硅的晶体结构
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第一章 硅的晶体结构
本章主要内容
硅晶体结构的特点 晶向、晶面和堆积模型 硅晶体中的缺陷 硅中杂质 杂质在硅晶体中的溶解度
硅晶体结构的特点
晶体是由质点在三维空间中按一定规则作周期重复性排 列所构成的，晶体的这种周期性结构称为晶格。
简单立方
体心立方 常见的晶格结构
面心立方
单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。 多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅晶体结构的特点
四、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。
晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径。
硅原子半径： rsi=
3a 8
=1.17Å
硅 单原位子原体子积在晶: 格中占34 有rSi3的体积：1 a3
8
空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶
格中占有的体积
硅晶体空间利用率约为34%
硅单晶材料的制备
直拉法单晶生长
区熔法单晶生长
一、直拉法
直拉法是绝大多数晶体的主流生产技术，是熔融态物 质的结晶的过程。
需要的材料：电子级纯度的多晶硅,将石英还原提纯至 99.999999999%
生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚（熔融石英）， 腔室回充保护性气氛，将坩埚加热至1500℃左右，籽晶 （直径0.5cm,10cm长）降下来与熔料相接触，随着籽晶 的提拉，生成柱状晶锭（直径可达300mm以上，长度一 般1~2m)
沿位错线多挤入的一行原子， 各具有一个未成键的电子，这种 状态成为悬挂键。
硅晶体中的缺陷
螺位错 位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
把前后相对位移一个原子 间距，晶体剪开，使两边晶 体然后粘合，位错线附近的 原子排列发生错乱。
硅晶体中的缺陷
三、面缺陷 在密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱，
• The raw material contains < 1 ppb impurities. Pulled crystals contain O (≈ 1018 cm-3) and C (≈1016 cm-3), plus any added dopants placed in the melt.
晶向、晶面和堆积模型
密堆积类型
ABAB…..六角密积 ABCABC…..立方密积
硅晶体的堆积次序是AA BB CC AA BB CC ··· 为双层密排面；密排面为（111）面
晶向、晶面和堆积模型
四、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
金刚石晶面性质
1.由于{111}双层密排面面内原子结合力强，两个双层面 间结合力弱，故晶体易沿{111}晶面劈裂； 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。
硅晶体中的缺陷
晶体中主要缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷
点缺陷主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷、外来原子(替位式或间隙式)
硅晶体中的缺陷
二、线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷，可以通过范性形变产生，
主要有刃位错和螺位错等。 刃位错
已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线。当 位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错。
最大浓度，称为杂质在A内的固溶度，即最大溶解度。
杂质在硅中的溶解度
固溶体分类
替位式固溶体
间隙式固溶体
替位式固溶体的主要特点
溶质（杂质）原子占据溶剂（原晶体）晶格格点上的 正常位置，而且溶质原子在格点上的分布是无序的。
间隙式固溶体的主要特点
溶质（杂质）原子存在于溶剂（原晶体）晶格格点的 间隙中，其分布也是无规则的。
晶面指数：(h1,h2,h3）; {h1,h2,h3}（等效晶面族）
晶向、晶面和堆积模型
原子面密度：晶面上单位面积的原子数。 <100> <110>
a
a
(100)晶面原子面密度
1 4 1 4
2
a2
a2
晶向、晶面和堆积模型
三、堆积模型图
密堆积模型
晶向、晶面和堆积模型
六角密积 ABAB…
立方密积 ABCABC…
硅晶片的制备
1. Crystal Growth
Polysilicon Seed crystal Crucible
Heater
2. Single Crystal Ingot
3. Crystal Trimming and Diameter Grind
机械修整
4. Flat Grinding
5. Wafer ห้องสมุดไป่ตู้licing
晶向、晶面和堆积模型
