集成电路制造技术 西交大 工程硕士 单晶硅特性

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1、集成电路制造技术原理与工艺第1单元硅衬底1锗、硅、砷化镓是微电子产品中使用最多的半导体材料，锗使用最早，目前只有少量分立器件使用外。砷化镓是用的最多的化合物半导体材料，主要作为高速集成电路的衬底材料。硅是应用最广泛的半导体材料，无论在大功率器件还是各种集成电路都普遍使用硅作为衬底材料，对硅的研究最为深入，工艺也最为成熟。这一单元，首先介绍硅材料的性质、结构特点，说明硅为何成为应用最多大的衬底材料，包括硅单晶的制备、硅片的加工及检测，最后介绍气相外延工艺的原理和方法。2第1章单晶硅特性1.1硅晶体结构的

2、特点1.2硅晶体缺陷1.3硅中杂质1.4杂质在硅晶体中的溶解度1.5硅单晶的制备31.1硅晶体的结构特点硅是一种元素半导体，位于周期表中的IVA族，有四个价电子，其数目正好位于优质导体(1个价电子)和绝缘体(8个价电子)的中间。自然界找不到纯硅，必须经过提炼和提纯使其成为纯硅。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi硅原子分享共价电子以构成类似绝缘体的键纯硅的共价键结构4硅、锗、砷化镓电学特性比较性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120

3、.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×105471085性质SiGeGaAsSiO2原子序数143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.00×10224.42×10222.21×10222.30×1022晶体结构金刚石金刚石

4、闪锌矿四面体无规则网络晶格常数（Å）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（V/μm）30835600熔点（℃）141793712381700蒸汽压（托）10-7（1050℃）10-7（880℃）1（1050℃）10-3（1050℃）比热（J/g·℃）0.700.310.351.00热导率（W/cm·℃）1.500.60.80.01扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数（1/℃）2.5×

5、10-65.8×10-65.9×10-60.5×10-6有效态密度（cm-3）导带Nc价带Nv2.8×10191.0×10191.0×10196.0×10184.7×10177.0×10186硅作为电子材料的优点硅的丰裕度（原料充分）；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅器件表面或电路的结构、性质都很重要；重量轻，密度只有2.33g/cm3；更高的溶化温度允许更宽的工艺容限（热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃，热导率高，1.50W/cm·℃；）更宽的工作温度范围单晶圆片的缺陷少，

6、直径大，工艺性能好；机械性能良好。7单晶硅的晶体结构不仅SGS的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有几乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。单晶是一种固体材料，它的特点是在许多原子长程范围内，原子都在三维空间中保持有序且重复的排列结构，如图所示。晶体的原子排列8非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱无序的结构，如图所示。非晶的原子排列非晶材料的原子结构91.1.2硅晶胞晶格常数：α=5.4305Å原子密度：8/a3=5*1

7、022cm-3原子半径：rSi=√3a/8=1.17Å空间利用率：晶体中反映原子周期性排列基本特点及三维空间格子对称性的基本单元称为晶胞a101.1.3硅晶向、晶面和堆积模型硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记晶列方向用晶向,记为[m1m2m3]。用表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向<100><010><001>11硅晶面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2h

8、3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为{100}[100]晶向和(100)晶面是垂直的。ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)12硅晶面硅常用晶面上原子分布Si面密度:(100)2/a2(110)2.83/a2(111)2.3/a213硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AA′BB′CC′双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{11