硅晶体结构
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第一章 硅的晶体结构
间隙式杂质
替位式杂质
34
举例Si中掺 四、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
35
电离结果： 电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺 子数增加了，这也是掺 施主的意义所在 施主的意义所在
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体 导体称为电子型或 型半导体
3
1.1 硅晶体结构的特点
1.1.1 晶胞
一、基本概念
晶格： 晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞： 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。
4
单晶体： 单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体： 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。
n型杂质 型杂质
38
举例Si中掺 五、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
39
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
电离结果： 电离结果：价带中的 空穴数增加了， 空穴数增加了，这也 掺受主的意义所在 是掺受主的意义所在
10
1.1.3 原子密度
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a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 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
替位式杂质
34
举例Si中掺 四、施主杂质、施主能级(举例 中掺 ，Si:P) 施主杂质、施主能级 举例 中掺P，
35
电离结果： 电离结果：导带中的电 子数增加了，这也是掺 子数增加了，这也是掺 施主的意义所在 施主的意义所在
主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体 导体称为电子型或 型半导体
3
1.1 硅晶体结构的特点
1.1.1 晶胞
一、基本概念
晶格： 晶格：晶体中原子的周期性排列称为晶格。 晶胞： 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。
4
单晶体： 单晶体：整个晶体由单一的晶格连续组成的晶体。 多晶体： 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。
n型杂质 型杂质
38
举例Si中掺 五、受主杂质、受主能级(举例 中掺 ，Si:B) 受主杂质、受主能级 举例 中掺B，
39
主要依靠价带空穴导电的半 导体称为空穴型或p型半导体 导体称为空穴型或 型半导体
电离结果： 电离结果：价带中的 空穴数增加了， 空穴数增加了，这也 掺受主的意义所在 是掺受主的意义所在
10
1.1.3 原子密度
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a3/8，因此每立方厘米体积中的硅原子数为： 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
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。
硅的晶体结构课件
04
硅晶体结构的应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体工业中的应用
硅晶体是半导体工业中最重要 的材料之一，用于制造集成电 路、微处理器、晶体管、太阳 能电池等。
硅晶体的高纯度、低缺陷密度 和优良的电学性能使其成为制 造电子器件的理想材料。
硅晶体在半导体工业中的应用 已经取得了巨大的经济效益和 社会效益。
氧化性
硅在高温下能与氧气发生反应， 生成二氧化硅，这是一种具有高
硬度的玻璃态物质。
还原性
在特定条件下，硅能与一些强还 原剂发生反应，生成硅烷等有机
硅化合物。
硅晶体结构的电学性质
导电性
硅晶体结构是一种半导体材料， 其导电性能介于导体和绝缘体之 间。在一定条件下，硅可以表现 出优良的导电性能。
光导性
硅在特定波长的光线照射下，能 吸收光能并转换为电能，这是制 造太阳能电池的基础原理之一。
强方向性
硅晶体中的共价键具有强 方向性，这使得硅晶体具 有高度的结晶性和各向异 性。
共价键性质
硅晶体中的共价键属于定 域键，其电子云主要集中 在相邻原子的轨道重叠区 域，形成稳定的化学键。
03
硅晶体结构的性质
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
硅晶体结构的物理性质
空间格子
硅晶体的空间格子是由两个面心立 方点阵沿特定方向嵌套而成，这种 结构使得硅晶体具有较高的硬度和 化学稳定性。
晶胞参数
硅晶胞参数为a=b=c=5.43埃， α=β=γ=90°，每个晶胞中含有2个 硅原子。
硅晶体结构的键合方式
01
02
03
硅晶体结构的特点硅的晶胞结构
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
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。
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
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。
硅和锗的晶格结构相同，但晶 胞边长a（晶格常数）不同。 300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的 a=5.6463Å
硅晶体结构的特点
二、原子密度 晶胞单位体积所含的原子数，称为原子密度。
硅晶体的原子密度 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：1 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8
硅中杂质
二、N 型半导体
多余 电子
磷原子
++
44
++
5
4
多余电子只受磷原子实库仑势的吸引，故有小能 量既可运动成为自由电子。电子浓度大大增加导致导 电能力增强。 能提供多余电子的杂质称为施主杂质。
硅中杂质
三、P 型半导体
空穴 +4 +4
+3 +4 硼原子
硅的晶体结构
10
1.1.4 晶体内部的空隙
z
B
C
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
A
个角落的圆球紧密接触，试计算出
D
a3
这些圆球占此体心立方晶胞的空间
8
y
比率。 圆球半径定义为晶体中最小
原子间距的一半，即 3a / 8。
x
解：球的体积为：4rS3i
