硅工艺 第一章-硅的晶体结构、环境与衬底制备
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硅工艺 第一章-硅的晶体结构、环境与衬底制备
1.1 硅晶体结构的特点
晶体中组成原子、分子、离子按一定规则周期排列。任一晶体都可以看成由 质点（原子、分子、离子）在三维空间按一定规则重复排列构成的。 晶格－晶体中这种周期性结构。 单晶－整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶－晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅的晶体结构
硅的晶体结构：构成一个正四面体，具有金 刚石晶体结构。
22 1 4 1 2 4
4
2.83
2a a
2a2 a2
1.2.3 堆积模型
面心立方晶格又称立方密排晶格 两种堆积方式：AB-六角密积 配位数－12 ABC－立方密积
1.2.4 双层密排面
金刚石结构为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。沿体对角线滑移1/4梯对角线的长度，刚好是晶胞面心立方原子
1.3 单晶中的原生缺陷和有害杂质
原生缺陷是晶体生长过程中形成的缺陷。主要有宏观缺陷
和微观缺陷两大类。孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷和 微沉积等。
有害杂质则是会影响晶体性质的杂质或杂质团，主要有
受主、施主、重金属、碱金属等。原量生缺陷和有害杂质除影响材料的 力学性质、载流子的输运或杂质的扩散行为外,还与加工工艺中产生的诱 生缺陷密切相关。
所在位置。形成AA
BB´CC´堆积。故硅晶体的密排面都是双层的。
双层密排面内距离： 3a /12
双层密排面间距离： 3a / 4
金刚石晶面的特点： 1、易沿{111}密排面形成解理面。 2、 {111}密排面结合牢固，化学腐 蚀困难、缓慢，腐蚀后容易暴露在 表面。 3、 {111}密排面面间距离大，结合 弱，晶格缺陷容易在此形成和扩展。 4、 {111}密排面晶面能量低，在晶 体生长中易使晶体表面形成{111} 晶面。
硅的制备及其晶体结构
硅的制备及其晶体结构硅是一种广泛应用于电子、光学和太阳能等领域的重要材料。
在本文中，我们将探讨硅的制备方法以及硅的晶体结构。
硅的制备方法有多种，常见的包括物理和化学两种方法。
物理方法主要包括熔融法和气相沉积法。
化学方法则包括褐煤炭化方法、金属硅还原法和硅酸盐熔融法等。
熔融法是硅的传统制备方法之一，其主要步骤包括矿石选矿、冶炼和提纯。
选矿过程是从矿石中分离出含硅矿石的步骤，冶炼过程是将含硅矿石加热至高温以分解硅矿石，生成气态的硅化物，然后将其冷凝收集。
提纯过程是通过化学反应和物理分离等方法进一步提高硅的纯度。
气相沉积法是一种现代化学气相沉积技术，通过将硅源气体（例如氯硅烷）和载气（例如氢气）送入高温反应室中，使硅源气体发生热解，生成纯净的SiH4气体，然后将其沉积在基底上形成硅薄膜。
褐煤炭化方法是一种将褐煤作为原料进行硅制备的方法。
褐煤中含有大量的有机物和硅质颗粒，通过加热褐煤至高温，使硅质颗粒脱除有机物并形成硅化物，然后通过浸出、焙烧和还原等步骤提取出纯净的硅。
金属硅还原法是一种将二氧化硅与金属硅在高温条件下反应生成金属硅的方法。
该方法需要高温和高压条件，并能够生产高纯度的硅。
硅酸盐熔融法是一种利用硅酸盐矿石制备硅的方法。
矿石经过破碎、石灰烧结和还原等步骤，将硅酸盐矿石中的硅氧化为气态硅酸盐，然后进行湿法提取、干燥、还原等处理，最终得到纯净的硅。
硅的晶体结构是面心立方结构，每个硅原子和其周围的四个硅原子形成共价键。
硅晶体的晶格常数约为0.543 nm，每个晶胞中有8个硅原子。
硅晶体具有良好的热稳定性和电性能，可用于制备半导体器件。
总结起来，硅的制备方法有物理和化学两种。
物理方法包括熔融法和气相沉积法，化学方法包括褐煤炭化方法、金属硅还原法和硅酸盐熔融法。
硅的晶体结构是面心立方结构，每个硅原子与其周围的四个硅原子形成共价键。
硅的制备和晶体结构研究对于进一步应用和发展硅材料具有重要意义。
第一章 硅的晶体结构
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。
14
3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
(或米勒指数)。
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 ( 1 00) {hkl} ：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 1 )六个平面。 (0 1 0)， ( 1 00)， {100}表示(100)，(010)，(001)， [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]、 [ 1 00]、 [0 1 0]、 [00 1 ] 六个等效方向的族群。
