第一章 半導體襯底主講：張彥E-mail: 合工大電物學院微電子學教研室本章內容l 硅的晶體結構l 晶向、晶面、堆積模型l 硅晶體中缺陷和雜質l 晶體生長l 硅片的制備一、硅的晶體結構固態物質都是以晶體或非晶體的形式存在lll晶體：原子按一定規律周期排列單晶體：內部所有原子都按一定規律周期排列多晶體：由許多小的晶粒無規則的堆積而成。特點：長程無序半導體的主要結構形式無定形CrystallineAmorphousPolycrystallineACB合肥工業大學物理系 微電子教研室 張彥A.無定形B.單 晶C.多 晶一、硅的晶體結構l硅是微電子工業中應用最廣泛的半導體材料，占整個電子材料的95左右，人們對它的研究最為深入，工藝也最成熟，在鍵角：10928集成電路中基本上都是使用硅材料。硅四面體結構硅、鍺、砷化鎵電學特性比較ll鍺應用的最早，一些分立器件采用；砷化鎵是目前應用最多的化合物半導體，主要是中等集成度的高速IC，及超過GHz的模擬IC使用，以及光電器件從電學特性看硅并無多少優勢性質SiGeGaAs擊穿電場（V/m）30835禁帶類型間接間接直接禁帶寬度（eV）1.120.671.43晶格遷移率2Cm /V.s電子135039008600空穴4301900250本征載流子濃度-3（cm ）1.45*10102.4*18109.0*610硅作為電子材料的優點llllll原料充分；硅晶體表面易于生長穩定的氧化層，這對于保護硅表面器件或電路的結構、性質很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學特性好，線熱膨脹系數小，2.5*10-6/ ，熱導率高，1.50W/cm；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機械性能良好。1、硅晶體特點l硅具有金剛石立方晶格的晶體結構（ diamond cubic lattice0A）0Al 晶格常數 a=5.43（簡立方格之邊長）A （約2.35）（最鄰近原子間距就是1/4對角線長度）l 原子之間的最小距離 042、硅原子密度（原子數/體積）l硅的金剛石結構可看成是兩個面心立方晶格套構而成。在這個立方單元內：l 頂角：8個原子，折合成屬于該晶格的原子數為1/8*8=1個l 面心上：6個原子，折合原子數為1/2*6=3個l 空間對角線：4個原子硅原子密度:（1+3+4)/a3=5.22 10 22 / cm33、復式格子和正四面體結構ll晶格內包含著兩類不等價的硅原子。一類處于立方體的面心和頂角（A）；另一類處于立方體的體對角線上（B）；兩類原子數目相同。硅晶體結構可看成是由兩套面心立方沿空間對角線平移1/4對角線長度套構而成，其共價鍵在空間的取向對同一套面心立方格子相同，對不同套格子不同，形成復式格子。4、硅原子空間占有率l定義：晶體中最小原子間距的二分之一為硬球（原子）半徑，又稱共價半徑。硅原子半徑：rsi =380a 1.175 A 43p rsi 3a / 8l結論：硅晶體結構特點內部存在著相當大的空隙(便于其它小半徑原子（雜質）的存在和運動).l 硅原子空間占有率：3 34%二、晶向、晶面和堆積模型1、晶向基本概念lllll晶列：晶格中原子可以看成是排在一系列方向相同的平行直線系上（相互平行），這些直線系稱。同一晶體中存在許多取向不同的晶列，不同取向的晶列上原子排列情況一般不同。晶體的許多性質都與晶列方向有關。晶向:晶列的方向。通常用其表示一族晶列（直線系）所指的方向。晶向指數：任何一個晶列的方向都可以由連接晶列中相鄰兩個原子（格點）的矢量表示：A = m1 x + m2 y + m3 z一般寫成 m1, m2 , m3 ，稱晶向指數等價的晶向指數： m1, m2 , m3舉例：一個簡單晶格，以格點0為頂點，三邊分別為基矢 x, y, zllOB：連接晶列中相鄰格點的矢量，長度只有在X方向上分量為a,其余為零。