本章本章(běnzhānɡ)内容内容•1.1Ge、Si的晶体(jīngtǐ)结构•1.2晶向和晶面•1.3锗硅晶体(jīngtǐ)的各向异性第1页/共37页第一页，共38页 1、、 晶胞晶胞(jīnɡ bāo)和晶格常数和晶格常数 Ge、Si晶体中原子排列的情况如图1-1所示图中的立方体是反映Ge、Si晶体中原子排列基本特点的一个单元(dānyuán)，常称为晶胞晶胞的各个边长叫做晶格常数，是不同晶体的一个特征性参量对Ge、Si晶体，其晶胞是图1-1所示的立方体，因此只有一个晶格常数（记为a） 1.1 Ge、Si的晶体结构图1-1 Ge、Si的晶格(jīnɡ ɡé)结构 第2页/共37页第二页，共38页 •晶体中原子排列的情况和晶格常数等，可通过X射线结构分析等技术确定出来已给出硅的晶格常数a=0.5428nm，锗的晶体常数a=0.5658nm•仔细观察一下图1-1所示的晶胞，就可以知道，该立方体晶胞中共包含有18个原子（顶角(dǐnɡjiǎo)8个，面心6个，内部4个），但是真正属于该晶胞的原子只有8个，据此就容易计算晶体的原子密度。
因为晶胞的体积为a3，则晶体中每个原子所占有的体积为a3/8，所以晶体原子密度=8/a3代入a的值就得到：Si晶体的原子密度=5×1022/cm3，Ge晶体的原子密度=4.4×1022/cm3第3页/共37页第三页，共38页 •晶胞中的18个原子，分别处于两种不同的位置，一种是在晶体胞的顶角和面心上(xīnshànɡ)，另一种是在晶胞内的体对角线上，它们的坐标分别为：•第一种位置：•（0，0，0）；（1/2，1/2，0）；（1/2，0，1/2）；（0，1/2，1/2）；……•第二种位置：•（1/4，1/4，1/4）；（3/4，3/4，1/4）；（3/4，1/4，3/4）；（1/4，3/4，3/4）；……第4页/共37页第四页，共38页 2、锗，硅晶体中原子排列、锗，硅晶体中原子排列(páiliè)的规律的规律 完整晶体中原子的排列是很规则(guīzé)的，各有一定的排列规律，这种规律可完全由其晶胞结构反映出来 仔细分析图1-1中的晶胞，就会发现，对Ge、Si晶体，其原子排列的规律可从两方面来看：（1）每个原子的周围有4个最邻近的原子（与中心原子的距离都相等），而且这4个最邻近的原子按正四面体分布，Ge、Si中的原子之所以有这种特殊的排列规律，是由其共价键的性质所决定的。
按这种规律分布的键，通常称为四面体键根据这种看法，则整个晶体(jīngtǐ)可认为是由图1-2所示的许多共价四面体堆砌而成的 图1-2 锗、硅中的四面体结构第5页/共37页第五页，共38页 •（2）整个Ge、Si晶体可看成由两套面心立方晶格套构起来的面心立方晶格的一个晶胞是带有面心原子的立方体，如图1-3所示，Al，Au等金属就具有这种晶格Ge、Si的晶格，可看成是由两套面心立方格沿晶胞体对角线方向，且错开1/4体对角线长度套构而成的，如图1-4所示这就是说，Ge、Si晶格是由两套简单(jiǎndān)的面心立方晶格构成，是一种较为复杂的晶格，正因为Ge、Si晶格可由基本的面心立方晶格套构而成，所以常常把Ge、Si的结构归属于面心立方晶格图1-3 面心立方(lìfāng)晶格图1-4 锗、硅的晶格(jīnɡ ɡé)结构第6页/共37页第六页，共38页 由图1-4可见，处于正四面体中心的原子和四面体顶角的原子，分别属于两套不同的面心立方晶格，它们是有区别的四面体中心原子和顶角原子的价键取向是不一样的，就是说，尽管原子种类相同，但其在晶体(jīngtǐ)中所处的环境不同应当注意，所谓四面体中心或顶角，这是相对的，实际上，任何一个原子既可以是某个四面体的中心原子，也可以是另一个四面体的顶角原子。