以中心点O为原点
硅晶体中不同晶向和晶面上的原子排列情况是不相 同的，不同的排列对器件的制造有着重要的影响。
一、晶向
晶列：晶格中的原子总可以被看作是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。同一晶体中存在 许多取向不同的晶列。
晶向：一族晶列所指的方向称为晶向，而任何晶列的方向 可由连接晶列中相邻格点的矢量方向来标记。
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
能提供多余空穴的杂质称为受主杂质。P 型半导体 中空穴是多子，电子是少子。
称为堆垛层错，简称层错。层错是一种区域性的缺陷， 在层错以内及以外的原子都规则排列，只是在两部分 交界面处原子排列发生错乱，所以它是一种面缺陷。
四、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。
硅中杂质
一、导体、半导体和绝缘体 导体 10-10 Ω· cm 绝缘体 108 ～1012 Ω· cm 半导体 10-6 ～10 Ω· cm 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） 杂质半导体：在纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的 导电能力改变。
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
杂质在硅中的溶解度
杂质在硅中的溶解度是集成电路和器件的制造过 程中选择杂质的重要依据。 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 保持原来晶体A内的晶体结构，这样的晶体称为固溶体。
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
6. Edge Rounding
磨平边
7. Lapping
8. Wafer Etching
Slurry
9. Polishing
Polishing table
10. Wafer Inspection
Polishing head
作业
1.硅晶体结构的特点 2.简述硅晶体双层密排面的特点。 3.举例说明施主、 受主杂质。 4.说明选择杂质的标准。
硅中杂质
硅片中同时有浅施主和浅受主时，导电类型和载流子 浓度数量由杂质浓度差决定
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型
半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了
PN 结。这是制造器件和集成电路的基础
杂质类型： •施主、受主： 磷、硼等 •特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂质） •玷污杂质：碳、氧 •碳 会导致p-n结的击穿 •氧 生成络合物，起施主作用
Czochralski Growth Equipment
硅单晶材料的制备
二、区熔法 区熔法用来生产高纯度的硅单晶。
柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，金属线圈 沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在 金属线圈中通以射频电流，即电感加热，使紧 邻的多晶硅熔化，线圈移过后，熔料结晶为单 晶。 样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的， 不要坩埚 需要籽晶，采用与直拉法类似的方法，将籽 晶置于顶部，拉出细颈，然后放慢拉速，降低 温度放至较大直径。 缺点：很难引入浓度均匀的杂质
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
在半导体器件和集成电路制造中的施主和受主杂质，在 晶体中都是以替位形式存在。
杂质在硅中的溶解度
连续固溶体：一种物质可无限溶解于另一种物质中。 形成连续固溶体的必要条件
溶质原子与溶剂原子的大小接近； 溶剂和溶质原子外部电子壳层结构相似且晶体结构相似
。 必须是替位式固溶体。 施主（受主）杂质的溶解度，将随晶体中的受主（施主）杂 质含量的增加而增大 某种施主（受主）杂质的存在会导致其它施主（受主）杂质 的溶解度的下降 选择杂质的依据：杂质的固溶度是否大于所要求的表面浓度
硅晶体结构的特点
硅的晶体结构和碳、锗一样，是金刚石结构的半导体 晶体。
硅原子构成的一个面心立方原 胞内还有四个原子，分别位于四 个空间对角线的 1／4处
硅晶体结构的特点
硅 的 晶 体 结 构
硅晶体结构的特点
一、晶胞 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元，称为晶胞。
硅的晶胞结构：在由硅原子构 成的一个面心立方原胞内，还有 四个硅原子，分别位于四个空间 对角线的 1／4处。
晶向指数：[m1,m2,m3]; <m1,m2,m3>（等价概括）
原子线密度：晶向上单位长度内的原子个数
3a
[111]
12 1 2
1.15
3a a
晶向、晶面和堆积模型
