第2講單晶硅的特性

1集成電路制造工藝簡(jiǎn)介國(guó)外某集成電路工廠(chǎng)外景凈化廠(chǎng)房芯片制造凈化區(qū)域走廊HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm0.35micronI-LineSteppers.thissteppercanimageandalignboth6&8inchwafers.投影式光刻機(jī)Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool.Thewafersareina13waferTefloncassetteco-designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995.Againthesearetheworld'sfirst300mmwetprocesscassettes(thatcanbespinrinsedried).硅片清洗裝置AswelookinthiswindowweseetheWorld'sFirsttrue300mmproductionfurnace.Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992,itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996.12英寸氧化擴(kuò)散爐Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle.12英寸氧化擴(kuò)散爐裝片工序ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworld'sfirstproduction300mmNitridesystem!Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997.12英寸氧化擴(kuò)散爐取片工序（已生長(zhǎng)Si3N4）2,500additionalsquarefeetof"StateoftheArt"ClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers!Withincreased300mm&200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization,300mmWetprocessing/Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm0.35umPhotolithography,allinaClassOneenviroment.PVD化學(xué)汽相沉積CVD化學(xué)汽相沉積CVD

AccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties.Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm,resistivity,CDandstepheightmeasurement.IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool.WealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelationshipswithourMetrologytoolcustomers,foradditionalcorrelationandcalibration.檢測(cè)工序AboveyouarelookingatacoupleofviewsofthefacilitiesonthewestsideofFabOne.Hereyoucanseeoneofour18.5Meg/OhmDIwatersystemsandoneoffour10,000CFMairsystemsfeedingthisfab(leftpicture),aswellasoneofourwasteairscrubberunits(rightpicture).Bothareinsidethebuildingforeasiermaintenance,longerlifeandbettercontrol.去離子水生產(chǎn)裝置空氣凈化動(dòng)力裝置離子注入檢查晶圓HerewearelookingattheIncomingmaterialdispositionracks庫(kù)房1、何謂集成電路工藝？2、集成電路的單項(xiàng)工藝主要有哪些？3、第一個(gè)晶體管在何時(shí)何地何人制造而成？4、集成電路由哪些科學(xué)家發(fā)明？5、什么是摩爾定律？6、集成電路制造技術(shù)的特點(diǎn)？7、中國(guó)IC產(chǎn)業(yè)分布情況？并說(shuō)出三家國(guó)內(nèi)著名的集成電路制造企業(yè)。思考題第一章單晶硅的特性

1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.2硅晶體缺陷

1.3硅晶體中的雜質(zhì)§1.1硅晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1.1.1硅的性質(zhì)硅元素含量豐富（25％），成本低;硅器件室溫下有較佳的特性;熱穩(wěn)定性好，更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限，硬度大;高品質(zhì)的氧化硅可由熱生長(zhǎng)的方式較容易地制得;高頻、高速場(chǎng)合特性較差。硅四面體結(jié)構(gòu)109o28′硅、鍺、砷化鎵電學(xué)特性比較性質(zhì)SiGeGaAs禁帶寬度（eV）1.120.671.43禁帶類(lèi)型間接間接直接晶格電子遷移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴遷移率（cm2/V·s）4801900250本征載流子濃度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征電阻率（Ω·cm）2.3×10547108鍺應(yīng)用的最早，一些分立器件采用；GaAs是目前應(yīng)用最多的化合物半導(dǎo)體，主要是中等集成度的高速I(mǎi)C，及超過(guò)GHz的模擬IC使用，以及光電器件；從電學(xué)特性看硅并無(wú)多少優(yōu)勢(shì)，硅在其它方面有許多優(yōu)勢(shì)。硅作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)原料充分；硅晶體表面易于生長(zhǎng)穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，線(xiàn)熱膨脹系數(shù)小，2.5*10-6/℃，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機(jī)械性能良好。氣態(tài)（gasstate）液態(tài)（liquidstate）固態(tài)（solidstate）等離子體（plasma）物質(zhì)substance晶體（crystal）非晶體、無(wú)定形體（amorphoussolid）單晶：水晶、金剛石、單晶硅多晶：金屬、陶瓷晶體（crystal）§1.1.2硅晶胞天然單晶體晶體的原子排列內(nèi)部原子有規(guī)則在三維空間重復(fù)排列非晶體原子排列內(nèi)部原子排列雜亂無(wú)規(guī)則多晶和單晶多晶硅結(jié)構(gòu)

單晶硅結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做單晶。單晶的原子排列長(zhǎng)程有序。多晶：由大小不等的晶粒組成，而晶粒由晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長(zhǎng)程無(wú)序。晶格反映晶體中原子排列規(guī)律的三維空間格子。晶胞晶體中能放映原子周期性排列基本特點(diǎn)及三維空間格子對(duì)稱(chēng)性的基本單元。300K時(shí)，硅的a=5.4305?,鍺的a=5.6463?

