天津工業(yè)大學(xué) 晶體的概念及硅材料的特點(diǎn) 1 單晶硅片的制備 2 3 硅晶體中的雜質(zhì) 4 5 硅晶體中的缺陷 單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) Chap 1硅的制備及其晶體結(jié)構(gòu) 天津工業(yè)大學(xué) 氣態(tài) gasstate 液態(tài) liquidstate 固態(tài) solidstate 等離子體 plasma 物質(zhì)substance 晶體 crystal 非晶體 無(wú)定形體 amorphoussolid 單晶 水晶 金剛石 單晶硅多晶 金屬 陶瓷 晶體 crystal 物質(zhì)存在形式及晶體的概念 天津工業(yè)大學(xué) 無(wú)定形體和晶體 天津工業(yè)大學(xué) 多晶體 天津工業(yè)大學(xué) 天然單晶體 天津工業(yè)大學(xué) 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 原子 或分子 離子 在三維空間呈周期性重復(fù)排列 periodicrepeatedarray 即存在長(zhǎng)程有序 long rangeorder 性能上兩大特點(diǎn) 固定的熔點(diǎn) meltingpoint 各向異性 anisotropy 晶體的特點(diǎn) 天津工業(yè)大學(xué) 1 1硅材料的特點(diǎn) 硅器件室溫下有較佳的特性 熱穩(wěn)定性好 更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限 高品質(zhì)的氧化硅可由熱生長(zhǎng)的方式較容易地制得 硅元素含量豐富 25 成本低 高頻 高速場(chǎng)合特性較差 天津工業(yè)大學(xué) 二氧化硅的作用 天津工業(yè)大學(xué) 芯片和晶圓 Wafer Singledie chip 天津工業(yè)大學(xué) 1 2單晶硅片的制備 石英巖 硅砂 SiO2 天津工業(yè)大學(xué) 1 2 1多晶硅的制備 石英巖 高純度硅砂 天津工業(yè)大學(xué) 直拉法 Czochralski法 區(qū)域熔融法 FloatingZone法 1 2 2單晶硅錠的制備 天津工業(yè)大學(xué) 直拉法 CZ 天津工業(yè)大學(xué) 區(qū)域熔融法 FZ 區(qū)域提煉系統(tǒng)的原理圖 天津工業(yè)大學(xué) 直拉法和區(qū)熔法原理圖 區(qū)域熔融系統(tǒng)的原理圖 直拉法系統(tǒng)的原理圖 天津工業(yè)大學(xué) 直拉法和區(qū)熔法的比較 天津工業(yè)大學(xué) IC制造的基本工藝流程 天津工業(yè)大學(xué) 1 2 3硅片 晶園 wafer 的制備 天津工業(yè)大學(xué) 定位邊研磨 天津工業(yè)大學(xué) 硅片的定位邊 D 200mm 天津工業(yè)大學(xué) 硅片拋光和倒角 天津工業(yè)大學(xué) 硅片的CMP拋光 天津工業(yè)大學(xué) 1 3硅晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 晶胞 最大限度反映晶體對(duì)稱性的最小單元 七大晶系 14種布喇菲點(diǎn)陣 對(duì)應(yīng)14種晶胞 天津工業(yè)大學(xué) 金剛石的晶體結(jié)構(gòu) 天津工業(yè)大學(xué) 金剛石結(jié)構(gòu) Si Ge GaAs 天津工業(yè)大學(xué) 原子密度及晶體內(nèi)部空隙 原子密度晶格常數(shù)a Si 5 43 原子密度 晶胞中包含原子個(gè)數(shù) 晶胞體積晶體內(nèi)部空隙空間利用率 晶胞包含原子個(gè)數(shù) 原子體積 晶胞總體積 天津工業(yè)大學(xué) 硅晶體中的原子密度和空隙 8個(gè)頂點(diǎn)原子 6個(gè)面心原子4個(gè)體心原子總原子個(gè)數(shù) 1 3 4 8晶格常數(shù)為a Si 