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Chap.1-硅的制备及其晶体结构解析.ppt

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Chap.1 硅的制备及其晶体结构 物质存在形式 无定形体和晶体 多晶体 晶体的特点 §1.1 硅材料的特点 硅器件室温下有较佳的特性 热稳定性好,更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 高品质的氧化硅可由热生长的方式较容易地制得 硅元素含量丰富(25%),成本低 高频、高速场合特性较差 硅片与封装好的模块 1.2.1 多晶硅的制备 直拉法 (Czochralski法) 区域熔融法 (Floating Zone法) 直拉法(CZ) 区域熔融法(FZ) 直拉法和区熔法的比较 1.2.3 IC制造的基本工艺流程 1.2.4 硅片(晶园、wafer)的制备 定位边研磨 硅片的定位边 硅片抛光和倒角 硅片的CMP抛光 §1.3 硅晶体结构特点 金刚石结构(Si、Ge、GaAs) 原子密度及晶体内部空隙 原子密度 晶格常数a (Si=5.43?) 原子密度=晶胞中包含原子个数/晶胞体积 晶体内部空隙 空间利用率=晶胞包含原子个数*原子体积/晶胞总体积 金刚石结构 §1.4 晶体中的晶面 金刚石结构中的晶面 常见晶面的面密度 §1.5 硅晶体中的缺陷 之前我们讨论的都是完美的晶体,i.e.具有完美的周期性排列。 但是由于晶格粒子本身的热振动、晶体生长过程中外界的影响、外界杂质的掺入、外部电、机械、磁场等应力的影响等等因素,使得晶格粒子的排列在一定范围内偏离完美的周期性。这种偏离晶格周期性的情况就称为缺陷(defect)。 缺陷是不能完全避免的,实际中理想的完美晶体也是不存在的,虽然在某些情况下,缺陷的存在会造成一些危害,然而缺陷在半导体应用中有着非常重要的作用。 缺陷的分类 点缺陷——空位 Point defects - Vacancies 空位( Vacancies ) 间隙原子(Interstitials) 弗兰克尔缺陷(Frenkel Defects) 施主:杂质在带隙中提供带有电子的能级,能级略低于导带底的能量,和价带中的电子相比较,很容易激发到导带中 —— 电子载流子。含有施主杂质的半导体,主要依靠施主热激发到导带的电子导电 —— n型半导体。 受主:杂质提供带隙中空的能级,电子由价带激发到受主能级要比激发到导带容易的多。主要含有受主杂质的半导体,因价带中的一些电子被激发到施主能级,而在价带中产生许多空穴,主要依靠这些空穴导电 —— p型半导体。 浅能级(类氢杂质能级)杂质 N型半导体:在IV族(Si,Ge)族化合物中掺入V族元素(P,As,Sb);在III-V族化合物中掺入VI族元素取代V族元素。特点为半导体材料中有多余的电子。 P型半导体:在IV族(Si,Ge)族化合物中掺入III族元素(Al,Ga,In);在III-V族化合物中掺入II族元素取代III族元素。特点为半导体材料中形成空穴。 掺入多一个电子的原子,电子的运动类似于氢原子中电子的情况。 以上形成的施主或受主,称为类氢杂质能级,其特点为束缚能很小,对于产生电子和空穴特别有效,施主或受主的能级非常接近导带或价带,被称为浅能级杂质。 深能级杂质 §1.7 杂质在硅晶体中的溶解度 杂质存在形式 固溶体 替位式固溶体 间隙式固溶体 固溶度 ——元素B能够溶解到晶体A中的最大浓度。 小结 晶体的概念及硅材料的优势 单晶硅的两种制备方法(原理及优缺点) 单晶硅的晶格结构(类型、原子密度、晶面原子排布) 硅晶体中的缺陷(点缺陷及线缺陷) 硅晶体中的杂质(N、P型半导体,受主和施主) 点缺陷 线缺陷 位错 面缺陷 层错 体缺陷 杂质的沉积 自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗伦克尔缺陷 外来原子缺陷(替位或间隙式) 空位即晶格中组成粒子的缺失,如果一个晶格正常位置上的原子跑到表面,在体内留下一个晶格空位,则称为肖特基( Schottky )缺陷。 空位 : 点缺陷(point defect) ——晶格中点的范围内产生 空位是可以在晶格中移动的 空位的产生需要打破化学键,因而需要一定的能量,空位的数量随温度的增加而增加。 在不考虑杂质的情况下(即本征intrinsic 情况下),含有N个粒子的晶体,在温度为T时空位的平衡浓度为: EV 是空位产生能量, kB 是Boltzmann常数,常温下肖特基缺陷浓度约为1*1010cm-3 晶格中存在着大量的空隙,如果有原子偏离了自身的晶格位置进入间隙位置,则成为了间隙原子。 显然,间隙原子也是一种点缺陷,当间隙原子和晶格原子大小相当时,会引起很大的晶格破坏,因而需要很大的
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