第1章-材料

1.1.2 原子密度
知道了晶格常 数，可计算硅晶体 中的原子密度。每 个晶胞所含的原子 数是8。晶胞体积为 a3，每个原子所占的 空间体积就为a3/8， 所以硅晶体中的原 子密度就为 8/a3=5×1022/cm3。 对锗晶体来说，其 原子密度为 4.42×1022/cm3。
1.1.3 共价四面体
直拉法生长过程中，若干杂质会掺入到晶体中。我们现在来分 析一下氧（可以作为吸附中心束缚引入的沾污）的成因。在直拉法工艺中，用 来装填熔料硅的坩埚，通常是用熔融石英制成的，在1500℃ 下，这种材料会释出数量可观的氧，融入熔硅中，其中超过95 ％的氧以SiO的形式从熔硅的表面逸出，一部分氧则混入生长 着的单晶中。熔硅中的氧含量是不断补充的，所以沿晶锭长度 方向的氧浓度大致为常数。调节熔料温度可控制氧的浓度，为 了降低氧含量，还可以在磁场中生长晶锭。不管磁场取什么方 向，其目的都是要产生一个洛仑兹力（qv×B），靠它来改变 熔料中离化杂质的运动，使之远离液-固界面，降低晶体中的 杂质浓度。采取这种措施，有报导说氧浓度可以低到2ppm， 该技术还具有另外一个效果，可以提高圆片电阻率的均匀性。
1.3.4 体缺陷

杂质硼、磷、砷等在硅晶体中只能形成 有限固溶体。当掺入的数量超过晶体可 接受的浓度时，杂质将在晶体中沉积， 形成体缺陷。晶体中的空隙也是一种体 缺陷。
1.4 硅 中 杂 质
1000/T(K)
N-半导体、P-型半导体 施主杂质、受主杂质
杂质补偿作用
Au作用
Pn结
1.5 杂质在硅晶体中的溶解度
晶格的失配也可引起位错
1.3.3 面缺陷
晶体中的面缺陷是二维缺陷，面缺陷在两个方向 上的尺寸都很大，另外一个方向上的尺寸很小。 多晶的晶粒间界就是最明显的面缺陷，晶粒间界 是一个原子错排的过渡区。在密堆积的晶体结构 中，由于堆积次序发生错乱，称为堆垛层错，简 称层错。层错是一种区域性的缺陷，在层错以外 及以内的原子都是规则排列的，只是在两部分交 界面处原子排列才发生错乱，所以它是一种面缺 陷。
硅的晶胞 能够最大限度地反映 结构（与 晶体对称性质的最小 原 胞 不 晶体中的最小重复单元 重复单元 同），由 这个晶胞 所表示的 晶格称为 金刚石结 构。
金刚石、硅、锗具有相同的晶格结构，但它们的 晶胞边长a不同。通过X射线结构分析，已确定 在300K时，硅的晶格常数a=5.4305Ǻ，锗的晶格 常数a=5.6463Ǻ。
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（溶剂） 的晶体结构，这样的晶体称为固溶体。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A内的固溶度， 也就是杂质在晶体中的最大溶解度。
按照溶质在溶剂中的存在形式，固溶体主 要可分为两类：①替位式固溶体，②间隙 式固溶体。替位式固溶体的主要特点是： 溶质（杂质）原子占据溶剂（原晶体）晶 原子大小接近、外部 格格点上的正常位臵，而且溶质原子在格 电子壳层结构相似、 点上的分布是无序的。间隙式固溶体的主 晶体结构相似 要特点是：溶质原子存在于溶剂晶格的间 隙中，其分布也是无规则的。固溶度是器 件选择杂质的重要依据。
由图1.2还可以看出，处在立方体顶角和面心的原 子，它们构成一套面心立方格子，处在体对角线 上的原子也构成一套面心立方格子。因此可以认 为硅晶体是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。硅晶体虽然是由同一 种化学元素硅组成，硅晶体的晶格为复式晶格， 因为晶格中有两种不等价原子。
硅晶体中任一原子都有4个最近邻的原子，它们处于正 四面体的顶点上，如图1.3所示，一个原子在正四面体 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。按这种规律分布 的键，称为四面体的键。键之间的夹角为109°28´。 最小原子间距，即正四面体中心原子到顶角原子的距 离，也就是晶胞体对角线线长的四分之一。如果以晶 格常数a来表示这个距离，那么最小原子间距就为。
1 1 2 1.41 2 a 2a 2a
1 1 2 2 2 1.15 a 3a 3a
1.2.2 晶面
晶格中的所有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 任何一个晶列都存在许多取向不同的晶面，不 同晶面上的原子排列情况一般是不相同的，因 此，也应该对不同晶面作出标记。
通常，随着晶体直径增大，提拉的速度必须降下来。这是因为热 量的散失与表面积成比例，而后者正比于晶体直径；另一方面， 结晶产生的热与体积成比例，而体积正比于直径的平方。不过如 果拉速过慢，点缺陷将会结团。最常见的缺陷类型是位错环，在 半导体衬底中，这些环相对于圆片中心呈现漩涡状分布，称为漩 涡缺陷。

