第2講單晶硅的特性

1集成電路制造工藝簡介國外某集成電路工廠外景凈化廠房芯片制造凈化區(qū)域走廊HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm0.35micronI-LineSteppers.thissteppercanimageandalignboth6&8inchwafers.投影式光刻機(jī)Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool.Thewafersareina13waferTefloncassetteco-designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995.Againthesearetheworld'sfirst300mmwetprocesscassettes(thatcanbespinrinsedried).硅片清洗裝置AswelookinthiswindowweseetheWorld'sFirsttrue300mmproductionfurnace.Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992,itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996.12英寸氧化擴(kuò)散爐Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle.12英寸氧化擴(kuò)散爐裝片工序ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworld'sfirstproduction300mmNitridesystem!Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997.12英寸氧化擴(kuò)散爐取片工序（已生長Si3N4）2,500additionalsquarefeetof"StateoftheArt"ClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers!Withincreased300mm&200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization,300mmWetprocessing/Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm0.35umPhotolithography,allinaClassOneenviroment.PVD化學(xué)汽相沉積CVD化學(xué)汽相沉積CVD

AccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties.Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm,resistivity,CDandstepheightmeasurement.IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool.WealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelationshipswithourMetrologytoolcustomers,foradditionalcorrelationandcalibration.檢測工序AboveyouarelookingatacoupleofviewsofthefacilitiesonthewestsideofFabOne.Hereyoucanseeoneofour18.5Meg/OhmDIwatersystemsandoneoffour10,000CFMairsystemsfeedingthisfab(leftpicture),aswellasoneofourwasteairscrubberunits(rightpicture).Bothareinsidethebuildingforeasiermaintenance,longerlifeandbettercontrol.去離子水生產(chǎn)裝置空氣凈化動(dòng)力裝置離子注入檢查晶圓HerewearelookingattheIncomingmaterialdispositionracks庫房1、何謂集成電路工藝？2、集成電路的單項(xiàng)工藝主要有哪些？3、第一個(gè)晶體管在何時(shí)何地何人制造而成？4、集成電路由哪些科學(xué)家發(fā)明？5、什么是摩爾定律？6、集成電路制造技術(shù)的特點(diǎn)？7、中國IC產(chǎn)業(yè)分布情況？并說出三家國內(nèi)著名的集成電路制造企業(yè)。思考題第一章單晶硅的特性

1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.2硅晶體缺陷

1.3硅晶體中的雜質(zhì)§1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.1.1硅的性質(zhì)硅元素含量豐富（25％），成本低;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，硬度大;高品質(zhì)的氧化硅可由熱生長的方式較容易地制得;高頻、高速場合特性較差。硅四面體結(jié)構(gòu)109o28′硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較性質(zhì)SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/V·s）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征電阻率（Ω·cm）2.3×10547108鍺應(yīng)用的最早，一些分立器件采用；GaAs是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)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(xué)特性看硅并無多少優(yōu)勢，硅在其它方面有許多優(yōu)勢。硅作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)原料充分；硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/℃，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機(jī)械性能良好。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、無定形體（amorphoussolid）單晶：水晶、金剛石、單晶硅多晶：金屬、陶瓷晶體（crystal）§1.1.2硅晶胞天然單晶體晶體的原子排列內(nèi)部原子有規(guī)則在三維空間重復(fù)排列非晶體原子排列內(nèi)部原子排列雜亂無規(guī)則多晶和單晶多晶硅結(jié)構(gòu)

單晶硅結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做單晶。單晶的原子排列長程有序。多晶：由大小不等的晶粒組成，而晶粒由晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長程無序。晶格反映晶體中原子排列規(guī)律的三維空間格子。晶胞晶體中能放映原子周期性排列基本特點(diǎn)及三維空間格子對稱性的基本單元。300K時(shí)，硅的a=5.4305?,鍺的a=5.6463?

兩套面心立方格子沿體心對角線位移四分之一長度套構(gòu)而成硅晶胞（金剛石結(jié)構(gòu)）硅晶胞（金剛石結(jié)構(gòu)）共價(jià)四面體

每個(gè)原子都處在正四面體的中心，其它四個(gè)原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相鄰的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。硅的晶體結(jié)構(gòu)：原子密度

頂角：1/8；面心：1/2；體心：4

一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù):8*1/8+6*1/2+4=8每個(gè)原子所占空間體積為：a3/8硅晶胞的原子密度:8/a3=5×1022/cm3鍺晶胞的原子密度:8/a3=4.425×1022/cm3原子密度：原子個(gè)數(shù)/單位體積晶體內(nèi)部的空隙硅原子半徑：rsi==1.17?硅原子體積:單位原子在晶格中占有的體積：空間利用率：硅原子體積/單位原子在晶格中占有的體積約為34%返回晶向決定了硅片中晶體結(jié)構(gòu)的物理排列不同晶向的硅片的化學(xué)，電學(xué)，機(jī)械性質(zhì)不同，影響工藝制造和器件性能密勒指數(shù)§1.1.3硅單晶的晶向、晶面晶向指數(shù)等效晶向（1）[110]及其等效晶向[100]及其等效晶向等效晶向（2）[111]及其等效晶向常用晶面的密勒指數(shù)等效晶面[100]、[110]、[111]晶向分別是（100）、（110）（111）晶面的法線金剛石結(jié)構(gòu)中的晶面常見晶面的面密度金剛石晶向、晶面性質(zhì)：[111]晶向，原子分布最為不均勻，存在原子雙層密排面{111}。雙層密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，化學(xué)腐蝕比較困難和緩慢，所以腐蝕后容易暴露在表面。而在晶體生長過程中有使晶體表面成為{111}晶面的趨勢。但{111}面間結(jié)合力弱，故晶體易沿{111}解理面劈裂。448inch以下硅片8inch以上硅片晶體缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷

缺陷的分類

點(diǎn)缺陷

線缺陷位錯(cuò)（刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)）面缺陷層錯(cuò)（堆垛層錯(cuò)）體缺陷雜質(zhì)的沉積自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、弗倫克爾缺陷外來原子缺陷（替位或間隙式）48點(diǎn)缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。49線缺陷指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。50刃型位錯(cuò)在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個(gè)類似于樓梯拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在“剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò)。螺位錯(cuò)52面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。孿晶：是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界則是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。

孿晶界晶粒間界指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯(cuò)面）兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤排布。

堆垛層錯(cuò)54體缺陷由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度，當(dāng)摻入的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時(shí)，雜質(zhì)在晶體中就會(huì)沉積，形成體缺陷。

制備純的晶體是非常困難的，因?yàn)樵谥苽涞倪^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，這種外來的其他原子就稱為雜質(zhì)（impurities）。雜質(zhì)會(huì)對晶體的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響，