5 43 硅晶體中的原子密度為 8 a3 5 1022 cm3硅原子的半徑硅晶體中的空間利用率 天津工業(yè)大學(xué) 1 4晶體中的晶向和晶面 晶向 表示晶列的方向 從一個(gè)陣點(diǎn)O沿某個(gè)晶列到另一陣點(diǎn)P作位移矢量R 則R l1a l2b l3c l1 l2 l3 m n p化為互質(zhì)整數(shù) 晶向指數(shù) mnp 晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)指數(shù)在立方晶體中 同類晶向記為代表了 100 00 010 0 0 001 00 六個(gè)同類晶向 代表了立方晶胞所有空間對(duì)角線的8個(gè)晶向 表示立方晶胞所有12個(gè)面對(duì)角線的晶向 天津工業(yè)大學(xué) 晶面及密勒指數(shù) 晶面 點(diǎn)陣中的所有陣點(diǎn)全部位于一系列相互平行 等距的平面上 這樣的平面系稱為晶面 一系列等效的晶面構(gòu)成晶面族 天津工業(yè)大學(xué) 晶面指數(shù)表示方式 晶面指數(shù) hkl h k l是晶面與三晶軸的截距r s t的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù) 也稱為密勒指數(shù) 相應(yīng)的等效晶面族用 hkl 表示 r s t為晶面在三個(gè)晶軸上的截長(zhǎng) h k l為晶面指標(biāo) 晶面指數(shù)為 553 天津工業(yè)大學(xué) 立方晶體中常用的晶向和晶面 晶向晶向晶向 天津工業(yè)大學(xué) 面心立方結(jié)構(gòu) FCC 中的晶面 632 晶面 天津工業(yè)大學(xué) 金剛石結(jié)構(gòu)中的晶面 天津工業(yè)大學(xué) 常見晶面的面密度 天津工業(yè)大學(xué) 之前我們討論的都是完美的晶體 具有完美的周期性排列 但是由于晶格粒子本身的熱振動(dòng) 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中外界的影響 外界雜質(zhì)的摻入 外部電 機(jī)械 磁場(chǎng)等應(yīng)力的影響等等因素 使得晶格粒子的排列在一定范圍內(nèi)偏離完美的周期性 這種偏離晶格周期性的情況就稱為缺陷 defect 缺陷是不能完全避免的 實(shí)際中理想的完美晶體也是不存在的 雖然在某些情況下 缺陷的存在會(huì)造成一些危害 然而某些缺陷在半導(dǎo)體應(yīng)用中有著非常重要的作用 1 5硅晶體中的缺陷 天津工業(yè)大學(xué) 缺陷的分類 點(diǎn)缺陷線缺陷位錯(cuò)面缺陷層錯(cuò)體缺陷雜質(zhì)的沉積 自間隙原子 空位 肖特基缺陷 弗倫克爾缺陷 外來(lái)原子缺陷 替位或間隙式 天津工業(yè)大學(xué) 點(diǎn)缺陷 空位 Pointdefects Vacancies 空位即晶格中組成粒子的缺失 如果一個(gè)晶格正常位置上的原子跑到表面 在體內(nèi)留下一個(gè)晶格空位 則稱為肖特基 Schottky 缺陷 空位 點(diǎn)缺陷 pointdefect 晶格中點(diǎn)的范圍內(nèi)產(chǎn)生 空位是可以在晶格中移動(dòng)的 天津工業(yè)大學(xué) 空位 Vacancies 空位的產(chǎn)生需要打破化學(xué)鍵 因而需要一定的能量 空位的數(shù)量隨溫度的增加而增加 在不考慮雜質(zhì)的情況下 即本征intrinsic情況下 含有N個(gè)粒子的晶體 在溫度為T時(shí)空位的平衡濃度為 EV是空位產(chǎn)生能量 kB是Boltzmann常數(shù) 常溫下肖特基缺陷濃度約為1 1010cm 3 阿累尼烏斯公式 天津工業(yè)大學(xué) 間隙原子 Interstitials 晶格中存在著大量的空隙 如果有原子偏離了自身的晶格位置進(jìn)入間隙位置 則成為了間隙原子 顯然 間隙原子也是一種點(diǎn)缺陷 當(dāng)間隙原子和晶格原子大小相當(dāng)時(shí) 