结构分析指出，这种Ge、Si的晶体(jīngtǐ)结构与金刚石的晶体(jīngtǐ)结构完全相同，只是原子种类和晶格常数不同，因此，通常把这种形式的晶体(jīngtǐ)结构统称为“金刚石结构”第7页/共37页第七页，共38页 3、、 四面体半径四面体半径(bànjìng)和杂质的失配和杂质的失配 Ge、Si中每一个原子周围有4个按正面体分布的邻近(lín jìn)原子因此，Ge、Si晶体中的最小原子间距，也就是正四面体的中心原子到顶角原子之间的距离，把这个最小原子间距再除以2，就定义为四面体半径，显然，四面体半径也就是把晶体原子都看成是一个个硬球的球半径，这是金刚石结构特有的一个结构参数 由图1-4可以看到，最小原子间距就是晶胞体对角线长的1/4因此易于用晶格常数a表示出四面体半径r因为晶胞体对角线长为 ，则最小原子间距为 ，所以四面体半径r = ，代入Ge、Si的晶格常数，即求得： rSi≈0.117nm，rGe＝0.122 nm 第8页/共37页第八页，共38页 •如果把晶体看作是由一个个硬球按一定规律堆积而成的，就可以根据四面体半径来计算出这些硬球所占整个晶体体积的百分比。
•因为每个球的体积等于，而每个球所占有的晶体体积为，所以空间利用率等于•可见，如Ge、Si等金刚石结构的晶体，体内大部分空间是“空”的正因为如此，某些半径较小的杂质原子（如Cu、Fe、Ni等原子）就可以较容易地在Ge、Si晶体中运动和镶嵌在这些“空隙”中这样的杂质通常为间隙式杂质•但是，如果杂质原子的半径较大，或价键性决定其不易进入晶体间隙中（如B、P、Sb等Ⅲ、Ⅴ族杂质），显然，这些杂质原子就只有通过与基体(jītǐ)Ge、Si原子互换位置才能进入晶体中这样的杂质通常为代位式杂质•第9页/共37页第九页，共38页 •失配因子=|基体原子(yuánzǐ)半径-杂质原子(yuánzǐ)半径|/基体原子(yuánzǐ)半径杂质元素NCBPSiAlAsGeGaSbSnInBiPbTl四面体半径/nm0.0700.0770.0880.1100.1170.1260.1180.1220.1260.1360.1400.1440.1460.1460.147表1-1常用杂质元素(yuán sù)的四面体半径杂质PAsSbBAlGaInSnCGe在硅中晶的失配因子0.0160.0080.160.2480.0770.0770.2310.200.3420.0427表1-2杂质在硅中的失配(shī pèi)因子第10页/共37页第十页，共38页。
4、、 掺杂掺杂(chān zá)问题问题 在Ge、Si晶体中，如果所掺入杂质的失配因子较大，则杂质将使晶格发生畸变，在晶体中造成较大的应力，在高温下由于晶体内摩擦力迅速减小，则晶体原子有可能发生重新排列以减小应力，这就必将导致各种晶体缺陷的出现由于这种失配杂质的掺入所引起(yǐnqǐ)的位错，称为失配位错显然，失配杂质掺入越多，则晶格畸变越大，就越容易产生晶体缺陷因此，在Ge、Si晶体中，为保证不致于产生大量的缺陷，就有一个掺杂浓度的上限例如，对硅中的B和P，掺杂浓度上限分别为5×1019/cm3和5×1020/cm3 ；但对Si中的As，因其失配因子很小，则此浓度上限可接近其最大固溶度5×1021/cm3 ，所以，在Si中掺As不易产生缺陷 第11页/共37页第十一页，共38页 v怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢？这就是所谓“完美晶体技术”需要(xūyào)解决的一个重要课题目前，在硅工艺中所采用的办法，归纳起来可以有三种：v（1）用As取代P和Sbv（2）四面体半径大于Si的杂质，和四面体半径小于Si的杂质同时掺入v（3）P和As或B和As同时掺入。
图1-5 硅晶格(jīnɡ ɡé)常数随掺杂浓度的变化第12页/共37页第十二页，共38页 1.2晶向和晶面•1、晶面的标记•如果空间中某一平面与坐标轴X、Y、Z的截距分别为r、s、t，则该平面方程可写成：••若令则该平面的方程可换写成为：•可见，某一个平面可完全由其各个(gègè)截距的倒数h、k、l值来决定，因此该平面就可以用“h、k、l”这一组数来标记第13页/共37页第十三页，共38页 v2.晶向指数(zhǐshù)：B格子(gézi)的格点可看成是分列在一系列平行、等距的直线系上，这些直线系称为晶列一个无穷大的B格子(gézi)，可有无穷多种晶列晶向指数：从该晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点，把该格点指数化为互质整数，称为晶向指数，表示为[h,k,l] B格子的格点还可看成是分列(fēn liè)在一系列平行、等距的平面系上，这些平面系称为晶面系（晶面族） 一个无穷大的B格子，可有无穷多方向不同的晶面系。
