Chap.1-硅的制备及其晶体结构解析.ppt

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