硅工艺 第一章-硅的晶体结构、环境与衬底制备

第一章 硅的晶体结构、微电子加工环境
与衬底制备
教师：潘国峰 E-mail:pgf@
河北工业大学微电子研究所
1.1 硅的晶体结构特点 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 微电子加工环境 1.7 衬底材料 1.8 衬底制备
1.1 硅晶体结构的特点
晶体中组成原子、分子、离子按一定规则周期排列。任一晶体都可以看成由 质点（原子、分子、离子）在三维空间按一定规则重复排列构成的。 晶格－晶体中这种周期性结构。 单晶－整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶－晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅的晶体结构
硅的晶体结构：构成一个正四面体，具有金 刚石晶体结构。
以简单立方体晶格原胞的三个边作为基矢x、y、z，并以任意格点为原点， 则其它所有格点的位置可由矢量表示，
L l1x l2 y l3z
其中 l1 l2 l3 为任意整数。
而任意一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量标记，
L m1x m2 y m3z
其中m1、m2、m3是互质的整数。记做[m1，m2，m3]－晶向指数。
22 1 4 1 2 4
4
2.83
2a a
2a2 a2
1.2.3 堆积模型
面心立方晶格又称立方密排晶格 两种堆积方式：AB-六角密积 配位数－12 ABC－立方密积
1.2.4 双层密排面
金刚石结构为两套面心立方晶格套构而成，所以它的{111}晶面也是原子
密排面。沿体对角线滑移1/4梯对角线的长度，刚好是晶胞面心立方原子
硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子） 决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子， 它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。
硅的共价键结构
晶胞－能最大限度地反应晶体对称性的最小单元。
300K时，硅的晶格常数a=5.4305Å ，锗的晶格常数a=5.6463Å 硅的原子密度：8/a3=5×1022/cm3，锗的原子密度：8/a3=4.42×1022/cm3
共价四面体的健角：109°28´ 最小原子间距： 3a / 4
硅的原子半径rsi= 3a / 8
硅的空间利用率＝
4rs3i / 3 a3 /8
34%
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
硅的不同晶向和晶面上的原子排列对器件的制造有重要影响。 任何晶体的晶格中的原子总可以被看作是处于一系列方向相同的平行直线系 上，这种直线系称为晶列。同一晶体存在很多取向不同的晶列，而不同取向晶 列上原子排列不同，通常用晶向来表示一族晶列所指的方向。
有些晶面是彼此等效的，如（100）、（010）等六种晶面，故用{100} 表示该晶面族。
不同晶面上硅原子的分布不同，可以计算出晶面上单位面积上的原子
数－面密度。
（100）：
1 4 1 4
a2
2 a2
4 1 2 1 2
（111）：
4 2 3a 2a
2
4 3a 2
2.30 a2
（110）:密度最大，但不均匀
常见半导体材料
单一元素半导体(IV族)：硅（Si）、锗(Ge)
硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最 重要的半导体材料；90％以上的半导体器件是硅器件。
化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物
GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用 于光电器件、半导体激光器和微波器件。
1.3 单晶中的原生缺陷和有害杂质
原生缺陷是晶体生长过程中形成的缺陷。主要有宏观缺陷
和微观缺陷两大类。孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷和 微沉积等。
有害杂质则是会影响晶体性质的杂质或杂质团，主要有
受主、施主、重金属、碱金属等。原量生缺陷和有害杂质除影响材料的 力学性质、载流子的输运或杂质的扩散行为外,还与加工工艺中产生的诱 生缺陷密切相关。
< m1，m2，m3 >表示这些等价方向－晶向。
<111>
在硅原子的不同晶向上，原子排列 不同，在不同晶向原子线密度：
<100> <110> <111>
2
1 2
1
aa
2 1 1 2
2
1.41
2a
2a a
1 2 1 2
2
1.15
3a
3a a
<110>方向的原子线密度最大。
1.2.2 晶面
晶格上的原子可以看作是处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系 称为晶面。通过任一晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面的原子排列 一般不同，可以用相邻的两个平行晶面在矢量x、y、z上的截距来标志。表 示为x/h1、y/h2、z/h3，h1，h2，h3为互质整数。晶面记为（ h1，h2，h3） －晶面指数（米勒指数）。
位错大部为沿（111）滑移面贯穿于整个晶体的准刃位错。刃位错的 特点之一是有多余的半晶面，晶体上、下两部分滑移了一个原子间距。
面缺陷与体缺陷
热平衡下，空位密度与温度的关系：
nv
N eEv / kT v
Ev Si=2.6ev
3、外来原子－在晶体生长、加工、集成电路制造等过程中引入的杂质。
线缺陷
线缺陷－在某方向延伸，其它两个方向延伸很小。位错为常见形式， 位错一般分为刃位错和螺旋位错两种基本形式，在滑移矢量和位错呈其 它角度时，形成混和位错。
所在位置。形成AA
BB´CC´堆积。故硅晶体的密排面都是双层的。
双层密排面内距离： 3a /12
双层密排面间距离： 3a / 4
金刚石晶面的特点： 1、易沿{111}密排面形成解理面。 2、 {111}密排面结合牢固，化学腐 蚀困难、缓慢，腐蚀后容易暴露在 表面。 3、 {111}密排面面间距离大，结合 弱，晶格缺陷容易在此形成和扩展。 4、 {111}密排面晶面能量低，在晶 体生长中易使晶体表面形成{111} 晶面。
1.3.1 硅晶体中的原生缺陷
常见缺陷：点、线、面、体缺陷。
点缺陷

1、自间隙原子－存在于硅晶格间 隙中的硅原子。
ni
N eEi / kT i
2、空位－形成自间隙原子的同时，
原晶格形成空格点，即空位。
晶格正常位置原子跑到表面，在体
内形成一晶格空位，这种叫肖特基缺
陷；如果该原子进入间隙，并产生一
空位－弗仑克尔缺陷。