v3.晶面指数（密勒指数）：第14页/共37页第十四页，共38页 •晶面表示方法：•（1）找出晶面系中任一晶面在轴矢上的截距；•（2）截距取倒数；•（3）化为互质整数，表示为（h,k,l）•（h,k,l）可表示一个晶面系，也可表示某一个晶面•注意：化互质整数时，所乘的因子(yīnzǐ)的正、负并未限制，故[100]和[100]应视为同一晶向第15页/共37页第十五页，共38页 v例1：在立方晶系中，〈100〉代表v [100],[010],[001]三个等效晶向v例2：在立方晶系中，{100}代表(100), (010), (001)三个等效晶面族v 有时为了表示一个具体的晶面，也可以(kěyǐ)不化互质整数v例3：(200)指平行于(100)，但与a轴截距为a/2的晶面v说明：若选用基矢坐标系，方法类似，显然数值是不同的第16页/共37页第十六页，共38页 第17页/共37页第十七页，共38页 第18页/共37页第十八页，共38页 第19页/共37页第十九页，共38页 说明：六角晶系的四指数表示说明：六角晶系的四指数表示 以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用以上三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于六角晶系有一个缺点：于六角晶系有一个缺点： 晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数。
晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数例：六棱柱的两个例：六棱柱的两个(liǎnɡ ɡè)相邻的外表面在晶体学上应相邻的外表面在晶体学上应是等价的，但其密勒指数却分别为是等价的，但其密勒指数却分别为(100)和和(110)夹角为为600的密排方向是等价的，但其方向指数却为的密排方向是等价的，但其方向指数却为[100]和和[110].在晶体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，给在晶体结构上本来是等价的晶面却不具有类似的指数，给研究带来不方便研究带来不方便第20页/共37页第二十页，共38页 第21页/共37页第二十一页，共38页 第22页/共37页第二十二页，共38页 •在1-1中我们已经讲过,Ge、Si晶体的原子体密度为8/a3而晶体中每一个原子有4个共价键，因此在单位体积内的共价键数目——键的体密度为4×8/a3•此外，还有必要考察一下Ge、Si晶体中主要晶向和晶面的原子线密度、面密度和键的面密度，因为这些数值在不同晶向和晶面上的差异是造成晶体各向异性的根本所在因此下面先来讨论(tǎolùn)这些问题，然后再说明一些与晶体结构有关的实际问题1.3 锗硅晶体(jīngtǐ)的各向异性第23页/共37页第二十三页，共38页。
•Ge、Si晶体中几个主要晶向上的原子分布情况如图1-19所示由此可容易(róngyì)求出各个方向上单位长度内的原子数目——原子线密度如下：v1、原子分布和键密度(mìdù)的各向异性图1-19 锗、硅中常用晶向上(xiàngshàng)原子的分布 [100]：[110]：[111]：可见，[110]方向上的原子线密度最大第24页/共37页第二十四页，共38页 图1-20画出了锗、硅晶体的几个主要晶面上原子分布的情况由此容易计算出各个(gègè)晶面上的原子密度如下：（110）：（111）：（100）：图1-20 锗、硅中常用(chánɡ yònɡ)晶面上原子的分布第25页/共37页第二十五页，共38页 •可见，{110}面上的原子密度最大另外，值得注意的是：{111}面上的原子分布是均匀的，每个原子的周围都等距离地分布有六个原子，这样的原子面实际上就是密排面，但应注意到其原子密度并不是最大的•虽然{110}面上的原子密度最大，但是{110}面之间的作用力却不是最大，下面通过对各主要(zhǔyào)晶面上键密度的计算就可以指出这一点v观察图1-21，以原子O为例，当它作为（100）面上(miàn shànɡ)的原子时，与一侧相邻的（100）面中的原子A、B间有2个键作用着，与另一侧相邻的（100）面中的原子C、D间也有2个键作用着，即（100）面间每一个原子有2个键作用着。