m1=1,m2=m3=0,即此晶列的晶向指數為100。等價晶向指數: 6個，記作, XYZ軸的正反方向.OA:111，8個等價晶向指數（空間對角線的8個方向）lOC：110，12個等價晶向指數（三個平面軸的夾角平分線的正反方向）2、原子線密度l 概念：某晶向上單位長度內的原子數目。l 100及其等價晶向上： 2 11 2 = 1l2a 2a al12 + 123a=23a=1. 17al 結論：110方向上的原子線密度相比最大2 + 1 a a110：22 1.4=111：3、晶面基本概念l 晶面：晶格中原子可以看成是排在一系列方向相同的平面系上（相互平行），這些平面系稱。l 同一晶體中存在許多取向不同的晶面，不同取向的晶面上原子排列情況一般不同。l 晶面指數：(h,k,l),又稱密勒指數，h，K，l為互質整數hkl按照下述步驟得到：a) 找到晶面在晶體坐標軸上的截距，這些截距用基本矢量的整數倍來表示。b) 取這些在步驟a) 中得到的整數的倒數。c) 找到與這三個倒數有著相同相互關系的一組最小的整數h, k 和l。舉例l 例1：如果三個倒數是1/4,1/3 和1/2， 那么3, 4和6 就是與這三個倒數有相同的相對值的三個最小整數。這些整數就是晶面的Miller 指標,這晶面被標做( 3,4,6 )l 例2：4、原子面密度l概念：某晶面上單位面積的原子數目。（100）及其等價晶面上1 12 + 4 + 2 42a a42a 22. 8a 21 + 4 a 214 = 2a 2（111）13 + 362212 =43a22 .3a 2結論：（100）的原子面密度最小，cmos多用；（111）的原子分布較稀疏，在該面擴散合肥工業大 系 微電子教研室 張（110）2 =3a系數較大學，物理雙級工藝常用彥。5、面心立方晶格的堆積模型假設每個粒子均為剛性圓球，討論它們在平面上的最緊密排列方式。從等徑圓球密堆積圖可以看出：1.2.只有1種堆積形式;每個球和周圍6個球相鄰接（均勻對稱分布、與其相切）,配位數位6,形成6個三角形空隙;3、每個空隙由3個球圍成;一層球堆積方式兩層球的堆積情況分析1.要求:在第一層上堆積第二層，要形成最密堆積，保證第二層本身密排.2.方法：將第二層每個球 放在第一層相間的空隙上3.結果：第二層球均與本層6個球相切，還和第一層三個球相切。密排面：原子球在該平面內以最緊密方式排列。堆積方式：在堆積時把一層的球心對準另一層球合肥工業大學物理系 微電子教研室 張彥隙，獲得最緊密堆積三層球堆積情況分析第二層堆積時形成了兩種空隙,因此在堆積第三層時就會產生兩種方式：1.排列方式一：本身密排，放在第二層上面，等徑圓球的位置恰好完全放在第一層上方，其排列方式與第一層相同（重合），但與第二層錯開，形成ABAB堆積。稱為六角密積任何一球在自身平面與6個球相切，與上下層各三個球相切，配位數為12.六角密積示意圖合肥工業大學物理系 微電子教研室 張彥三層球堆積情況分析l排列方式二：本層球密排，與第一層位置不同，若以中間層為參考，如果第一層球占了三個相間空隙，則第三層球就占據了另三個相間空隙（相對于第二層而言）。這樣，第三層與第一、第二層都不同而形成ABCABC的結構。這種堆積方式可以從中劃出一個立方面心單位來，所以稱為面心立方最密堆積（立方密積），每個原子配位數12。立方密積堆積和示意圖立方密積：第三層的另一種排列方式，是將球對準第一層的 2，4，6 位，不同于 AB 兩層的位置，這是 C 層。615243615243615243ABAB六角密積（鎂型）ABCABC立方密積（銅型）6、面心立方晶格結構及密排面l是立方密積（ABCABC）,（111）是密排面，整個晶體可以看成是由許多密排面沿方向堆積而成的。