Chap.1 硅的制備及其晶體結(jié)構(gòu).ppt

1、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),物質(zhì)存在形式,天津工業(yè)大學(xué),無定形體和晶體,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（periodic repeated array） ， 即存在長程有序（long-range order） 性能上兩大特點(diǎn)：固定的熔點(diǎn)（melting point）, 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

2、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、高速場合特性較差,天津工業(yè)大學(xué),硅片與封裝好的模塊,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 （Floating Zone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),區(qū)域熔融系統(tǒng)的原理圖,直拉法系統(tǒng)的原理圖,天津

3、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),1.2.3 IC制造的基本工藝流程,天津工業(yè)大學(xué),1.2.4 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,D200mm:,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稱性的最小單元 原胞：晶體中最小的周期性重復(fù)單元,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

4、積/晶胞總體積,天津工業(yè)大學(xué),金剛石結(jié)構(gòu),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)1348 晶格常數(shù)為a (Si=5.43) 硅晶體中的原子密度為：8/a3=5*1022/cm2 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 晶體中的晶面,晶向、晶面、米勒指數(shù),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（123）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，i.e.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)、晶體生長過程中外界的影響、外界雜質(zhì)的摻入、外部電、機(jī)械、磁場等應(yīng)力的

5、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,外來原子缺陷（替位或間隙式）,天津工業(yè)大學(xué),點(diǎn)缺陷空位 Point defects - 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)

6、晶格空位，則稱為肖特基（ Schottky ）缺陷。,空位 : 點(diǎn)缺陷（point defect) 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,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

7、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（Frenkel Defects）,通?？瘴缓烷g隙原子是成對出現(xiàn)的，離子離開它原來的位置進(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Frenkel Defect，它仍然是電中性的。,Frenkel defects 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) Line Defects - dislocations,晶體中的位錯(cuò)

8、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) Edge dislocations,滑移量的大小和反向可用滑移矢量B（Burgers vector ）來描述，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) Screw dislocations,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

9、的原子價(jià)鍵密度小，且間距大。對于硅晶體來說，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。,天津工業(yè)大學(xué),面缺陷層錯(cuò) Side defects,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 Body

10、defects,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。,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^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，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)（ impurities or dopants）來達(dá)到某種目的，這個(gè)過程就是摻雜（doping）。,天津工業(yè)大學(xué),天津工業(yè)大學(xué),本征硅（S

11、ilicon）,本征硅（intrinsic）,本征載流子濃度,天津工業(yè)大學(xué),n型半導(dǎo)體（ n-type semiconductor ）,摻雜硅（Doped Silicon）,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，能級略低于導(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 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。,摻雜硅（Doped Sili

12、con）,天津工業(yè)大學(xué),摻雜硅（Doped Silicon）,p型半導(dǎo)體（ p-type semiconductor ）,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),摻雜硅（Doped Silicon）,受主：雜質(zhì)提供帶隙中空的能級，電子由價(jià)帶激發(fā)到受主能級要比激發(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，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。,天津工業(yè)大學(xué),淺能級（類氫雜

13、質(zhì)能級）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IIIV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IIIV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，其特點(diǎn)為束縛能很小，對于產(chǎn)生電子和空穴特別有效，施主或受主的能級非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶，被稱為淺能級雜質(zhì)。,天津工業(yè)大學(xué),深能級雜質(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較深，被稱為深能級雜質(zhì)。一般情況下深能級雜質(zhì)大多為多重能級。,深能級雜質(zhì)和缺陷的作用 1) 可以成為有效復(fù)合中心，大大降低載流子的壽命； 2) 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) 可以作為