间隙式杂质
替位式杂质
24
1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的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。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； 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。
3 4 r Si / 3 则空间利用率为： 34% 3 a /8
空隙为66%
12
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 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。
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。
14
3. 硅晶体不同晶向上的原子分布情况
(或米勒指数)。
16
关于米勒指数的一些其他规定： ( h kl)：代表在x轴上截距为负的平面，如 ( 1 00) {hkl} ：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用 (00 1 )六个平面。 (0 1 0)， ( 1 00)， {100}表示(100)，(010)，(001)， [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]、 [ 1 00]、 [0 1 0]、 [00 1 ] 六个等效方向的族群。
间隙式杂质
替位式杂质
24
1.3.2 线缺陷
线缺陷，亦称位错－刃位错和螺位错： 晶体中的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。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； 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。
3 4 r Si / 3 则空间利用率为： 34% 3 a /8
空隙为66%
12
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 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。
硅的晶体结构
硅中杂质
硅片中同时有浅施主和浅受主时，导电类型和载流子 浓度数量由杂质浓度差决定
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型
半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了
PN 结。这是制造器件和集成电路的基础
杂质类型： •施主、受主： 磷、硼等 •特殊杂质：金（扩散速率快，作为寿命控制杂质） •玷污杂质：碳、氧 •碳 会导致p-n结的击穿 •氧 生成络合物，起施主作用
硅晶体结构的特点
硅的晶体结构和碳、锗一样，是金刚石结构的半导体 晶体。
硅原子构成的一个面心立方原 胞内还有四个原子，分别位于四 个空间对角线的 1／4处
硅晶体结构的特点
硅 的 晶 体 结 构
硅晶体结构的特点
一、晶胞 最大限度地反映晶体对称性质的最小单元，称为晶胞。
硅的晶胞结构：在由硅原子构 成的一个面心立方原胞内，还有 四个硅原子，分别位于四个空间 对角线的 1／4处。
硅单晶材料的制备
直拉法单晶生长
区熔法单晶生长
一、直拉法
直拉法是绝大多数晶体的主流生产技术，是熔融态物 质的结晶的过程。
需要的材料：电子级纯度的多晶硅,将石英还原提纯至 99.999999999%
生长系统:抽真空的腔室内放置坩埚（熔融石英）， 腔室回充保护性气氛，将坩埚加热至1500℃左右，籽晶 （直径0.5cm,10cm长）降下来与熔料相接触，随着籽晶 的提拉，生成柱状晶锭（直径可达300mm以上，长度一 般1~2m)
硅晶片的制备
1. Crystal Growth
Polysilicon Seed crystal Crucible
Heater
2. Single Crystal Ingot
3. Crystal Trimming and Diameter Grind
硅的制备及其晶体结构
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，因而需要很大的能量。如 果间隙原子的体积比晶格原子小的多，则可以稳定存在。
天津工业大学
弗兰克尔缺陷（Frenkel Defects）
通常空位和间隙原子是成对出现的，——离子离开它原 来的位置进入间隙形成间隙离子，同时留下一个空位。这 种缺陷成为Frenkel Defect，它仍然是电中性的。
空位 : 点缺陷（point defect) ——晶格中点的范围内产生 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。