BCACBBAC面心立方晶格（立方密排晶格）面心（111）以立方密堆方式排列7、硅晶體的雙層密排面ll硅晶格是由兩套面心立方晶格嵌套而成，兩套面心立方格子分別構成ABC結構，其中一套沿空間對角線平移1/4長度。故硅晶向是AABBCC結構，形成雙層密排面ll。兩層外間距AA：兩層內間距CA3a43a12CA雙層密排面：原子距離最近，結合最為牢固，能量最低，腐蝕困難，容易暴露在表面，在晶體生長中有表面成為111的趨勢雙層密排面之間：原子距離最遠，結合脆弱，晶格缺陷容易在這里形成和擴展，在外力作用下，很容易沿著111晶面劈裂，這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。ABBC硅111晶面特點llll解理面都是111，由于111雙層密排面本身結合牢固，而相互間結合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著111晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱；化學腐蝕呈現111；晶體生長有向111晶面發展的趨勢；雜質特別容易進入111晶面的縫隙；三、硅晶體中的缺陷和雜質1、晶體缺陷：即使在每個晶粒的內部，也并不完全象晶體學中論述的(理想晶體)那樣，原子完全呈現周期性的規則重復的排列。把實際晶體中原子排列與理想晶體的差別稱為晶體缺陷。晶體中的缺陷的數量相當大，但因原子的數量很多，在晶體中占有的比例還是很少，材料總體具有晶體的相關性能特點，而缺陷的數量將給材料的性能帶來巨大的影響。l 按照維數分類：點缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷(1)點缺陷只涉及單個原子或單個原子位置問題l類型：a) 間隙原子在晶格非結點位置，往往是晶格的間隙，出現了多余的原子?？赡苁峭愒?，也可能是異類原子。b) 空位空格點。在晶格結點位置應有原子的地方空缺，這種缺陷稱為“空位”。c) 弗侖克耳缺陷原子離開平衡位置進入間隙，形成等量的空位和間隙原子。d) 肖特基缺陷只形成空位不形成間隙原子（硅原子離開正常位置跑到表面）。晶體中的點缺陷類型示意圖點缺陷對材料性能的影響原因：無論那種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結點位置才能平衡，即造成小區域的晶格畸變。影響：提高材料的電阻,定向流動的電子在點缺陷處受到非平衡力(陷阱),增加了阻力，加速運動提高局部溫度(發熱)。加快原子的擴散遷移,空位可作為原子運動的周轉站.形成其他晶體缺陷過飽和的空位可集中形成內部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯。改變材料的力學性能空位移動到位錯處可造成刃位錯的攀移，間隙原子和異類原子的存在會增加位錯的運動阻力。會使強度提高，塑性下降（2)、線缺陷l線缺陷：在三維空間的一個方向上的尺寸很大(晶粒數量級)，另外兩個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。l 線缺陷最常見的就是位錯（Dislocation）。位錯附近，原子排列偏離了嚴格的周期性，相對位置發生了錯亂。l 位錯一般是當晶體受力發生范性形變時，通過滑移（沿晶向、晶面）或攀移過程進行的。滑移后兩部分晶體重新吻合。在交界處形成位錯。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。1A 32缺陷附近共價鍵被壓縮1、拉長2、懸掛3，存在應力B(a)正常晶格兩種位錯形式的原子模型圖位錯一般分為刃位錯和螺位錯。