1、1，天津理工大學(xué)，晶體的概念和硅材料的特性，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)特性，第1章硅的制備和晶體結(jié)構(gòu)，2，天津理工大學(xué)，氣態(tài)，液態(tài)，固態(tài)等離子體，物質(zhì)，晶體非晶，非晶固體，單晶：晶體，金剛石，單晶硅多晶：金屬，陶瓷，晶體，物質(zhì)的存在形式和晶體的概念，3，天津理工大學(xué)，無(wú)定形體和晶體，4，天津理工大學(xué)，多晶體，5。天津理工大學(xué)，天然單晶，6。天津理工大學(xué)晶體結(jié)構(gòu)的基本特征：原子(或分子，離子)在三維空間中周期性重復(fù)，即有兩大長(zhǎng)程有序性能特征：固定熔點(diǎn)，各向異性，晶體特征，7，天津理工大學(xué)，1.1硅材料特征，以及硅器件在室溫下具有更好的特性

2、；良好的熱穩(wěn)定性，較高的熔化溫度允許更寬的工藝公差；通過(guò)熱生長(zhǎng)可以容易地制備高質(zhì)量的氧化硅；富含硅(25)，成本低；高頻高速時(shí)特性差。8，天津理工大學(xué)，二氧化硅的作用，9，天津理工大學(xué)，芯片與晶圓，晶圓，單芯片，芯片，10，天津理工大學(xué)，1.2單晶硅片、石英巖、石英砂(二氧化硅)的制備，11，天津理工大學(xué)，1.2.1多晶硅的制備，直拉法，浮動(dòng)區(qū)法，1.2.2單晶硅錠的制備，13，天津理工大學(xué)，CZ，天津理工大學(xué)，F(xiàn)Z方法，區(qū)域精煉系統(tǒng)示意圖，15，天津理工大學(xué)，直拉法和區(qū)熔法示意圖直拉系統(tǒng)示意圖，16，天津理工大學(xué)，直拉法與區(qū)熔法的比較，17，天津理工大學(xué)，集成電路制造基本流程，18，天津理工

3、大學(xué)，1.2.3硅片的制備(晶圓，晶圓)，19，天津理工大學(xué)，邊磨邊定位，20，天津理工大學(xué)，硅片拋光與倒角，22，天津理工大學(xué)，硅片化學(xué)機(jī)械拋光，23，天津理工大學(xué)，1.3硅晶體結(jié)構(gòu)特征，晶胞：最小的晶胞最大程度地反映晶體對(duì)稱(chēng)性；七個(gè)晶體系統(tǒng)，14種布拉格晶格，對(duì)應(yīng)14種晶胞；24，天津理工大學(xué)，鉆石晶體結(jié)構(gòu)，25，天津理工大學(xué)，菱形結(jié)構(gòu)(斯，葛，)，26，天津理工大學(xué)，原子密度與晶體內(nèi)部空隙，原子密度晶格常數(shù)a(硅=5.43)原子密度晶胞中所含原子的數(shù)量/晶胞體積晶體內(nèi)部空隙的空間利用率晶胞中所含原子的數(shù)量*原子體積/晶胞總數(shù)6面心原子和4體心原子的總數(shù)是1348。晶格常數(shù)是(硅=5.43

4、)。硅晶體中的原子密度為：8/a3=5*1022/cm3。硅晶體的空間利用率，28。天津理工大學(xué)，1.4。晶體中的晶體取向和平面，晶體取向：表示晶體柱的方向，從一個(gè)陣列點(diǎn)O沿著某一個(gè)陣列點(diǎn)。(l1:l23360l3m:n:p轉(zhuǎn)換為互質(zhì)整數(shù))，方向指數(shù)mnp:方向向量在三次軸上投影的互質(zhì)指數(shù)。在立方晶體中，均勻取向表示100，00，010，00，001和00的六個(gè)均勻取向。代表立方晶胞所有空間對(duì)角線的八個(gè)晶體取向；指示立方晶胞所有12個(gè)面的對(duì)角線的晶體方向。29，天津理工大學(xué)，晶面和米勒指數(shù)，晶面：點(diǎn)陣中的所有陣列點(diǎn)都位于一系列平行等距的平面上，這樣的平面稱(chēng)為晶面，一系列等效晶面構(gòu)成晶面族。30