二、晶面 晶面：晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上， 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为 晶面。 晶面指数：相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数。
本章主要内容
硅晶体结构的特点 晶向、晶面和堆积模型 硅晶体中的缺陷 硅中杂质 杂质在硅晶体中的溶解度
硅晶体结构的特点
晶体是由质点在三维空间中按一定规则作周期重复性排 列所构成的，晶体的这种周期性结构称为晶格。
简单立方
体心立方 常见的晶格结构
面心立方
单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。 多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅晶体结构的特点
四、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。
晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径。
硅原子半径： rsi=
3a 8
=1.17Å
硅 单原位子原体子积在晶: 格中占34 有rSi3的体积：1 a3
8
空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶
格中占有的体积
硅晶体空间利用率约为34%
硅单晶材料的制备
直拉法单晶生长
区熔法单晶生长
一、直拉法
直拉法是绝大多数晶体的主流生产技术，是熔融态物 质的结晶的过程。
需要的材料：电子级纯度的多晶硅,将石英还原提纯至 99.999999999%
生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚（熔融石英）， 腔室回充保护性气氛，将坩埚加热至1500℃左右，籽晶 （直径0.5cm,10cm长）降下来与熔料相接触，随着籽晶 的提拉，生成柱状晶锭（直径可达300mm以上，长度一 般1~2m)
沿位错线多挤入的一行原子， 各具有一个未成键的电子，这种 状态成为悬挂键。
硅晶体中的缺陷
螺位错 位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。
把前后相对位移一个原子 间距，晶体剪开，使两边晶 体然后粘合，位错线附近的 原子排列发生错乱。
硅晶体中的缺陷
三、面缺陷 在密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱，
• The raw material contains < 1 ppb impurities. Pulled crystals contain O (≈ 1018 cm-3) and C (≈1016 cm-3), plus any added dopants placed in the melt.
晶向、晶面和堆积模型
密堆积类型
ABAB…..六角密积 ABCABC…..立方密积
硅晶体的堆积次序是AA BB CC AA BB CC ··· 为双层密排面；密排面为（111）面
晶向、晶面和堆积模型
四、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
金刚石晶面性质
1.由于{111}双层密排面面内原子结合力强，两个双层面 间结合力弱，故晶体易沿{111}晶面劈裂； 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。
硅晶体中的缺陷
晶体中主要缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷
点缺陷主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷、外来原子(替位式或间隙式)
硅晶体中的缺陷
二、线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷，可以通过范性形变产生，
主要有刃位错和螺位错等。 刃位错
已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线。当 位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错。
最大浓度，称为杂质在A内的固溶度，即最大溶解度。
杂质在硅中的溶解度
固溶体分类
替位式固溶体
间隙式固溶体
替位式固溶体的主要特点
溶质（杂质）原子占据溶剂（原晶体）晶格格点上的 正常位置，而且溶质原子在格点上的分布是无序的。
间隙式固溶体的主要特点
溶质（杂质）原子存在于溶剂（原晶体）晶格格点的 间隙中，其分布也是无规则的。
晶面指数：(h1,h2,h3）; {h1,h2,h3}（等效晶面族）
晶向、晶面和堆积模型
原子面密度：晶面上单位面积的原子数。 <100> <110>
a
a
(100)晶面原子面密度
1 4 1 4
2
a2
a2
晶向、晶面和堆积模型
三、堆积模型图
密堆积模型
晶向、晶面和堆积模型
六角密积 ABAB…
立方密积 ABCABC…
硅晶片的制备
1. Crystal Growth
Polysilicon Seed crystal Crucible
Heater
2. Single Crystal Ingot
3. Crystal Trimming and Diameter Grind
机械修整
4. Flat Grinding