nv N v e
E v kT
1.3.2 线缺陷
线缺陷只在某一方向上延伸，在延伸方向的 尺寸很大，在另外两个方向的尺寸很小。 位错是晶体中常见的线缺陷，它可以通过 范性形变产生。在位错附近，原子排列偏 离了严格的周期性，相对位臵发生错乱， 位错一般可分为刃位错和螺位错。位错可 以设想是由滑移所形成的，滑移以后两部 分晶体重新吻合。

晶体都可以看成是由质点（原子、分子、 离子）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 为晶体格子，简称为晶格
图1.1 三种立方晶体
晶体类包括单晶体和多晶体。如果 整个晶体是由单一的晶格连续组成，就 称这种晶体为单晶体。如果一个晶体是 由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积 而成，称为多晶体。
1.3 硅晶体中的缺陷
1.3.1 点缺陷 点缺陷在各个方向上都没有延伸，主要包括 以下几种：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子（替位式或间隙式） 等 。自间隙原子和空位是本征缺陷，只要温度 不是绝对零度时，就会出现本征缺陷。点缺陷 在扩散和氧化的动力学中很重要，许多杂质的 扩散依赖于缺陷浓度，硅的氧化速率也是如此。
4 2.83 2 2 a 2a
(111)：
1 1 4 2 2 4 2.30 4 2 2 a 3 3a 2 a 2a 2
1.2.3 堆积模型
1.2.4 双层百度文库排面
金刚石晶格是 由两套面心立 方晶格套构而 成，所以它的 {111}晶面也是 原子密排面。 密排面为双层。
金刚石晶格的晶面，具有以下性质： ⑴ 由于{111}双层密排面本身结合牢固，而双层密排面 之间相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着 {111}晶面劈裂。晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的 解理面。 ⑵ 由于{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。 ⑶ 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。 ⑷ {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。
3a 4
1.1.4 晶体内部的空隙
4r 3 34 % a 8
3 Si 3
1.2 晶向、晶面和堆积模型

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
1.2.1 晶向
对于任何一种晶体来说，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。而同 一晶体中存在许多取向不同的晶列，在不 同取向的晶列上原子排列情况一般是不同 的。晶体的许多性质都与晶列方向有关， 所以，实际工作中就要求对不同晶列方向 有所标记。通常用“晶向”来表示一族晶 列所指的方向。
1.6 直拉法（Czochralski -法）单晶生长
氢化铝锂
半导体圆片是从大块晶体上切割下来的，绝大多数晶体的主流 生产技术是直拉生长法（Czochralski-切克劳斯基法），另外还 有区熔法单晶生长。 在单晶硅生长中用到的材料是电子级多晶硅，它从石英（SiO2 ）中提炼出来并被提纯至99.999999999%纯度。在一个可抽真空 的腔室内放臵着一个由熔融石英制成的坩埚，多晶就装填在此 坩埚中，腔室回充保护性气氛，将坩埚加热至1500℃左右。接 着，一块小的、用化学方法蚀刻的籽晶（直径约0.5cm，长约 10cm）降下来与多晶熔料相接触，籽晶必须是严格定向的，因 为它是一个复制样本，在其基础上将要生长出大块的、称为晶 锭（boule）的晶体。目前的硅晶锭，直径可达300mm以上，长 度有l～2m。
第一章 半导体材料特性与制备