空位是可以在晶格中移动的
天津工业大学
空位（ Vacancies ）
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：
熔融液
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
天津工业大学
直拉法和区熔法的比较
优点：可以生长更大直径的晶锭； 生长过程同时可以加入掺杂剂方便地掺杂
缺点：生长过程中容器、气氛污染较多 优点：生长过程中污染少，可生长极高 纯单晶（高功率、高压器件）
直拉法
区熔法
缺点：涡流感应加热的“趋肤”效应限 制了生长的单晶硅锭的直径
Chap.1 硅的制备及其晶体结构
1 2 3 4 5
晶体的概念及硅材料的特点
单晶硅片的制备
单晶硅的晶体结构特点
硅晶体中的缺陷 硅晶体中的杂质
天津工业大学
物质存在形式及晶体的概念
半导体工艺(第1章2)衬底材料制备PPT课件
高温中，将晶体缺陷和杂质沉积团解体， 并以原子态溶于晶体中，然后再使它们运 动至有源区以外，或被俘获，或被挥发。
本征吸除：
在晶片内引入一些缺陷，以此吸除在表 面附近的杂质和缺陷；
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
国内自造单晶炉设备图如下
直拉法制备单晶硅生长原理
点击视屏
单晶材料中的原生缺陷与有害杂质
硅单晶中存在多种原生缺陷和有害杂质。
宏观缺陷：
孪晶、裂纹、夹杂、位错等
原生缺陷：晶体生长过程中形成的缺陷
微缺陷 ：微沉积
➢ 有害杂质是指会影响晶体性质的杂质或杂 质团：施主、受主、重金属、碱金属等。
➢ 孪晶：晶体中有两个或以上生长晶核
（2）晶片平整度：晶片微细加工中，晶片的 翘曲将对图形加工质量产生严重影响。欲 减少翘曲，必须增加晶片厚度、减小晶片 所受的加工应力。
2、器件浅结化对硅材料的要求
➢ 随着器件图形特征尺寸的缩小，器件结深也 越来越浅。
➢ 因此器件特性对硅材料表面质量和界面性质 更为敏感。
➢ 任何表面缺陷都可能引起器件失效或可靠性 降低。
➢ 材料中的缺陷和有害杂质是工艺诱生缺陷 的主要核化中心，因此必须通过单晶生长 过程中的质量控制和后续处理来提高单晶 的质量，使单晶材料趋于完美。
➢ 减少单晶材料缺陷和有害杂质的后续处理 方法通常采用吸除技术。 本征吸除 背面损伤 物理吸除 应力吸除 扩散吸除 吸除技术 溶解度增强吸除 化学吸除
物理吸除过程：
硅单晶体制备
➢多晶硅是制备单晶硅的原始材料 （一）多晶硅制备 多晶硅制备方式主要有三种： ✓ 四氯化硅氢还原法 ✓ 三氯氢硅氢还原法 ✓ 硅烷热分解法
本征吸除：
在晶片内引入一些缺陷，以此吸除在表 面附近的杂质和缺陷；
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
国内自造单晶炉设备图如下
直拉法制备单晶硅生长原理
点击视屏
单晶材料中的原生缺陷与有害杂质
硅单晶中存在多种原生缺陷和有害杂质。
宏观缺陷：
孪晶、裂纹、夹杂、位错等
原生缺陷：晶体生长过程中形成的缺陷
微缺陷 ：微沉积
➢ 有害杂质是指会影响晶体性质的杂质或杂 质团：施主、受主、重金属、碱金属等。
➢ 孪晶：晶体中有两个或以上生长晶核
（2）晶片平整度：晶片微细加工中，晶片的 翘曲将对图形加工质量产生严重影响。欲 减少翘曲，必须增加晶片厚度、减小晶片 所受的加工应力。
2、器件浅结化对硅材料的要求
➢ 随着器件图形特征尺寸的缩小，器件结深也 越来越浅。
➢ 因此器件特性对硅材料表面质量和界面性质 更为敏感。
➢ 任何表面缺陷都可能引起器件失效或可靠性 降低。
➢ 材料中的缺陷和有害杂质是工艺诱生缺陷 的主要核化中心，因此必须通过单晶生长 过程中的质量控制和后续处理来提高单晶 的质量，使单晶材料趋于完美。
➢ 减少单晶材料缺陷和有害杂质的后续处理 方法通常采用吸除技术。 本征吸除 背面损伤 物理吸除 应力吸除 扩散吸除 吸除技术 溶解度增强吸除 化学吸除
物理吸除过程：
硅单晶体制备
➢多晶硅是制备单晶硅的原始材料 （一）多晶硅制备 多晶硅制备方式主要有三种： ✓ 四氯化硅氢还原法 ✓ 三氯氢硅氢还原法 ✓ 硅烷热分解法
硅材料及衬底制备
N型硅表示
+
7
P型半导体
硅原子 空穴
Si B
Si
Si
硼原子
P型硅表示
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
8
1.1、 半导体的主要特征
⒈ 电阻率ρ:电阻率可在很大范围内变化
绝缘体
1012—1022 Ω.cm
半导体
10-6—1012 Ω.cm
导体
≤10-6Ω.cm
硅
2x105
Ωcm
B
10-5
P 10-5
构成的固体物质。
（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由
外观判断；
（2）周期性是晶体结构最基本的特征 多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序
12
晶体的特点
1）均匀性,原子周期性排列.