5. Wafer ห้องสมุดไป่ตู้licing
晶向、晶面和堆积模型
以中心点O为原点
硅晶体中不同晶向和晶面上的原子排列情况是不相 同的，不同的排列对器件的制造有着重要的影响。
一、晶向
晶列：晶格中的原子总可以被看作是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。同一晶体中存在 许多取向不同的晶列。
晶向：一族晶列所指的方向称为晶向，而任何晶列的方向 可由连接晶列中相邻格点的矢量方向来标记。
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
能提供多余空穴的杂质称为受主杂质。P 型半导体 中空穴是多子，电子是少子。
称为堆垛层错，简称层错。层错是一种区域性的缺陷， 在层错以内及以外的原子都规则排列，只是在两部分 交界面处原子排列发生错乱，所以它是一种面缺陷。
四、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。
硅中杂质
一、导体、半导体和绝缘体 导体 10-10 Ω· cm 绝缘体 108 ～1012 Ω· cm 半导体 10-6 ～10 Ω· cm 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） 杂质半导体：在纯净的半导体中掺入某些杂质，使它的 导电能力改变。
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
杂质在硅中的溶解度
杂质在硅中的溶解度是集成电路和器件的制造过 程中选择杂质的重要依据。 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 保持原来晶体A内的晶体结构，这样的晶体称为固溶体。
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
6. Edge Rounding
磨平边
7. Lapping
8. Wafer Etching
Slurry
9. Polishing
Polishing table
10. Wafer Inspection
Polishing head
作业
1.硅晶体结构的特点 2.简述硅晶体双层密排面的特点。 3.举例说明施主、 受主杂质。 4.说明选择杂质的标准。
硅中杂质
硅片中同时有浅施主和浅受主时，导电类型和载流子 浓度数量由杂质浓度差决定
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型
半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了
PN 结。这是制造器件和集成电路的基础
杂质类型： •施主、受主： 磷、硼等 •特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂质） •玷污杂质：碳、氧 •碳 会导致p-n结的击穿 •氧 生成络合物，起施主作用
Czochralski Growth Equipment
硅单晶材料的制备
二、区熔法 区熔法用来生产高纯度的硅单晶。
柱状的高纯多晶材料固定于卡盘，金属线圈 沿多晶长度方向缓慢移动并通过柱状多晶，在 金属线圈中通以射频电流，即电感加热，使紧 邻的多晶硅熔化，线圈移过后，熔料结晶为单 晶。 样品的熔化部分是完全由固体部分支撑的， 不要坩埚 需要籽晶，采用与直拉法类似的方法，将籽 晶置于顶部，拉出细颈，然后放慢拉速，降低 温度放至较大直径。 缺点：很难引入浓度均匀的杂质
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
在半导体器件和集成电路制造中的施主和受主杂质，在 晶体中都是以替位形式存在。
杂质在硅中的溶解度
连续固溶体：一种物质可无限溶解于另一种物质中。 形成连续固溶体的必要条件
溶质原子与溶剂原子的大小接近； 溶剂和溶质原子外部电子壳层结构相似且晶体结构相似
。 必须是替位式固溶体。 施主（受主）杂质的溶解度，将随晶体中的受主（施主）杂 质含量的增加而增大 某种施主（受主）杂质的存在会导致其它施主（受主）杂质 的溶解度的下降 选择杂质的依据：杂质的固溶度是否大于所要求的表面浓度
硅晶体结构的特点
硅的晶体结构和碳、锗一样，是金刚石结构的半导体 晶体。
硅原子构成的一个面心立方原 胞内还有四个原子，分别位于四 个空间对角线的 1／4处
硅晶体结构的特点
硅 的 晶 体 结 构
硅晶体结构的特点
一、晶胞 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元，称为晶胞。
硅的晶胞结构：在由硅原子构 成的一个面心立方原胞内，还有 四个硅原子，分别位于四个空间 对角线的 1／4处。
晶向指数：[m1,m2,m3]; <m1,m2,m3>（等价概括）
原子线密度：晶向上单位长度内的原子个数
3a
[111]
12 1 2
1.15
3a a
晶向、晶面和堆积模型
二、晶面 晶面：晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上， 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为 晶面。 晶面指数：相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数。