兩套面心立方格子沿體心對(duì)角線(xiàn)位移四分之一長(zhǎng)度套構(gòu)而成硅晶胞（金剛石結(jié)構(gòu)）硅晶胞（金剛石結(jié)構(gòu)）共價(jià)四面體

每個(gè)原子都處在正四面體的中心，其它四個(gè)原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相鄰的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅的晶體結(jié)構(gòu)：原子密度

頂角：1/8；面心：1/2；體心：4

一個(gè)硅晶胞中的原子數(shù):8*1/8+6*1/2+4=8每個(gè)原子所占空間體積為：a3/8硅晶胞的原子密度:8/a3=5×1022/cm3鍺晶胞的原子密度:8/a3=4.425×1022/cm3原子密度：原子個(gè)數(shù)/單位體積晶體內(nèi)部的空隙硅原子半徑：rsi==1.17?硅原子體積:單位原子在晶格中占有的體積：空間利用率：硅原子體積/單位原子在晶格中占有的體積約為34%返回晶向決定了硅片中晶體結(jié)構(gòu)的物理排列不同晶向的硅片的化學(xué)，電學(xué)，機(jī)械性質(zhì)不同，影響工藝制造和器件性能密勒指數(shù)§1.1.3硅單晶的晶向、晶面晶向指數(shù)等效晶向（1）[110]及其等效晶向[100]及其等效晶向等效晶向（2）[111]及其等效晶向常用晶面的密勒指數(shù)等效晶面[100]、[110]、[111]晶向分別是（100）、（110）（111）晶面的法線(xiàn)金剛石結(jié)構(gòu)中的晶面常見(jiàn)晶面的面密度金剛石晶向、晶面性質(zhì)：[111]晶向，原子分布最為不均勻，存在原子雙層密排面{111}。雙層密排面面內(nèi)原子結(jié)合力強(qiáng)，化學(xué)腐蝕比較困難和緩慢，所以腐蝕后容易暴露在表面。而在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中有使晶體表面成為{111}晶面的趨勢(shì)。但{111}面間結(jié)合力弱，故晶體易沿{111}解理面劈裂。448inch以下硅片8inch以上硅片晶體缺陷缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷、體缺陷

缺陷的分類(lèi)

點(diǎn)缺陷

線(xiàn)缺陷位錯(cuò)（刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)）面缺陷層錯(cuò)（堆垛層錯(cuò)）體缺陷雜質(zhì)的沉積自填隙原子、空位（肖特基缺陷）、弗倫克爾缺陷外來(lái)原子缺陷（替位或間隙式）48點(diǎn)缺陷缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。49線(xiàn)缺陷指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。50刃型位錯(cuò)在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。將規(guī)則排列的晶面剪開(kāi)（但不完全剪斷），然后將剪開(kāi)的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來(lái)，形成一個(gè)類(lèi)似于樓梯拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在“剪開(kāi)線(xiàn)”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線(xiàn)）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱(chēng)為一個(gè)螺位錯(cuò)。螺位錯(cuò)52面缺陷二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。孿晶：是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱(chēng)的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱(chēng)為“孿晶”，此公共晶面就稱(chēng)孿晶面。晶粒間界則是彼此沒(méi)有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過(guò)渡區(qū)。

孿晶界晶粒間界指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性重復(fù)堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱(chēng)為層錯(cuò)面）兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤排布。

堆垛層錯(cuò)54體缺陷由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度，當(dāng)摻入的數(shù)量超過(guò)晶體可接受的濃度時(shí)，雜質(zhì)在晶體中就會(huì)沉積，形成體缺陷。

制備純的晶體是非常困難的，因?yàn)樵谥苽涞倪^(guò)程中周?chē)臍夥找约叭萜髦械脑訒?huì)進(jìn)入晶體替代晶體本身的原子，這種外來(lái)的其他原子就稱(chēng)為雜質(zhì)（impurities）。雜質(zhì)會(huì)對(duì)晶體的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響，