而（100）面上(miàn shànɡ)的原子密度为2/a2，所以在（100）面间，单位面积上作用的键数——键的面密度为2×2/a2=4/a2图1-21 锗、硅晶体结构第26页/共37页第二十六页，共38页 v再观察图1-21中的原子O，当它作为（110）面上的原子时，它与一侧相邻的（110）面中的原子B有一个键作用着，与另一侧相邻的（110）面中的原子D也有一个键作用着，即（110）面间每一个原子有一个键作用着而（110）面的原子密度(mìdù)为2.8/a2，所以（110）面间的键密度(mìdù)为：表表1-41-4晶面的几种密度晶面的几种密度(mìdù)(mìdù)分析分析原子线密度原子线密度原子面密度原子面密度键的面密度（即晶面间作用键的面密度（即晶面间作用力的强度）力的强度）<110>><111>><100>{110}>{111}>{100}{111}>{100}>{110}>{111}第27页/共37页第二十七页，共38页 v我们知道，云母可以剥成一层一层的薄片，这就是云母的解理性，所剥裂出的面就是解理面；当然，在剪切力的作用下，层与层之间（即解理面之间）也是容易错开的，这就是所谓滑移。
v一般说来，滑移面或解理面是原子面密度最大的晶面，因为这样的晶面其面间距较大，作用力较弱但是对Ge、Si晶体，虽然{110}面的原子密度最大，然而(rán ér)其晶面间的作用力并不是最小因此，Ge、Si晶体的滑移面或解理面不是{110}面，而应当是键密度最小的{111}面这已为很多事实所证明，例如当弄碎一块薄Si片后，断面往往是很平整的{111}面v2、锗、硅晶体中的滑移或解理(jiě lǐ)的各向异性第28页/共37页第二十八页，共38页 v考虑到Ge、Si的{111}面易于裂开这一特点，对指导半导体器件的生产实践具有重要意义例如，在用{100}片子制作器件时，管芯图形的排列应当沿<110>方向(见图1-22),因为{111}面与{100}面的交线是<110>方向，这样排列管芯有利于最后划片时获得形状较正规的管芯，减少了弄破管芯的可能性，又如，对{111}晶片，最好是按图1-23排列管芯，即一边沿着<110>方向,因为{111}面之间的交线就是<110>方向，这就可以保证(bǎozhèng)沿<110>方向划片时不易弄碎管芯值得注意的是，在垂直<110>方向划片时，划刀的走向应当按图1-23所示的箭头方向进行，否则，划刀相反进行的，将易于引起晶片沿其它二个<110>方向的{111}面裂开，而造成管芯破碎。
第29页/共37页第二十九页，共38页 图1-22 {100}面管芯排列(páiliè)图1-23 {111}晶面上管芯的排列(páiliè)v在应力(yìnglì)的作用下，Ge、Si晶体将最易沿{111}面发生滑移，但究竟朝哪个方向最易发生滑移呢？实践表明这也是各向异性的，存在有一个所谓滑移方向，就是<110>方向这是不难理解的，因为<110>方向上原子的分布最密，原子间的作用必然较强，要冲破这些原子间的联系就不容易，所以只有沿该方向滑移时才不需要那么大的力第30页/共37页第三十页，共38页 v总而言之，Ge、Si晶体的滑移面（解理面）是{111}面，滑移方向(fāngxiàng)是<110>但有必要指出，这里所说的滑移面和滑移方向(fāngxiàng)，是指最容易发生的滑移的晶面和晶向，并不排除沿其它晶面和晶向发生滑移的可能例如，打碎一块Ge或Si单晶时，其断面不太整齐，这就是证明v下面我们根据Ge、Si晶体滑移的各向异性性质，来说明Ge、Si晶体中的棱位错的某些特点v我们知道，位错是晶体中发生不完全滑移的结果，是已滑移区与未滑移区的交界线图1-24中D点处垂直于纸面的一条线，称为棱位错，图中箭头表示的是滑移方向(fāngxiàng)。