2）各向异性,也叫非均质性.(各个方向上物
理和化学性质不同) 3）有明显确定的熔点 4）有特定的对称性 5）使X射线产生衍射
使晶圆边缘圆滑的机械工艺。
42
四 硅单晶片的抛光
1 抛光目的：晶圆表面光滑，像镜面一样亮。
2 抛光的过程：化学和机械两种过程同时进行。 3 化学腐蚀液：用于腐蚀晶圆表面 4 机械摩擦：同时去掉不平整的区域，获得最平 整的晶圆表面。
43
200 mm的晶圓厚度和表面平坦度的變化
晶圓切片之後 76 mm
4 切片
37
38
二 硅单晶的研磨
1 目的：去除切片中残留的表面损伤，晶圆表面完 全平整； 2 磨片：研磨晶圆，精调到半导体使用的要求。
39
化學機械研磨製程
壓力 研磨液 晶圓
晶圓夾具
研磨墊
集成电路工艺硅的晶体结构
3.浅能级：靠近价带顶和导带底。
深能级：位于禁带中心附近。
18
1.5 杂质在硅晶体中的溶解度
• 1. 固溶体：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的晶体结构，这样的 晶体称为固溶体。
• 2. 固溶度：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 为这种杂质在晶体中的最大溶解度。
23
4. 放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃） ，让晶体逐渐长大到 所需的直径为止。这称为“放肩”。
24
5. 等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直 径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径 生长。此时要严格控制温度和拉速。
25
6. 收晶：晶体生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体 温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
• (3) 多晶体：晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则 地堆积而成。
• (4) 晶胞：能够最大限度地反应晶体对称性质的最小 单元。
• (5) 各向异性：晶体在不同方向上的物理特性是不相 同的。
6
• 2. 金刚石结构特点
• （1）共价四面体：
• 硅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。
就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
•
虽然晶圆尺寸愈大，愈能降低芯片制造成本，但推升晶圆尺寸
所需的技术和复杂度高，需要设备、元件等产业链的搭配，建厂成
本亦会大幅增加，具备一定难度。
3
• 晶圆尺寸的更新换代一般都需要十年左右，比如200mm晶圆是1991 年诞生的 ，截至2008年，广泛使用的300mm晶圆则是Intel在2001年引 入的，并首先用于130nm工艺处理器。事实上，仍有些半导体企业仍未 完成从200mm向300mm的过渡，而Intel此番准备升级450mm必然会让 半导体产业的芯片制造经济得到进一步发展。450mm晶圆无论是硅片面 积还是切割芯片数都是300mm的两倍多，因此每颗芯片的单位成本都会 大大降低。当然，投资更大尺寸的晶圆是需要巨额投资的，一般来说年
深能级：位于禁带中心附近。
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1.5 杂质在硅晶体中的溶解度
• 1. 固溶体：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的晶体结构，这样的 晶体称为固溶体。
• 2. 固溶度：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 为这种杂质在晶体中的最大溶解度。
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4. 放肩 缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃） ，让晶体逐渐长大到 所需的直径为止。这称为“放肩”。
24
5. 等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直 径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径 生长。此时要严格控制温度和拉速。
25
6. 收晶：晶体生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体 温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