會(huì)引起很大的晶格破壞 因而需要很大的能量 如果間隙原子的體積比晶格原子小的多 則可以穩(wěn)定存在 天津工業(yè)大學(xué) 弗蘭克爾缺陷 FrenkelDefects 通常空位和間隙原子是成對(duì)出現(xiàn)的 離子離開它原來(lái)的位置進(jìn)入間隙形成間隙離子 同時(shí)留下一個(gè)空位 這種缺陷成為FrenkelDefect 它仍然是電中性的 Frenkeldefects可以由光照或者熱激發(fā) 而且也可以自身復(fù)合消失 放出一定的能量 發(fā)光 天津工業(yè)大學(xué) 線缺陷 位錯(cuò)LineDefects dislocations 晶體中的位錯(cuò)可以設(shè)想是在外力的作用下由滑移引起的 滑移后兩部分晶體重新吻合 滑移的晶面中 在滑移部分和未滑移部分的交界處形成位錯(cuò) 天津工業(yè)大學(xué) 刃位錯(cuò) Edgedislocations 滑移量的大小和反向可用滑移矢量B Burgers vector 來(lái)描述 當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量垂直時(shí) 稱為刃位錯(cuò) 懸掛鍵可以給出一個(gè)電子或從晶體中接受一個(gè)電子 從而對(duì)晶體的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響 天津工業(yè)大學(xué) 螺位錯(cuò) Screwdislocations 當(dāng)位錯(cuò)線與滑移矢量平行時(shí) 稱為螺位錯(cuò) 天津工業(yè)大學(xué) 對(duì)一般晶體而言 沿某些晶面往往容易發(fā)生滑移 這樣的晶面稱為滑移面 構(gòu)成滑移面的條件時(shí)該面上的原子面密度大 而晶面之間的原子價(jià)鍵密度小 且間距大 對(duì)于硅晶體來(lái)說(shuō) 111 晶面中 雙層密排面之間原子價(jià)鍵密度最小 結(jié)合最弱 因此滑移常沿 111 面發(fā)生 除了應(yīng)力形變可以產(chǎn)生位錯(cuò)外 晶格失配也可以引起位錯(cuò) 若某一部分摻入較多的外來(lái)原子 就會(huì)使晶格發(fā)生壓縮或膨脹 在摻雜和未摻雜的兩部分晶體界面上就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò) 以減少因晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力 這種位錯(cuò)稱為失配位錯(cuò) 螺位錯(cuò)的形成 天津工業(yè)大學(xué) 面缺陷 層錯(cuò) Sidedefects 多晶的晶粒間界是最明顯的面缺陷 晶粒間界是一個(gè)原子錯(cuò)排的過(guò)渡區(qū) 在密堆積的晶體結(jié)構(gòu)中 層錯(cuò)又稱為堆積層錯(cuò) 是由原子排列順序發(fā)生錯(cuò)亂引起的 層錯(cuò)并不改變晶體的電學(xué)性質(zhì) 但是會(huì)引起擴(kuò)散雜質(zhì)分布不均勻等影響 天津工業(yè)大學(xué) 體缺陷 Bodydefects 當(dāng)向晶體中摻入雜質(zhì)時(shí) 因?yàn)殡s質(zhì)在晶體中的溶解度是有限的 如果摻入數(shù)量超過(guò)晶體可接受的濃度時(shí) 雜質(zhì)將在晶體中沉積 形成體缺陷 這是一種三維尺度上的缺陷 體缺陷一般都對(duì)材料和器件的性能有很大的影響 尤其是重金屬沉積形成的體缺陷 所以要盡量避免體缺陷的產(chǎn)生 天津工業(yè)大學(xué) 1 6硅中雜質(zhì) Impurities 制備純的晶體是非常困難的 因?yàn)樵谥苽涞倪^(guò)程中周圍的氣氛以及容器中的原子會(huì)進(jìn)入晶體替代晶體本身的原子 這種外來(lái)的其他原子就稱為雜質(zhì) impurities 雜質(zhì)會(huì)對(duì)晶體的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響 