5、，天津理工大學(xué)，晶面指數(shù)表達(dá)式，晶面指數(shù)(hkl): H，K，L是晶面與晶軸截距R，S，T的倒數(shù)整數(shù)，也稱(chēng)為米勒指數(shù)，相應(yīng)的等效晶面族用hkl表示。(r，s，t是三個(gè)晶軸上晶面的截面長(zhǎng)度，h，k，l是晶面的指數(shù)。)，晶面的指數(shù)為(553)、31、天津理工大學(xué)，常用立方晶體中的晶向和晶面，晶向到晶向，32，天津理工大學(xué)，面心立方晶體。天津理工大學(xué)，共晶面面密度，35，我們之前討論過(guò)的所有晶體都是具有完美周期排列的完美晶體。然而，由于晶格粒子的熱振動(dòng)、晶體生長(zhǎng)過(guò)程中外界的影響、外部雜質(zhì)的摻入、外部電、機(jī)械、磁等應(yīng)力的影響，晶格粒子的排列在一定范圍內(nèi)偏離了理想的周期性。這種偏離晶格周期的現(xiàn)象稱(chēng)為缺陷

6、。缺陷是無(wú)法完全避免的，完美的晶體在實(shí)踐中是不存在的。雖然在某些情況下，缺陷的存在會(huì)造成一些危害，但一些缺陷在半導(dǎo)體應(yīng)用中起著非常重要的作用。1.5硅晶體中的缺陷，36，天津理工大學(xué)，缺陷分類(lèi)，點(diǎn)缺陷沉積，線缺陷，位錯(cuò)平面缺陷，堆垛層錯(cuò)雜質(zhì)，自填隙原子，空位，肖特基缺陷，倫克爾缺陷，外來(lái)原子缺陷(替代或填隙)，37，天津理工大學(xué)，點(diǎn)缺陷空位，空位是指晶格中成分粒子的缺失。如果一個(gè)原子在晶格的正常位置運(yùn)行到表面，并在體內(nèi)留下一個(gè)晶格空位，這就是所謂的肖特基缺陷。空位：是在點(diǎn)缺陷點(diǎn)陣的中點(diǎn)范圍內(nèi)產(chǎn)生的，空位可以在點(diǎn)陣中移動(dòng)，38，空位，天津理工大學(xué)的空位，空位的產(chǎn)生需要打破化學(xué)鍵，所以它需要一定的

7、能量，并且空位的數(shù)量隨著溫度的升高而增加。不考慮雜質(zhì)(即本征本征)，n粒子的平衡濃度為：EV為空位生成能，kB為玻爾茲曼常數(shù)，肖特基缺陷濃度在常溫下約為11010cm-3，阿倫尼烏斯公式，39。天津理工大學(xué)，間隙原子，存在于晶格中。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的尺寸相同時(shí)，會(huì)造成很大的晶格損傷，因此需要大量的能量。如果間隙原子的體積比晶格原子的體積小得多，它們就能穩(wěn)定存在。40，通?？瘴缓吞钕对映蓪?duì)出現(xiàn)，離子離開(kāi)它們?cè)瓉?lái)的位置并進(jìn)入空隙形成填隙離子，同時(shí)留下空位。這種缺陷被稱(chēng)為弗蘭克爾缺陷，它仍然是電中性的。弗倫克爾缺陷可以被光或熱激發(fā)，也可以自行復(fù)合和消失，釋放出一定

8、量的能量(發(fā)光)。41，天津理工大學(xué)，線缺陷-位錯(cuò)，晶體中的位錯(cuò)可以假定是由外力作用下的滑動(dòng)引起的。滑動(dòng)后，晶體的兩個(gè)部分再次重合。在滑動(dòng)晶面中，位錯(cuò)形成在滑動(dòng)部分和非滑動(dòng)部分之間的界面處。42，天津理工大學(xué)，邊緣位錯(cuò)，滑移的大小和反向可用Burgers Vector描述，當(dāng)位錯(cuò)線垂直于滑移矢量時(shí)，稱(chēng)為邊緣位錯(cuò)。懸掛鍵可以從晶體中給出一個(gè)電子或接受一個(gè)電子，從而影響晶體的電學(xué)性質(zhì)。43，天津理工大學(xué)，螺旋位錯(cuò)，當(dāng)位錯(cuò)線平行于滑移矢量時(shí)，它被稱(chēng)為螺旋位錯(cuò)。44，對(duì)于普通晶體，很容易沿著某些晶面滑移，這種晶面稱(chēng)為滑移面。當(dāng)滑移面形成時(shí)，平面上的原子面密度大，而晶面間的價(jià)鍵密度小，距離大。對(duì)于硅晶體

