式,晶面指数（hkl）：h、k、l 是晶面与三晶轴的截距 r、s、t的倒数的互质整数，也称为密勒指数，相应的等效晶面族用hkl表示。,( r, s, t 为晶面在三个晶轴上的截长, h、k 、 l为晶面指标. ),晶面指数为（553）,天津工业大学,立方晶体中常用的晶向和晶面,晶向 晶向 晶向,天津工业大学,面心立方结构（FCC）中的晶面,（632）晶面,天津工业大学,金刚石结构中的晶面,天津工业大学,常见晶面的面密度,天津工业大学,之前我们讨论的都是完美的晶体，具有完美的周期性排列。 但是由于晶格粒子本身的

7、热振动、晶体生长过程中外界的影响、外界杂质的掺入、外部电、机械、磁场等应力的影响等等因素，使得晶格粒子的排列在一定范围内偏离完美的周期性。这种偏离晶格周期性的情况就称为缺陷（defect）。 缺陷是不能完全避免的，实际中理想的完美晶体也是不存在的，虽然在某些情况下，缺陷的存在会造成一些危害，然而某些缺陷在半导体应用中有着非常重要的作用。,1.5 硅晶体中的缺陷,天津工业大学,缺陷的分类,点缺陷 线缺陷 位错 面缺陷 层错 体缺陷 杂质的沉积,自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗伦克尔缺陷,外来原子缺陷（替位或间隙式）,天津工业大学,点缺陷空位（Point defects Vacancies）,空

8、位即晶格中组成粒子的缺失，如果一个晶格正常位置上的原子跑到表面，在体内留下一个晶格空位，则称为肖特基（ Schottky ）缺陷。,空位 : 点缺陷（point defect) 晶格中点的范围内产生,空位是可以在晶格中移动的,天津工业大学,空位（ Vacancies ）,空位的产生需要打破化学键，因而需要一定的能量，空位的数量随温度的增加而增加。 在不考虑杂质的情况下（即本征intrinsic 情况下），含有N个粒子的晶体，在温度为T时空位的平衡浓度为：,EV 是空位产生能量， kB 是Boltzmann常数，常温下肖特基缺陷浓度约为1*1010cm-3,阿累尼乌斯公式,天津工业大学,间隙原子

9、（Interstitials）,晶格中存在着大量的空隙，如果有原子偏离了自身的晶格位置进入间隙位置，则成为了间隙原子。 显然，间隙原子也是一种点缺陷，当间隙原子和晶格原子大小相当时，会引起很大的晶格破坏，因而需要很大的能量。如果间隙原子的体积比晶格原子小的多，则可以稳定存在。,天津工业大学,弗兰克尔缺陷（Frenkel Defects）,通常空位和间隙原子是成对出现的，离子离开它原来的位置进入间隙形成间隙离子，同时留下一个空位。这种缺陷成为Frenkel Defect，它仍然是电中性的。,Frenkel defects 可以由光照或者热激发，而且也可以自身复合消失，放出一定的能量（发光）。,天

10、津工业大学,线缺陷位错 Line Defects - dislocations,晶体中的位错可以设想是在外力的作用下由滑移引起的，滑移后两部分晶体重新吻合，滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的交界处形成位错。,天津工业大学,刃位错（Edge dislocations）,滑移量的大小和反向可用滑移矢量B（Burgers vector ）来描述，当位错线与滑移矢量垂直时，称为刃位错。,悬挂键可以给出一个电子或从晶体中接受一个电子，从而对晶体的电学性质产生影响。,天津工业大学,螺位错 （Screw dislocations）,当位错线与滑移矢量平行时，称为螺位错。,天津工业大学,对一般晶体而言，沿

11、某些晶面往往容易发生滑移，这样的晶面称为滑移面。构成滑移面的条件时该面上的原子面密度大，而晶面之间的原子价键密度小，且间距大。对于硅晶体来说，111晶面中，双层密排面之间原子价键密度最小，结合最弱，因此滑移常沿111面发生。,除了应力形变可以产生位错外，晶格失配也可以引起位错。若某一部分掺入较多的外来原子，就会使晶格发生压缩或膨胀，在掺杂和未掺杂的两部分晶体界面上就会产生位错，以减少因晶格失配产生的应力。这种位错称为失配位错。,螺位错的形成,天津工业大学,面缺陷层错 （Side defects）,多晶的晶粒间界是最明显的面缺陷，晶粒间界是一个原子错排的过渡区。在密堆积的晶体结构中，层错又称为堆

