02微电子工艺基础半导体材料和晶圆制备

微电子工艺基础1第2章半导体材料和晶圆制备本章（4学时）目标：1、掺杂半导体的两种特性2、三种主要的半导体材料及其优缺点3、N型和P型半导体材料在组成＆电性能方面的不同4、多晶和单晶的不同5、两种重要的晶圆晶向示意图6、常见晶体生长的方法7、晶圆制备的工艺流程微电子工艺基础2第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备微电子工艺基础第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料半导体是人们将物质按电学性质进行分类时所赋予的一个名称。我们通常把导电性能介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常见的半导体有硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等等。微电子工艺基础2020年3月4第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体3、***半导体材料微电子工艺基础5第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、本征半导体有两类本征半导体：半导体元素硅和锗化合物材料砷化镓和磷化镓定义：处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。微电子工艺基础6第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体（1）掺杂半导体的来源（2）掺杂半导体和金属导电的区别（3）载流子的迁移率3、***半导体材料微电子工艺基础7第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料2、掺杂半导体半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。解决办法：掺杂工艺，把特定的元素引入到本征半导体材料中效果：提高本征半导体的导电性（1）掺杂半导体的来源微电子工艺基础8第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料2、掺杂半导体金属：电阻率固定，改变电阻只有改变其形状。只能通过电子的移动来导电，金属永远是N型的。掺杂半导体的特性：A：通过掺杂浓度精确控制电阻率B：通过掺杂元素的选择控制导电类型（电子N型或空穴P型导电）（2）掺杂半导体和金属导电的区别微电子工艺基础9第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料2、掺杂半导体（2）掺杂半导体和金属导电的区别acceptordonor微电子工艺基础微电子工艺基础11第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料2、掺杂半导体（3）载流子的迁移率从图中可以看出：随着掺杂浓度的提高，电阻率降低。移动一个电子或空穴所需的能量不同。由此推出：电子的迁移率比空穴的迁移率要高一些。微电子工艺基础12第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料1、*本征半导体2、**掺杂半导体3、***半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）（2）砷化镓（3）硅作为电子材料的优势微电子工艺基础2020年3月13第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）虽然第一个晶体管使用Ge材料，但是Ge材料在工艺和性能上有一定的问题：Si材料很好的解决了上述问题：A：熔点相对比较低，937℃的熔点限制了某些高温工艺B：缺少自然形成的氧化物，易漏电A：熔点1415℃，允许更高温工艺B：二氧化硅薄膜很好的解决了漏电问题微电子工艺基础14第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料3、半导体材料（1）硅和锗（两种重要的半导体）硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95%左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。微电子工艺基础15第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料3、半导体材料（3）硅作为电子材料的优势A:原料充分，石英沙是硅在自然界存在的主要形式；B:机械强度高；C:比重小，密度只有2.33g/cm3；D:pn结表面易于生长ＳiＯ2，对结起到保护作用；G:导热性好E:制备的单晶缺陷小；F:能够制造大尺寸基片，硅片直径已达16英寸；微电子工艺基础16第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓常见到的半导体化合物有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）以及磷砷化镓（GaAsP），其中GaAs最常用的化合物半导体材料。A：GaAs的载流子迁移率高，适合于做超过吉赫兹的高速IC。例如：飞机控制和超高速计算机。B：对辐射所造成的漏电具有抵抗性，即GaAs是天然辐射硬化的。C：GaAs是半绝缘的。使临近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度。微电子工艺基础17第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料3、半导体材料（2）砷化镓砷化镓不会取代硅成为主流的半导体材料。原因：A：大多数产品不必太快。B：砷化镓同Ge一样没有天然的氧化物，必须淀积多层绝缘层工艺时间加长。C：GaAs含有对人类有害的砷元素，处理增加成本。D：砷化镓的生产工艺比硅落后微电子工艺基础18第2章半导体材料和晶圆制备一、半导体材料二、晶圆制备微电子工艺基础19第2章半导体材料和晶圆制备二、晶圆制备1、*结晶学和晶体结构（1）概述（2）晶体缺陷（3）晶向2、***晶圆制备微电子工艺基础20第2章半导体材料和晶圆制备二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构微电子业常用单晶硅（如硅片、外延层）和多晶硅（如薄膜）。硅片是高度完美的单晶，但也存在缺陷。晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响硅是四族元素，金刚石结构。