既有有利的也有不利的 我們經(jīng)常會(huì)向晶體中加入雜質(zhì) impuritiesordopants 來(lái)達(dá)到某種目的 這個(gè)過(guò)程就是摻雜 doping 天津工業(yè)大學(xué) 硅中雜質(zhì)的存在形式 天津工業(yè)大學(xué) 本征硅 Silicon 本征硅 intrinsic ni 本征載流子濃度 天津工業(yè)大學(xué) n型半導(dǎo)體 n typesemiconductor n型摻雜硅 n DopedSilicon As是五價(jià)元素 多余一個(gè)電子 相當(dāng)與它給出一個(gè)電子 是施主 donor 摻入As的Si是非本征 extrinsic 半導(dǎo)體 它是電子導(dǎo)電 電子帶負(fù)電 negative 所以稱為n型半導(dǎo)體 天津工業(yè)大學(xué) 施主 雜質(zhì)在帶隙中提供帶有電子的能級(jí) 能級(jí)略低于導(dǎo)帶底的能量 和價(jià)帶中的電子相比較 很容易激發(fā)到導(dǎo)帶中 形成電子載流子 含有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體 主要依靠施主熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子導(dǎo)電 n型半導(dǎo)體 n型摻雜硅 n DopedSilicon 天津工業(yè)大學(xué) p型摻雜硅 p DopedSilicon p型半導(dǎo)體 p typesemiconductor B是三價(jià)元素 少一個(gè)電子 相當(dāng)與它接受了一個(gè)電子 是受主 acceptor 摻入B的Si是非本征 extrinsic 半導(dǎo)體 它是空穴導(dǎo)電 空穴帶正電 positive 所以稱為p型半導(dǎo)體 天津工業(yè)大學(xué) 受主 雜質(zhì)提供帶隙中空的能級(jí) 電子由價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)要比激發(fā)到導(dǎo)帶容易的多 主要含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體 因價(jià)帶中的一些電子被激發(fā)到施主能級(jí) 而在價(jià)帶中產(chǎn)生許多空穴 主要依靠這些空穴導(dǎo)電 p型半導(dǎo)體 p型摻雜硅 p DopedSilicon 天津工業(yè)大學(xué) 淺能級(jí) 類氫雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì) N型半導(dǎo)體 在IV族 Si Ge 族化合物中摻入V族元素 P As Sb 在III V族化合物中摻入VI族元素取代V族元素 特點(diǎn)為半導(dǎo)體材料中有多余的電子 P型半導(dǎo)體 在IV族 Si Ge 族化合物中摻入III族元素 Al Ga In 在III V族化合物中摻入II族元素取代III族元素 特點(diǎn)為半導(dǎo)體材料中形成空穴 摻入多一個(gè)電子的原子 電子的運(yùn)動(dòng)類似于氫原子中電子的情況 以上形成的施主或受主 稱為類氫雜質(zhì)能級(jí) 其特點(diǎn)為束縛能很小 對(duì)于產(chǎn)生電子和空穴特別有效 施主或受主的能級(jí)非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶 被稱為淺能級(jí)雜質(zhì) 天津工業(yè)大學(xué) 深能級(jí)雜質(zhì) 一些摻雜半導(dǎo)體中的雜質(zhì)或缺陷在帶隙中引入的能級(jí)較深 被稱為深能級(jí)雜質(zhì) 一般情況下深能級(jí)雜質(zhì)大多為多重能級(jí) 深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷的作用1 可以成為有效復(fù)合中心 大