• (3) 多晶体：晶体是由相同结构的很多小晶粒无规则 地堆积而成。
• (4) 晶胞：能够最大限度地反应晶体对称性质的最小 单元。
• (5) 各向异性：晶体在不同方向上的物理特性是不相 同的。
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• 2. 金刚石结构特点
• （1）共价四面体：
• 硅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。
就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
•
虽然晶圆尺寸愈大，愈能降低芯片制造成本，但推升晶圆尺寸
所需的技术和复杂度高，需要设备、元件等产业链的搭配，建厂成
本亦会大幅增加，具备一定难度。
3
• 晶圆尺寸的更新换代一般都需要十年左右，比如200mm晶圆是1991 年诞生的 ，截至2008年，广泛使用的300mm晶圆则是Intel在2001年引 入的，并首先用于130nm工艺处理器。事实上，仍有些半导体企业仍未 完成从200mm向300mm的过渡，而Intel此番准备升级450mm必然会让 半导体产业的芯片制造经济得到进一步发展。450mm晶圆无论是硅片面 积还是切割芯片数都是300mm的两倍多，因此每颗芯片的单位成本都会 大大降低。当然，投资更大尺寸的晶圆是需要巨额投资的，一般来说年
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第一章 硅的晶体结构、微电子加工环境
与衬底制备
教师：潘国峰 E-mail:pgf@
河北工业大学微电子研究所
1.1 硅的晶体结构特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中的杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 1.6 微电子加工环境 1.7 衬底材料 1.8 衬底制备
1.1 硅晶体结构的特点
晶体中组成原子、分子、离子按一定规则周期排列。任一晶体都可以看成由 质点（原子、分子、离子）在三维空间按一定规则重复排列构成的。 晶格－晶体中这种周期性结构。 单晶－整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶－晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅的晶体结构
硅的晶体结构：构成一个正四面体，具有金 刚石晶体结构。
以简单立方体晶格原胞的三个边作为基矢x、y、z，并以任意格点为原点， 则其它所有格点的位置可由矢量表示，
L l1x l2 y l3z
其中 l1 l2 l3 为任意整数。
而任意一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量标记，
L m1x m2 y m3z
其中m1、m2、m3是互质的整数。记做[m1，m2，m3]－晶向指数。
22 1 4 1 2 4
4
2.83
2a a
2a2 a2
1.2.3 堆积模型
面心立方晶格又称立方密排晶格 两种堆积方式：AB-六角密积 配位数－12 ABC－立方密积
1.2.4 双层密排面
金刚石结构为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。沿体对角线滑移1/4梯对角线的长度，刚好是晶胞面心立方原子
硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子） 决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子， 它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。
硅的共价键结构
晶胞－能最大限度地反应晶体对称性的最小单元。
300K时，硅的晶格常数a=5.4305Å ，锗的晶格常数a=5.6463Å 硅的原子密度：8/a3=5×1022/cm3，锗的原子密度：8/a3=4.42×1022/cm3
共价四面体的健角：109°28´ 最小原子间距： 3a / 4
硅的原子半径rsi= 3a / 8
硅的空间利用率＝
4rs3i / 3 a3 /8
34%
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
硅的不同晶向和晶面上的原子排列对器件的制造有重要影响。 任何晶体的晶格中的原子总可以被看作是处于一系列方向相同的平行直线系 上，这种直线系称为晶列。同一晶体存在很多取向不同的晶列，而不同取向晶 列上原子排列不同，通常用晶向来表示一族晶列所指的方向。
有些晶面是彼此等效的，如（100）、（010）等六种晶面，故用{100} 表示该晶面族。
不同晶面上硅原子的分布不同，可以计算出晶面上单位面积上的原子
数－面密度。
（100）：
1 4 1 4
a2
2 a2