刃位錯：位移線垂直于滑移方向螺位錯：位移線平行于滑移方向混合位錯:滑移區和未滑移區交界線為曲線(c)(b)刃位錯螺位錯位錯在晶體表面的露頭拋光后的試樣。在侵蝕時，由于易侵蝕而出現侵蝕坑，其特點是坑為規則的多邊型且排列有一定規律。只能在晶粒較大，位錯較少時才有明顯效果。薄膜透射電鏡觀察將試樣減薄到幾十到數百個原子層(500nm以下)，利用透射電鏡進行觀察，可見到位錯線。(3).面缺陷lll面缺陷：在三維空間的兩個方向上的尺寸很大(晶粒數量級)，另外一個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。典型代表：層錯。層錯：在密排晶體中原子面的堆積順序出現反常，錯亂而造成的（原子排列在某一層發生錯誤，產生的堆垛層錯)。(4)體缺陷：晶體內部偏離周期性點陣結構的三維缺陷，是由過飽和的摻雜形成（雜質在晶體中沉積形成）。表.硅晶體中的缺陷結團作用高濃度低維缺陷傾向于集聚，形成更高維缺陷，釋放能量類型維數舉例點0空位、間隙、弗倫克爾缺陷（內在的硅自間隙）（外來的摻雜物質，氧、碳、金屬）線1線性位錯（刃位錯和螺位錯）位錯環面2層錯 孿晶 晶粒間界體3沉積物，空腔（氧沉積，金屬沉積）缺陷的產生及去除l缺陷是存在應力的標志，微電子工藝過程中能夠誘導缺陷的應力主要有三種：l 存在大的溫度梯度，發生非均勻膨脹，在晶體內形成熱塑性應力，誘生位錯；l 晶體中存在高濃度的替位雜質，而這些雜質和硅原子大小不同，形成內部應力誘生缺陷；l 硅晶體表面受到機械外力，如表面劃傷、或受到轟擊（離子，射線等），外力向晶體中傳遞，誘生缺陷。l 問題：缺陷如何去除？單晶生長時的工藝控制；非本征吸雜，在無源區引入應變或損傷區來吸雜；本征吸雜，氧是硅片內固有的雜質，硅中氧沉淀，氧有吸雜作用，是一種本征吸雜。2、硅晶體中的雜質l某些非硅原子處在填隙位置或晶格位置時，形成的非本征缺陷，成為雜質。l 雜質和導電類型：多數半導體材料，常常人為地通過一定的工藝手段摻入一定數量的某種原子（雜質）以便控制導電類型和導電能力，代替硅原子而占據晶格位置，并能在適當的溫度下施放電子或空穴，從而控制和改變晶體的導電能力。l 硅晶體中摻入磷，變成以電子導電為主的N型半導體。摻入硼，變成以空穴導電為主的P型半導體。l 同一半導體，一部分摻入N型雜質，另一部分P型雜質，在兩雜質濃度相等處就形成P-N結。3、雜質在硅晶體中的溶解度llll相圖：表達混合材料性質的一種方式。二元相圖是指標示出兩種材料混合物穩定相區域的一種圖，是組分百分比和溫度的函數。固溶度：雜質在晶體中的最大溶解度。在一定溫度下，元素B能夠溶解到晶體A內的最大濃度，稱為這種雜質在晶體A中的固溶度。在一定條件下，某些物質可以無限的溶解于另一種物質之中，形成連續固溶體，如鍺硅系統。而磷和硼往往在硅中形成有限替位固溶體。雜質在硅晶體中的最大固溶度給雜質在硅中的擴散設置了表面濃度的上限。參考某元素能否適合作為擴散雜質的重要標準：看其固溶度是否大于所要求的表面濃度。Ge-Si相圖液相線1150固相線22合肥工業大學物理系 微電子教研室 張彥 58四. 晶體生長與單晶制備直拉法區熔法液體掩蓋直拉法高純硅的制作99.999999999%的超高純？1 切克勞斯基（CZ）晶體生長（直拉法）ll晶體生長理論對硅來說，CZ工藝是一種從液態到固態的單元素晶體生長系統。界面附近的熱傳輸條件可模擬為：Ldmdt+ K ldTdx1A1 = K sdTdx2A2L為硅結晶潛熱；dm/dt:質量固化速率；Kl和Ks分別是溶化硅和固態硅在熔融溫度點的熱導率；dT dT,點)的熱梯度dx1 dx2 分別為位置1、2（液體和固體中靠近界面的上式表示：在界面附近區域，由界面流向結晶硅的熱流密度與熔硅流向界面的熱流密度之差為界面區域單位時間內釋放的潛熱l從前面式子導出溶體中零溫度梯度條件下最大拉晶速率Vmax=K s dtL d dx溫邊界層（液）（d固體硅密度）度l實際生產中，一般不會采用最大提拉速度。