在本征半导体中晶胞是不规则排列的，称为多晶，晶胞间整洁而规则的排列才是单晶结构（1）概述微电子工艺基础硅晶体结构的特点晶胞一、基本概念晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。晶胞：晶体中的原子周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此晶胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。微电子工艺基础晶格常数：晶胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格常数。acbαβγacbαβγ单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。多晶体：由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成的晶体。微电子工艺基础简单立方晶格：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。体心立方晶格：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxzABCD二、三种立方晶体原胞微电子工艺基础面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。z微电子工艺基础共价四面体一、硅的晶胞处在立方体顶角和面心的原子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。这种晶胞称为金刚石型结构的立方晶胞，如下图所示。微电子工艺基础金刚石型结构特点：每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角）109°28′。二、共价四面体微电子工艺基础金刚石型结构的结晶学原胞是立方对称的晶胞，可以看成是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了1／4的空间对角线长度套构而成的。原子在晶胞中排列的情况是：八个原子位于立方体的八个角顶上，六个原子位于六个面中心上，晶胞内部有四个原子。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。晶格常数Si：a=5.65754ÅGe：a=5.43089Å微电子工艺基础例题：硅在300K时的晶格常数a为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个晶胞中有8个原子，晶胞体积为a3，每个原子所占的空间体积为，因此每立方厘米体积中的硅原子数为：1/a3/8=8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3原子密度微电子工艺基础例题:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方晶胞的空间比率。圆球半径定义为晶体中最小原子间距的一半，即。yxzABCD晶体内部的空隙343Sir83a8/3a%348/3/433arSi解：球的体积为：每个硅原子在晶体内所占的空间体积为：8/3a则空间利用率为：空隙为66%微电子工艺基础晶向、晶面和堆积模型晶向一、晶列晶体晶格中的原子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，在不同取向的晶列上原子排列情况一般是不同的。二、晶向1.定义：表示一族晶列所指的方向。微电子工艺基础2.晶向指数以简单立方晶格原胞的三个边作为基矢x，y，z，并以任一格点作为原点，则其它所有格点的位置可由矢量：给出，其中l1、l2、l3为任意整数。而任何一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量：的方向来标记，其中m1、m2、m3必为互质的整数。若m1、m2、m3不为互质，那么这两个格点之间一定还包含有格点。对于任何一个确定的晶格来说，x，y，z是确定的，实际上只用这三个互质的整数m1、m2、m3来标记晶向，一般写作[m1、m2、m3]，称为晶向指数。zmymxmA321zlylxlL321微电子工艺基础3.硅晶体不同晶向上的原子分布情况微电子工艺基础晶面一、定义晶体晶格中的原子被看作是处在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同的。二、米勒指数用相邻的两个平行晶面在矢量x，y，z的截距来标记，它们可以表示为x/h1、y/h2、z/h3，h1、h2、h3为互质的整数或负整数。通常就用h1、h2、h3来标记晶面，称它们为晶面指数(或米勒指数)。微电子工艺基础关于米勒指数的一些其他规定：()：代表在x轴上截距为负的平面，如{hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用{100}表示(100)，(010)，(001)，，，六个平面。[hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的方向。hkl：代表等效方向的所有方向组，如100代表[100]、[010]、[001]、、、六个等效方向的族群。klh)001()010()001()100(]001[]010[]100[微电子工艺基础三、立方晶系的几种主要晶面微电子工艺基础四、硅的常用晶面上的原子分布微电子工艺基础37第2章半导体材料和晶圆制备二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*①定义②晶体缺陷的影响半导体器件需要高度完美的晶体，但是，即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的。不完美叫做晶体缺陷。A：生长出不均匀的二氧化硅膜B：淀积的外延膜质量差C：掺杂层不均匀D：在完成的器件中引起有害的漏电流，导致器件不能正常工作。微电子工艺基础38第2章半导体材料和晶圆制备二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*③3类重要的晶体缺陷A：点缺陷形成原因—晶体里杂质原子挤压晶体结构引起的应力所致B：位错（单晶里一组晶胞排错位置）形成原因—晶体生长条件、晶体内的晶格应力、制造过程中的物理损坏本征堆垛层错非本征堆垛层错替位杂质空位Frenkel填隙杂质微电子工艺基础39第2章半导体材料和晶圆制备二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*③3类重要的晶体缺陷C：原生缺陷常见有滑移（晶体平面产生的晶体滑移）和挛晶（同一界面生长出两种不同方向的晶体），二者是晶体报废的主要原因。微电子工艺基础40第2章半导体材料和晶圆制备二、单晶的生长和晶圆制备1、结晶学和晶体结构（2）晶体缺陷*④缺陷