9、來(lái)說(shuō)，在111晶面上，兩個(gè)緊密排列的晶面之間的價(jià)鍵密度最小，鍵最弱，所以滑移經(jīng)常沿著111晶面發(fā)生。除了應(yīng)力變形，晶格失配也能導(dǎo)致位錯(cuò)。如果某一部分摻雜了更多的雜質(zhì)原子，晶格會(huì)被壓縮或膨脹，摻雜晶體和未摻雜晶體的界面會(huì)發(fā)生位錯(cuò)，從而降低晶格失配引起的應(yīng)力。這種錯(cuò)位稱(chēng)為錯(cuò)位錯(cuò)位。45、螺釘錯(cuò)位的形成。側(cè)面缺陷，多晶的晶界是最明顯的表面缺陷，晶界是原子位錯(cuò)的過(guò)渡帶。在密集的晶體結(jié)構(gòu)中，堆垛層錯(cuò)，也稱(chēng)為堆垛層錯(cuò)，是由原子排列順序的無(wú)序引起的。堆垛層錯(cuò)不會(huì)改變晶體的電學(xué)性質(zhì)，但會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散雜質(zhì)的不均勻分布。46，天津理工大學(xué)，體缺陷，當(dāng)雜質(zhì)被摻雜到晶體中時(shí)，由于雜質(zhì)在晶體中的溶解度有限，如果摻雜量超過(guò)晶

10、體的可接受濃度，雜質(zhì)將沉積在晶體中并形成體缺陷。這是三維的缺陷。通常，體缺陷對(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，因此有必要盡可能避免體缺陷的發(fā)生。47，1.6雜質(zhì)在硅中，制備純晶體是非常困難的，因?yàn)樵谥苽溥^(guò)程中周?chē)拇髿夂腿萜髦械脑訒?huì)進(jìn)入晶體來(lái)取代晶體本身中的原子，而這樣的外來(lái)原子被稱(chēng)為雜質(zhì)。雜質(zhì)對(duì)晶體的性質(zhì)有很大的影響，既有利又不利。我們經(jīng)常向晶體中添加雜質(zhì)或摻雜物來(lái)達(dá)到某種目的，這個(gè)過(guò)程就是摻雜。48，天津理工大學(xué)，硅中雜質(zhì)的存在形式，49，天津理工大學(xué)，本征硅，本征硅，鎳：本征載流子濃度，50，天津理工大學(xué)，N型半導(dǎo)體，摻砷的N施主硅是一種非本征半導(dǎo)體，具有導(dǎo)

11、電性和負(fù)電荷，故稱(chēng)之為N型半導(dǎo)體。51，天津理工大學(xué)，施主：雜質(zhì)在帶隙中為電子提供了一個(gè)能級(jí)，這個(gè)能級(jí)略低于導(dǎo)帶底部的能級(jí)。與價(jià)帶中的電子相比，雜質(zhì)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)體主要依靠施主熱來(lái)激發(fā)電子，從而傳導(dǎo)具有導(dǎo)帶的N型半導(dǎo)體。氮摻雜硅52。天津理工大學(xué)，摻磷硅，磷型半導(dǎo)體，硼是一種少一個(gè)電子的三價(jià)元素，相當(dāng)于接受一個(gè)電子而成為一個(gè)受體。摻硼硅是一種非本征半導(dǎo)體，具有空穴導(dǎo)電性和正電性，因此被稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。53，天津理工大學(xué)，受體：雜質(zhì)在帶隙中提供空能級(jí)，電子從價(jià)帶激發(fā)到受體能級(jí)比激發(fā)到導(dǎo)帶容易得多。主要包含受體雜質(zhì)的半導(dǎo)體在價(jià)帶中產(chǎn)生許多空穴，因?yàn)閮r(jià)帶中的一些

12、電子被激發(fā)到施主能級(jí)，施主能級(jí)主要依賴(lài)這些空穴來(lái)傳導(dǎo)P型半導(dǎo)體。磷摻雜硅54。天津理工大學(xué)，淺能級(jí)(類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí))雜質(zhì)，氮型半導(dǎo)體：釩族元素(磷、砷、銻)摻雜在硅、鍺化合物中；在IIIV化合物中，添加了VI元素來(lái)代替V元素。它的特點(diǎn)是半導(dǎo)體材料中有多余的電子。磷型半導(dǎo)體：在第四族化合物中摻雜第三族元素；第二族元素被并入第三族化合物以取代第三族元素。以在半導(dǎo)體材料中形成空穴為特征。對(duì)于多了一個(gè)電子的原子，電子的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于氫原子中的電子運(yùn)動(dòng)。上面形成的施主或受主被稱(chēng)為類(lèi)氫雜質(zhì)能級(jí)，其特征是結(jié)合能小，對(duì)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(chēng)為淺能級(jí)雜質(zhì)。55，天津理工大學(xué)，深能級(jí)雜質(zhì)，摻雜半導(dǎo)體中的一些雜質(zhì)或缺陷在帶隙中引入深能級(jí)，這被稱(chēng)為深能級(jí)雜質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，深層雜質(zhì)大多是多層次的。深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷的作用1)可以成為有效的復(fù)合中心，大大降低載流子的壽命；2)它可以成為非輻射復(fù)合中心，影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率；3)它可以作為補(bǔ)償雜質(zhì)，大大提