拉單晶的速率會影響雜質進入單晶，是導致產生缺陷的一個因素。固（晶）界面液（熔）距離CZ生長中的溫度梯度、固化和輸運現象示意圖紅色代表雜質，藍色代表硅原子2. 實際生產中拉單晶的方法 熔硅：把提純的多晶硅和根據需要摻雜的摻雜劑放入石英坩堝熔化，要控制好熔硅的時間。 引晶（下種）：分別調節籽晶和坩堝的轉速，將籽晶慢慢下降同熔硅接觸。若籽晶端部稍微熔化，熔硅很快浸潤籽晶并沿籽晶垂直面攀緣而上，說明熔硅溫度適當。 收頸：如果溫度適當，慢慢將籽晶向上提拉并逐漸增大拉速。細而長的頸部有利于抑制位錯從籽晶向頸部以下晶體延伸。整個拉單晶過程就是控制好溫度、轉速和拉速。lll放肩：根據收頸時的溫度變化，將熔料溫度降低1540，并降低拉速，隨時測量直徑、保持溫度穩定，盡可能長成平肩。收肩、等徑生長：當直徑達到要求后，在自動控制系統控制下等直徑生長。收尾：在坩堝中硅料剩到一定量時，停止坩堝跟蹤，逐漸升溫并繼續維持等徑生長時的拉速，讓尾部長成錐形。單晶成長流程圖抽真空測漏氣率(1hr)晶體成長(30 hrs)尾部成長(5 hrs)坩堝加熱融化多晶硅塊(7 hrs)晶冠成長(2 hrs)冷卻(4 hrs)等待穩定平衡(2 hrs)頸部成長(1 hr)圖：直拉法制備單晶硅圖：直拉法制備單晶硅旋轉卡盤籽晶生長晶體射頻加熱線圈熔融 硅4.3 CZ法拉單晶系統l系統構成一：爐子1.坩堝：石英（氮化硅）2.基座: 高純石墨3.爐膛：加熱器與爐壁之間絕熱4.加熱：高頻爐或直流電阻絲，便于控制功率溫度。4.3 CZ法拉單晶系統其它系統組成lll拉單晶機構：包括籽晶軸桿或鏈條、旋轉機構、籽晶夾具。氣氛控制：包括氣體源、流量控制、鈍化管道、排氣和真空系統控制系統：微處理機、傳感器、輸出部分?？刂茰囟?、單晶直徑、拉晶速率和轉速、提升、降落等。8英寸單晶拉制車間4.4 用于高純硅的區熔法分凝現象：假設某種雜質在晶體中的濃度處處相同，當晶體逐段溶化和凝固后，固相和液相晶體中可容納的雜質濃度并不相同，這種雜質濃度在固液相界面兩邊重新分布的現象，稱。平衡分凝系數：此兩種狀態下的摻雜濃度的比例定義為平衡分凝系數k0 =CsClCs和Cl分別是在固態和液體界面附近的平衡摻雜濃度分凝系數的大小反映了在生長過程中硅中的雜質大多數會存留在固態或液態中。對于硅，多數K。1l當晶體生長時，摻雜劑會持續不斷地被排斥而留在融體中(K01)。如果排斥率比參雜的擴散或攪動而產生的傳送率高時，在界面的地方會有濃度梯度產生。定義：有效分凝系數ke =CsCl=k0k0 + (1 - k0 )e- vd / D式中，V生長速度；D是摻雜原子在熔體中的擴散系數在晶體內的均勻摻雜分布（ke1），可由高的拉晶速率和低的旋轉速率獲得。另外一種獲得均勻分布的方法是持續不斷的加入高純度的多晶硅于融體中，使初始的摻雜濃度維持不變。懸浮區熔法（float-zone）l可生長比一般Cz法生長單晶所含有的更低雜質濃度的硅。l生長的晶體主要用于高電阻率材料的器件，如高功率、高壓等器件。直拉法和區熔法的比較llCZ直拉法 工藝成熟，應用廣泛 成本較低可拉制大直徑的硅單晶 (300 mm in production)能較好地拉制低位錯難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質污染，氧污染。區熔法 硅單晶的雜質濃度更低 成本較高，不能大直徑（smaller wafer size (150 mm)） 主要用于制備功率器件.缺點是有較高的位錯密度4.5液體掩蓋直拉法(LEC)主要用來生長砷化鎵晶體和標準的直拉法一樣由于熔融物里砷的揮發性通常采用一層氧化硼漂浮在熔融物上來抑制砷的揮發。故得其名磁控直拉法（MCZ法）籽晶晶體砷化 鎵熔化 物氧化硼