集成电路工艺基础——01_硅的晶体结构.ppt

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1、第一章硅的晶体结构与单晶生长第一章硅的晶体结构与单晶生长第一章硅的晶体结构与单晶生长1.1硅晶体结构的特点1.2晶向、晶面和堆积模型1.3硅晶体中的缺陷1.4硅中的杂质1.5杂质在硅晶体中的溶解度1.6硅单晶生长第一章硅的晶体结构与单晶生长下一页§1.1硅晶体结构的特点1.1.1晶胞1、晶格简单立方体心立方面心立方2、晶胞定义：最大限度地反映晶体对称性质的最小单元300K时，硅的a=5.4305Å,锗的a=5.6463Å硅晶胞（金刚石结构）两套面心立方格子沿体心对角线位移四分之一长度套构而成2、晶胞1.1.2原子密度顶角：1/8；面心：1/2；体心：4一个硅晶胞

2、中的原子数:8*1/8+6*1/2+4=8每个原子所占空间体积为：a3/8硅晶胞的原子密度:8/a3=5×1022/cm3锗晶胞的原子密度:8/a3=4.425×1022/cm3原子密度：原子个数/单位体积1.1.3共价四面体一个原子在正四面体的中心，其它四个同它共价的原子位于正四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。最小原子间距：即正四面体中心原子到顶角原子的距离，即晶胞对角线长的四分之一。硅的晶体结构：1.1.4晶体内部的空隙硅原子半径：rsi==1.17Å硅原子体积:单位原子在晶格中占有的体积：空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶格中占有的体积约为34%返

3、回空隙为杂质在其中存在并运动创造了条件。§1.2晶向、晶面和堆积模型1.2.1晶向晶列：晶格中的原子处在的一系列方向相同的平行直线系上晶向：一族晶列所指的方向，可由连接晶列中相邻格点的矢量的方向来标记。晶向指数：[m1,m2,m3];原子线密度：原子个数/单位长度不同晶向氧化速率、腐蚀速率不同<110>方向上的原子线密度最大晶向的表示方法等效晶向（1）等效晶向（2）1.2.2晶面晶面：晶格中的原子处在的一系列彼此平行的平面系晶面方向：晶面的法线方向，可由相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数来标识。晶面指数：(h1,h2,h3）;{h1,h

4、2,h3}原子面密度：原子个数/单位面积（110）面上的原子密度最大等效晶面硅片鉴别方法（SEMI标准）双级集成电路工艺CMOS集成电路工艺1.2.3堆积模型图密堆积模型密排面两层密排面密堆积类型：ABAB…..六角密积ABCABC…..立方密积密堆积类型通过对面心立方晶格中（111）面原子的观察：面心立方晶格的（111）面是密排面面心立方晶格的（111）面之间的堆积是立方密积1.2.4双层密排面双层密排面特点：密排面面内原子结合力强，面间结合力弱金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成，故其{111}晶面是原子密排面。硅晶体的堆积次序是：AA´BB´CC´AA´

5、BB´CC´···硅晶体的密排面为双层密排面金刚石晶面性质：1.由于{111}双层密排面面内原子结合力强，面间结合力弱，故晶体易沿{111}解理面劈裂2.面内原子结合力强，化学腐蚀比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上3.由于{111}双层密排面之间距离很大，结合力弱,晶格缺陷易在面间形成和扩展4.面内原子结合力强，能量低，晶体生长中有生成（111）晶面的趋势返回1.3硅晶体中的缺陷点缺陷：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗仑克尔缺陷线缺陷：刃位错、螺位错面缺陷：层错、晶粒间界体缺陷：掺入杂质的量大于硅可接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积，形成体缺陷。返回点缺陷

6、（扩散、氧化）返回线缺陷刃位错的形成：其根本原因是晶体内部应力的存在金属杂质容易在线缺陷处析出，从而劣化器件的工作性能。刃位错的形成螺位错的形成返回实际晶体中的位错线为一曲线，为混合位错面缺陷（层错和晶粒间界）如果出现面缺陷，则该晶体不能用来制作集成电路。层错：是由于原子排列次序发生错乱引起的。可以通过外延层错测量外延层的厚度。返回§1.4硅中的杂质1.4.1导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体电阻率区分：导体10-10Ω·cm；绝缘体108～1012Ω·cm；半导体10-6～10Ω·cm半导体？温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降适当波长的光照可以改变

7、半导体的导电能力半导体电阻率的高低与所含杂质浓度密切相关§1.4硅中的杂质本征半导体：不掺杂的半导体本征半导体中的载流子通过热激发产生的电子和空穴对（与温度有关）参考P14图1.17Si和GaAs中本征载流子浓度与温度的关系实际使用的半导体：在纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的导电能力和导电类型改变。改变的原因：掺杂半导体中某种载流子浓度大大增加参考P15图1.18电阻率与杂质浓度的关系N型半导体（Ⅴ族元素）+4+4+5+4多余电子磷原子多余电子只受P原子核库仑势的吸引，故小能量即可使其脱离P原子核的束缚成为自由电子。处于晶格位置又能贡献电子的原子（P）称为施主

8、杂质。电子浓度增加导致导