12、积层错，是由原子排列顺序发生错乱引起的。层错并不改变晶体的电学性质，但是会引起扩散杂质分布不均匀等影响。,天津工业大学,体缺陷 （Body defects）,当向晶体中掺入杂质时，因为杂质在晶体中的溶解度是有限的，如果掺入数量超过晶体可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。这是一种三维尺度上的缺陷。 体缺陷一般都对材料和器件的性能有很大的影响，尤其是重金属沉积形成的体缺陷，所以要尽量避免体缺陷的产生。,天津工业大学,1.6 硅中杂质 （Impurities）,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晶体本身的原子，这种外来的其他原子就称为杂质

13、（ impurities）。 杂质会对晶体的性质产生很大的影响，既有有利的也有不利的，我们经常会向晶体中加入杂质（ impurities or dopants）来达到某种目的，这个过程就是掺杂（doping）。,天津工业大学,硅中杂质的存在形式,天津工业大学,本征硅（Silicon）,本征硅（intrinsic）,ni：本征载流子浓度,天津工业大学,n型半导体（ n-type semiconductor ）,n型掺杂硅（n-Doped Silicon）,As是五价元素，多余一个电子，相当与它给出一个电子，是施主(donor)。 掺入As的Si是非本征(extrinsic)半导体，它是电子导电，

14、电子带负电(negative)，所以称为n型半导体。,天津工业大学,施主：杂质在带隙中提供带有电子的能级，能级略低于导带底的能量，和价带中的电子相比较，很容易激发到导带中 形成 电子载流子。含有施主杂质的半导体，主要依靠施主热激发到导带的电子导电 n型半导体。,n型掺杂硅（n-Doped Silicon）,天津工业大学,p型掺杂硅（p-Doped Silicon）,p型半导体（ p-type semiconductor ）,B是三价元素，少一个电子，相当与它接受了一个电子，是受主(acceptor)。 掺入B的Si是非本征(extrinsic)半导体，它是空穴导电，空穴带正电(positive

15、)，所以称为p型半导体。,天津工业大学,受主：杂质提供带隙中空的能级，电子由价带激发到受主能级要比激发到导带容易的多。主要含有受主杂质的半导体，因价带中的一些电子被激发到施主能级，而在价带中产生许多空穴，主要依靠这些空穴导电 p型半导体。,p型掺杂硅（p-Doped Silicon）,天津工业大学,浅能级（类氢杂质能级）杂质,N型半导体：在IV族（Si，Ge）族化合物中掺入V族元素（P，As，Sb）；在IIIV族化合物中掺入VI族元素取代V族元素。特点为半导体材料中有多余的电子。 P型半导体：在IV族（Si，Ge）族化合物中掺入III族元素（Al，Ga，In）；在IIIV族化合物中掺入II族元

16、素取代III族元素。特点为半导体材料中形成空穴。 掺入多一个电子的原子，电子的运动类似于氢原子中电子的情况。 以上形成的施主或受主，称为类氢杂质能级，其特点为束缚能很小，对于产生电子和空穴特别有效，施主或受主的能级非常接近导带或价带，被称为浅能级杂质。,天津工业大学,深能级杂质,一些掺杂半导体中的杂质或缺陷在带隙中引入的能级较深，被称为深能级杂质。一般情况下深能级杂质大多为多重能级。,深能级杂质和缺陷的作用 1) 可以成为有效复合中心，大大降低载流子的寿命； 2) 可以成为非辐射复合中心，影响半导体的发光效率； 3) 可以作为补偿杂质，大大提高半导体材料的电阻率。,天津工业大学,1.7 杂质在硅晶体中的溶解度,杂质存在形式 固溶体 替位式固溶体 间隙式固溶体 固溶度 元素B能够溶解到晶体A中的最大浓度。,掺杂浓度与电阻率的关系,天津工业大学,小结,晶体的概念及硅材料