集成电路工艺硅的晶体结构培训课件

• 易于实现平面工艺技术；
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硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶
圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同
样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器
核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm
直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数
特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较CZ法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；
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• 5. 双层密排面的特点： • (1)在晶面内原子结合力强，晶面与晶面
之间距离较大，结合薄弱。 • (2)两个双层面间，间距很大，而且共价
键稀少，平均两个原子才有一个共价键， 致使双层密排面之间结合脆弱。
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• 6. 金刚石晶格晶面的性质：
• （1）由于{111}双层密排面本身结合牢固，而 双层密排面之间相互结合脆弱，在外力作用下， 晶体很容易沿着{111}晶面劈裂。这种易劈裂 的晶面称为解理面。
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4. 放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃） ，让晶体逐渐长大到 所需的直径为止。这称为“放肩”。
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5. 等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直 径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径 生长。此时要严格控制温度和拉速。
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6. 收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体 温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
Si 的基本特性:
•金刚石结构，晶格常数a=5.431 Å • 间接带隙半导体， 禁带宽度 Eg=1.12eV • 相对介电常数， r=11.9 • 熔点： 1417oC • 原子密度： 5x1022 cm-3 • 本征载流子浓度：ni=1.45x1010 cm-3 • 本征电阻率 =2.3x105 ·cm • 电子迁移率 e=1500 cm2/Vs, 空穴迁移率h=450 cm2/Vs
• 一个原子在四面体的中心，另外4个同它共价的 原子在正四面体的4个顶角上，这种四面体也称 共价四面体。
• （2）晶体内部的空隙
• 金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大 的“空隙”。硅晶体内大部分是“空”的一些 间隙杂质能很容易地在晶体内运动并存在于体 内，同时对替位杂质的扩散运动提供了足够的 条件。
• （2）由{111}双层密排面结合牢固，化学腐蚀 就比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表 面上。
• （3） 因{111}双层密排面之间距离很大，结 合弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展。
• （4）{111}双层密排面结合牢固，表明这样的 晶面能量低。由于这个原因，在晶体生长中有 一种使晶体表面为{111}晶面的趋势。
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直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制 电阻率径向均匀性
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易 引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常1040ppm)
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二、改进直拉生长法—磁控直拉技术
原理： 在直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加 磁场，由于半导体熔体是良导体，在磁场作用下受到与其运动方 向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制。因而除磁体外，主 体设备如单晶炉等并无大的差别。
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螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一 侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处 的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错 线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错
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三、面缺陷
二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在 二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。 孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系） 构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。 晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。
就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
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虽然晶圆尺寸愈大，愈能降低芯片制造成ห้องสมุดไป่ตู้，但推升晶圆尺寸
所需的技术和复杂度高，需要设备、元件等产业链的搭配，建厂成
本亦会大幅增加，具备一定难度。
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• 晶圆尺寸的更新换代一般都需要十年左右，比如200mm晶圆是1991 年诞生的 ，截至2008年，广泛使用的300mm晶圆则是Intel在2001年引 入的，并首先用于130nm工艺处理器。事实上，仍有些半导体企业仍未 完成从200mm向300mm的过渡，而Intel此番准备升级450mm必然会让 半导体产业的芯片制造经济得到进一步发展。450mm晶圆无论是硅片面 积还是切割芯片数都是300mm的两倍多，因此每颗芯片的单位成本都会 大大降低。当然，投资更大尺寸的晶圆是需要巨额投资的，一般来说年
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1.2 晶向、晶面和堆积模型
• 1.晶向：表示一族晶列所指的方向。 • 2.晶列：晶格中的原子处在一系列方向
相同的平行直线系上，这种直线系称为 晶列。 • 3.[m1,m2,m3]晶向指数，< > 表示晶向 族； (h1,h2,h3)晶面，{ } 表示晶面族 • 4.面心立方晶体结构是立方密堆积， （111）面是密排面。
18寸晶圆，届时适用的微影技术是否够成熟是最大问题。
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台湾积体电路制造股份有限公司即台积电，全球第一家的专业集成
电路制造服务公司，产能居世界之冠
• 根据SEMI统计数据，若去除记忆体相关产品线，台积电在2011年已 拥有近110万片约当8寸晶圆片的产能，居世界之冠，估计至今年底，台 积电12寸厂的所有洁净室面积超过32个世界杯足球场大小。 4
却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶
圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商
所喜欢的。
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然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆
的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现
坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们
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• 3. 固溶体分类：按溶质在溶剂中存在形式。 • （1）替位式固溶体：溶质原子占据溶剂晶格
格点上的正常位置，而且杂质原子在各点上的 分布是无序的。 • (2)间隙式固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格 的间隙中，其分布也是无规则的。 • 4.某种元素能否作为扩散杂质的一个重要标准： • 看这种杂质的最大固溶度是否大于所要求的表 面浓度，如果表面浓度大于杂质的最大固溶度， 那么选用这种杂质就无法获得所希望的分布。
3.浅能级：靠近价带顶和导带底。
深能级：位于禁带中心附近。
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1.5 杂质在硅晶体中的溶解度
• 1. 固溶体：当把一种元素B（溶质）引 入到另一种元素A（溶剂）的晶体中时， 在达到一定浓度之前，不会有新相产生， 而仍保持原来晶体A的晶体结构，这样的 晶体称为固溶体。
• 2. 固溶度：在一定温度和平衡态下，元 素B能够溶解到晶体A内的最大浓度，称 为这种杂质在晶体中的最大溶解度。
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拉晶过程
1.熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易 长； 2.引晶 将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称 “烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。 当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉， 控制温度使熔体在籽晶上结晶；
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3. 收颈 指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部 分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位 错的延伸。颈一般要长于20mm。
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1.6 单晶制备
一、直拉法（CZ法）
CZ 拉晶仪 1. 熔炉 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈； 2. 拉晶装置 籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； 旋转提拉装置：逆时针； 3. 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 4. 电子控制反馈系统
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Si： 含量丰富，占地壳重量25%；
• 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋（450mm）
图中从左到右分别是450mm（18英寸）、300mm（12英寸）和200mm （8英寸）的晶圆，其中只有8寸为晶圆实物，18寸和12寸皆为比例模型。
• 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、钝 化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；
• (3) 多晶体：晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则 地堆积而成。
• (4) 晶胞：能够最大限度地反应晶体对称性质的最小 单元。
• (5) 各向异性：晶体在不同方向上的物理特性是不相 同的。
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• 2. 金刚石结构特点
• （1）共价四面体：
• 硅由两套面心立方格子沿体对角线位移四分之 一长度套构而成的。
孪晶界
晶粒间界 15
堆垛层错是指是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某一层间出现了错误， 从而导致的沿该层间平面（称为层错面）两侧附近原子的错误排布 。
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四、体缺陷
由于杂质在硅晶体中存在有限的固浓度， 当掺入的数量超过晶 体可接受的浓度时， 杂质在晶体中就会沉积，形成体缺陷。
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1.4 硅中杂质
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1.1 硅晶体结构
• 1. 晶胞
• 晶体的重要特点是组成晶体的原子、分子、离子是按 一定规则周期排列着。任一晶体都可以看作是由质点 （原子，分子，离子）在三维空间中按一定规则做周 期重复性排列所构成的。
• (1) 晶格：晶体的周期性结构称为晶体格子。
• (2) 单晶体：整个晶体是由单一的晶格连续组成。
收入低于100亿美元的企业都武力承担。 Intel不存在这方面的困扰， Intel预计2015年其首条450mm产线将可开始试产。预计今年首批测试用 450mm晶圆可制成，相应的芯片生产设备方面则会在今年到位。