4 1 2 1 2
（111）：
4 2 3a 2a
2
4 3a 2
2.30 a2
（110）:密度最大，但不均匀
常见半导体材料
单一元素半导体(IV族)：硅（Si）、锗(Ge)
硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最 重要的半导体材料；90％以上的半导体器件是硅器件。
化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物
GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用 于光电器件、半导体激光器和微波器件。
1.3 单晶中的原生缺陷和有害杂质
原生缺陷是晶体生长过程中形成的缺陷。主要有宏观缺陷
和微观缺陷两大类。孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷和 微沉积等。
有害杂质则是会影响晶体性质的杂质或杂质团，主要有
受主、施主、重金属、碱金属等。原量生缺陷和有害杂质除影响材料的 力学性质、载流子的输运或杂质的扩散行为外,还与加工工艺中产生的诱 生缺陷密切相关。
< m1，m2，m3 >表示这些等价方向－晶向。
<111>
在硅原子的不同晶向上，原子排列 不同，在不同晶向原子线密度：
<100> <110> <111>
2
1 2
1
aa
2 1 1 2
2
1.41
2a
2a a
1 2 1 2
2
1.15
3a
3a a
<110>方向的原子线密度最大。
1.2.2 晶面
晶格上的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。通过任一晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面的原子排列 一般不同，可以用相邻的两个平行晶面在矢量x、y、z上的截距来标志。表 示为x/h1、y/h2、z/h3，h1，h2，h3为互质整数。晶面记为（ h1，h2，h3） －晶面指数（米勒指数）。
位错大部为沿（111）滑移面贯穿于整个晶体的准刃位错。刃位错的 特点之一是有多余的半晶面，晶体上、下两部分滑移了一个原子间距。
面缺陷与体缺陷
热平衡下，空位密度与温度的关系：
nv
N eEv / kT v
Ev Si=2.6ev
3、外来原子－在晶体生长、加工、集成电路制造等过程中引入的杂质。
线缺陷
线缺陷－在某方向延伸，其它两个方向延伸很小。位错为常见形式， 位错一般分为刃位错和螺旋位错两种基本形式，在滑移矢量和位错呈其 它角度时，形成混和位错。
所在位置。形成AA
BB´CC´堆积。故硅晶体的密排面都是双层的。
双层密排面内距离： 3a /12
双层密排面间距离： 3a / 4
金刚石晶面的特点： 1、易沿{111}密排面形成解理面。 2、 {111}密排面结合牢固，化学腐 蚀困难、缓慢，腐蚀后容易暴露在 表面。 3、 {111}密排面面间距离大，结合 弱，晶格缺陷容易在此形成和扩展。 4、 {111}密排面晶面能量低，在晶 体生长中易使晶体表面形成{111} 晶面。
1.3.1 硅晶体中的原生缺陷
常见缺陷：点、线、面、体缺陷。
点缺陷
1、自间隙原子－存在于硅晶格间 隙中的硅原子。
ni
N eEi / kT i
2、空位－形成自间隙原子的同时，
原晶格形成空格点，即空位。
晶格正常位置原子跑到表面，在体
内形成一晶格空位，这种叫肖特基缺
陷；如果该原子进入间隙，并产生一
空位－弗仑克尔缺陷。
与衬底制备
教师：潘国峰 E-mail:pgf@
河北工业大学微电子研究所
1.1 硅的晶体结构特点 1.2 晶向、晶面和堆积模型 1.3 硅晶体中的缺陷 1.4 硅中的杂质 1.5 杂质在硅晶体中的溶解度 1.6 微电子加工环境 1.7 衬底材料 1.8 衬底制备
1.1 硅晶体结构的特点
晶体中组成原子、分子、离子按一定规则周期排列。任一晶体都可以看成由 质点（原子、分子、离子）在三维空间按一定规则重复排列构成的。 晶格－晶体中这种周期性结构。 单晶－整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶－晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成。
硅的晶体结构
硅的晶体结构：构成一个正四面体，具有金 刚石晶体结构。
以简单立方体晶格原胞的三个边作为基矢x、y、z，并以任意格点为原点， 则其它所有格点的位置可由矢量表示，
L l1x l2 y l3z
其中 l1 l2 l3 为任意整数。
而任意一个晶列的方向可由连接晶列中相邻格点的矢量标记，
L m1x m2 y m3z
其中m1、m2、m3是互质的整数。记做[m1，m2，m3]－晶向指数。
22 1 4 1 2 4
4
2.83
2a a
2a2 a2
1.2.3 堆积模型
面心立方晶格又称立方密排晶格 两种堆积方式：AB-六角密积 配位数－12 ABC－立方密积
1.2.4 双层密排面