可以想见，位错线应当位于滑移面内，而且是沿着原子密度最大的方向(fāngxiàng)所以，Ge、Si晶体中的位错线往往是在{111}面内，而且其方向(fāngxiàng)往往是<110>方向(fāngxiàng)而导致发生位错的滑移，其方向(fāngxiàng)如上述也是<110>方向(fāngxiàng)由于在同一个面内的两个<110>方向(fāngxiàng)，其间夹角为60°（见图1-17），故Ge、Si晶体中的棱位错线往往与滑移方向(fāngxiàng)互成60°夹角，因此，就把这种位错特称为“60°位错”第31页/共37页第三十一页，共38页 v位错不但可以通过滑移产生，而且也容易通过滑移而发生运动由于(yóuyú)Ge、Si晶体中存在有最容易发生滑移的晶面和晶向，所以Ge、Si晶体中位错的分布并不杂乱无章，而是有一定规律的，即位错线往往是处于{111}面内的<110>方向因此，在晶体的一个表面上所观察到的许多位错的露头处，将成为有规律的排列——位错排，如图1-25所示图1-24 棱位移(wèiyí)示意图图1-25 晶体(jīngtǐ)表面位错排的显示第32页/共37页第三十二页，共38页。
v一般说来，晶面间的共价键密度愈高，则此晶面簇的各晶面连接得愈牢，也就愈难被腐蚀(fǔshí)掉，因此在该晶面簇的垂直方向上腐蚀(fǔshí)速度就愈慢相反，晶面间的共价键密度愈低，则该种晶面愈易被腐蚀(fǔshí)掉，因此，在该晶面簇的垂直方向上腐蚀(fǔshí)速度就越快由表1-4可知，对Ge、Si晶体，{111}双层原子面内的共价键密度最高，其次是{100}，再其次是{110}所以Ge、Si晶体在<110>方向上腐蚀(fǔshí)速度最快，<100>次之，<111>最慢v3、 锗、硅晶体化学腐蚀(fǔshí)的各向异性第33页/共37页第三十三页，共38页 v我们知道，位错在晶体表面的露头处，经过腐蚀后将出现一些形状规则的腐蚀坑晶面种类不同，腐蚀坑的形状也不相同，据此可粗略地确定晶向，或用光点法精确地定向尽管腐蚀坑的形状与很多因素有关，但基本上腐蚀坑中的各个晶面都倾向于{111}面，因为沿<111>方向的腐蚀速度最慢，则{111}面最易显露出来因为方位不同的几组{111}面将围成正四面体（见图1-8），所以{111}面上的腐蚀坑形状将呈现为正三角形(zhènɡ sān jiǎo xínɡ)。
因为{100}面与{111}面将围成六角八面体的一半（见图1-12），所示{100}面上的腐蚀坑将呈现为正方形仍从图1-12看出，因为{110}面（通过C点和D点）与各个{111}面的交线是菱形，所以{110}面上的腐蚀坑将呈现为菱形在图1-14的各主要晶面上已画出了相应的腐蚀坑图形第34页/共37页第三十四页，共38页 v在集成电路的介质隔离技术中，为了提高集成度等指标，如何缩小隔离墙的尺寸是一个重要的问题(wèntí)使用{111}晶片时，腐蚀出的沟槽一般是宽度大于深度，且槽底是平坦的，见图1-26（a）故无法进一步减薄隔离墙但如果改用{100}晶片，则腐蚀出的沟槽将呈“V”形，见图1-26（b），从而可达到减薄隔离墙的目的，这就是所谓垂直各向异性腐蚀刻槽技术图1-26（b）中“V”形槽的出现，是由于{100}面较{111}面易被腐蚀，则沟槽中很易显露出{111}面，而（100）与（111）面间的夹角是54.74°，所以腐蚀出的沟槽呈“V”形槽的深度d可由其宽度W求得为第35页/共37页第三十五页，共38页 图1-26 不同(bù tónɡ)晶面的隔离墙（a） （111）面的隔离墙 （b） （100）面的隔离墙第36页/共37页第三十六页，共38页。
谢谢您的观看(guānkàn)！第37页/共37页第三十七页，共38页 内容(nèiróng)总结本章内容图中的立方体是反映Ge、Si晶体中原子排列基本特点的一个单元，常称为晶胞根据这种看法，则整个晶体可认为是由图1-2所示的许多共价四面体堆砌而成的由于这种失配杂质的掺入所引起的位错，称为失配位错怎样才能保证在半导体中既要掺杂浓度高又要保持晶体的完整呢考虑到Ge、Si的{111}面易于裂开这一特点，对指导半导体器件的生产实践具有重要意义在图1-14的各主要晶面上已画出了相应的腐蚀(fǔshí)坑图形第三十八页，共38页。