硅的性质 元素半导体材料，自然界中无纯硅，存 在于硅土、硅酸盐。SiO2除硅土还有无 色水晶、石英、玛瑙和猫眼石等。熔点 1412℃。硬质脆性材料。纯硅导电性很 差。硅丰富、熔点高工艺容限宽、工作 温度范围广、氧化硅自然形成。
第一章 半导体材料特性与制备
1.1硅晶体结构的特点 自然界中的固态物质，简称为固体， 可分为晶体和非晶体两大类。半导体工艺 中用到的都是晶体。

拉晶时往往在半导体硅中加入 磷或硼,以得到所需的导电类型 （N型或P型）和各种电阻率。 杂质在熔体中比较均匀，但在 结晶时就会出现分凝效应。若 拉晶时不往坩埚里补充原料, 不同分凝系数的杂质经正常分 凝后杂质浓度的分布如右图。 分凝系数在接近于1的杂质,其 分布是比较均匀的。K 远小于1 或远大于1的杂质，其分布很 不均匀（即早凝固部分与后凝 固部分所含杂质量相差很大）。 连续加料拉晶法
滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部 分的交界处形成位错。滑移量的大小和方 向可用滑移矢量b（也称柏格斯矢量）来描 述。当位错线与滑移矢量垂直时，这样的 位错称为刃位错，如果位错线与滑移矢量 平行，称为螺位错。
对一般晶体来说，沿某些晶面往往容易发生 滑移，这样的晶面称为滑移面。构成滑移面 的条件是该面上的原子面密度大，而晶面之 间的原子价键密度小，且间距大。对硅晶体 来说，{111}晶面中，双层密排面之间原子价 键密度最小，结台最弱，因此滑移常沿{111} 面发生，位错线也就常在{111}晶面之间。
1 1 1 1 1 2 41 44 2 2 2 4 2 .30 44 2 2 4 22.83 4 3a a 3 2a a2a2 2a 2 a a a a 2
2
2
2
2
(100)：
1 1 4 4 2 a2 a2
1 1 2 4 2 4 2 (110)： 2a a
金刚石结构是由两个面心立方晶格套构而成的， 面心立方晶格属于立方晶系，对于立方晶系实际 上都是以简单立方晶格为基础，也可以说是以晶 胞为基础来标志晶向的。
[111]
[100]
[110]
A=m1x+m2y+m3z
[m1，m2，m3]，称为晶向指数
〈100〉 〈110〉
〈111〉
2
1 2 21 a a
直 拉 法 单 晶 生 长 系 统 的 原 理 图 转山大课件
晶锭有一个最大提升速度。如果向上扩散到固体的热量都是由 界面处的结晶潜热产生的，则能达到这个最大速度， 如果试图以更 快的速度从熔料中提拉晶体，那么固体部分来不及把热量散掉且不 会结晶成单晶。 在实际生产中，一般不使用最大提拉速度。人们发现，晶体的 质量对拉速很敏感，在靠近熔料的晶体部分的点缺陷浓度很高。使 晶体尽快地冷却以阻止这些缺陷结团，是比较合适的做法。另一方 面，较快的冷却速度又意味着在晶体中将出现较大的热梯度（从而 出现较大的热应力），特别是对于大直径圆片更是如此。直拉法中， 利用以下的效应来减少晶锭中的位错：在开始阶段先采用快速提拉， 在籽晶下方拉出一个窄的、高完整度的区域（称为颈部），籽晶中 的位错，不管是原来就有的，还是由于与熔料接触时产生的，都将 受到该区域的抑制，而不会转到晶锭中去。在图1.15中可以看到位 错终止于边缘的一个示例。然后，降低熔料温度，减低提拉速度， 放肩至所需的晶锭直径。最后，拉速和炉温通过反馈控制稳定下来， 所需的反馈信号，来自为测量晶锭直径而设臵的光电传感器。系统 中设臵热屏蔽，对于控制固体-熔料界面处温度场的分布，从而控 制缺陷密度，是尤其重要的。