金刚石结构为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。沿体对角线滑移1/4梯对角线的长度，刚好是晶胞面心立方原子
硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子） 决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子， 它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。
硅的共价键结构
晶胞－能最大限度地反应晶体对称性的最小单元。
300K时，硅的晶格常数a=5.4305Å ，锗的晶格常数a=5.6463Å 硅的原子密度：8/a3=5×1022/cm3，锗的原子密度：8/a3=4.42×1022/cm3
共价四面体的健角：109°28´ 最小原子间距： 3a / 4
硅的原子半径rsi= 3a / 8
硅的空间利用率＝
4rs3i / 3 a3 /8
34%
1.2 晶向、晶面和堆积模型
1.2.1 晶向
硅的不同晶向和晶面上的原子排列对器件的制造有重要影响。 任何晶体的晶格中的原子总可以被看作是处于一系列方向相同的平行直线系 上，这种直线系称为晶列。同一晶体存在很多取向不同的晶列，而不同取向晶 列上原子排列不同，通常用晶向来表示一族晶列所指的方向。
有些晶面是彼此等效的，如（100）、（010）等六种晶面，故用{100} 表示该晶面族。
不同晶面上硅原子的分布不同，可以计算出晶面上单位面积上的原子
数－面密度。
（100）：
1 4 1 4
a2
2 a2
4 1 2 1 2
（111）：
4 2 3a 2a
2
4 3a 2
2.30 a2
（110）:密度最大，但不均匀
常见半导体材料
单一元素半导体(IV族)：硅（Si）、锗(Ge)
硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最 重要的半导体材料；90％以上的半导体器件是硅器件。
化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物
GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用 于光电器件、半导体激光器和微波器件。
1.3 单晶中的原生缺陷和有害杂质
原生缺陷是晶体生长过程中形成的缺陷。主要有宏观缺陷
和微观缺陷两大类。孪晶、裂纹、夹杂、位错、小角度晶界、微缺陷和 微沉积等。
有害杂质则是会影响晶体性质的杂质或杂质团，主要有
受主、施主、重金属、碱金属等。原量生缺陷和有害杂质除影响材料的 力学性质、载流子的输运或杂质的扩散行为外,还与加工工艺中产生的诱 生缺陷密切相关。
< m1，m2，m3 >表示这些等价方向－晶向。
<111>
在硅原子的不同晶向上，原子排列 不同，在不同晶向原子线密度：
<100> <110> <111>
2
1 2
1
aa
2 1 1 2
2
1.41
2a
2a a
1 2 1 2
2
1.15
3a
3a a
<110>方向的原子线密度最大。
1.2.2 晶面
晶格上的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。通过任一晶列都存在许多取向不同的晶面，不同晶面的原子排列 一般不同，可以用相邻的两个平行晶面在矢量x、y、z上的截距来标志。表 示为x/h1、y/h2、z/h3，h1，h2，h3为互质整数。晶面记为（ h1，h2，h3） －晶面指数（米勒指数）。
位错大部为沿（111）滑移面贯穿于整个晶体的准刃位错。刃位错的 特点之一是有多余的半晶面，晶体上、下两部分滑移了一个原子间距。
面缺陷与体缺陷
热平衡下，空位密度与温度的关系：
nv
N eEv / kT v
Ev Si=2.6ev
3、外来原子－在晶体生长、加工、集成电路制造等过程中引入的杂质。
线缺陷
线缺陷－在某方向延伸，其它两个方向延伸很小。位错为常见形式， 位错一般分为刃位错和螺旋位错两种基本形式，在滑移矢量和位错呈其 它角度时，形成混和位错。
所在位置。形成AA
BB´CC´堆积。故硅晶体的密排面都是双层的。
双层密排面内距离： 3a /12
双层密排面间距离： 3a / 4
金刚石晶面的特点： 1、易沿{111}密排面形成解理面。 2、 {111}密排面结合牢固，化学腐 蚀困难、缓慢，腐蚀后容易暴露在 表面。 3、 {111}密排面面间距离大，结合 弱，晶格缺陷容易在此形成和扩展。 4、 {111}密排面晶面能量低，在晶 体生长中易使晶体表面形成{111} 晶面。
1.3.1 硅晶体中的原生缺陷
常见缺陷：点、线、面、体缺陷。
点缺陷
1、自间隙原子－存在于硅晶格间 隙中的硅原子。
ni
N eEi / kT i
2、空位－形成自间隙原子的同时，
原晶格形成空格点，即空位。
晶格正常位置原子跑到表面，在体
内形成一晶格空位，这种叫肖特基缺
陷；如果该原子进入间隙，并产生一
空位－弗仑克尔缺陷。