3
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a3 / 8
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。
13
3..2.2 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。
12
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：
L l1x l2 y l3z
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：
A m1x m2 y m3z
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
z
z
B
C
A D
y
x
x
5
➢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)。
1.1.4 晶体内部的空隙
z
B
C
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
A
个角落的圆球紧密接触，试计算出
D
a3
这些圆球占此体心立方晶胞的空间
8
y
比率。 圆球半径定义为晶体中最小
原子间距的一半，即 3a / 8。
x
解：球的体积为：4rS3i
3
每个硅原子在晶体内所占的空间体积为： a3 / 8
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。
13
3..2.2 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。
12
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：
L l1x l2 y l3z
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：
A m1x m2 y m3z
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
z
z
B
C
A D
y
x
x
5
➢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)。
硅的晶体结构
硅晶体结构的特点
四、晶体内部的空隙 金刚石结构的另一个特点是内部存在着相当大的空隙。
晶体中最小的原子间距的二分之一定义为硬球半径。
硅原子半径： rsi=
3a 8
=1.17Å
硅 单原位子原体子积在晶: 格中占34 有rSi3的体积：1 a3
8
空间利用率：硅原子体积/单位原子在晶
格中占有的体积
硅晶体空间利用率约为34%
晶向指数：[m1,m2,m3]; <m1,m2,m3>（等价概括）
原子线密度：晶向上单位长度内的原子个数
3a
[111]
12 1 2
1.15
3a a
晶向、晶面和堆积模型
二、晶面 晶面：晶格中的原子不但处于一系列方向相同的平行直线上， 且可看作处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为 晶面。 晶面指数：相邻的两个平行晶面在坐标轴上的截距的倒数。
硅:a=5.4305Å，硅的原子密度:8/a3=5×1022/cm3 锗晶胞:8/a3=4.425×1022/cm3
硅晶体结构的特点
三、共价四面体
硅晶体中虽然不等价原子的环境不完全相同，但 任何一原子都有4个最近邻的原子，与之形成共价键。 一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的 原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。
硅晶体中的缺陷
晶体中主要缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 一、点缺陷
点缺陷主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷、外来原子(替位式或间隙式)
硅晶体中的缺陷
二、线缺陷 位错是晶体中常见的线缺陷，可以通过范性形变产生，
主要有刃位错和螺位错等。 刃位错
已滑移部分和未滑移部分的交界线称为位错线。当 位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃位错。
硅晶体结构ppt课件
当位错线与滑移矢量垂直时，称为刃位错； 当位错线与滑移矢量平行时，则称为螺位错。
.
位错示意图
刃位错
螺位错
.
滑移与攀移
滑移
攀移
.
面缺陷或体缺陷
.
晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
.
硅中杂质
.
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
硅晶体结构虽然排列有规则，但内部还存在相当大的 空隙，某些半径较小的原子能比较容易在晶格内运动。
.
晶体密排面
晶体中原子在不同方向上的排列是不同的—疏密不同 当某个晶向上原子之间间距最小原子排的最密，该晶 面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点： 1、原子排列最紧密，相邻原子间距小； 2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
.
硅的晶体结构 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子
）不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体 没有一定的规则外形，如玻璃、松香、石蜡等 。其物理性质在各个方向上是相同的，称“各 向同性”；没有固定的熔点。有人把非晶体叫 做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。
.
硅的晶体结构
晶体在不同方向上物理性质不同的现象——各向异性。 非晶体各个方向物理性质是相同的。
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
.
硅晶体中的缺陷和杂质
集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料
晶体缺陷种类：
点缺陷
面缺陷
线缺陷
体缺陷
.
点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。
.
位错示意图
刃位错
螺位错
.
滑移与攀移
滑移
攀移
.
面缺陷或体缺陷
.
晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
.
硅中杂质
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硅晶体结构虽然排列有规则，但内部还存在相当大的 空隙，某些半径较小的原子能比较容易在晶格内运动。
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晶体密排面
晶体中原子在不同方向上的排列是不同的—疏密不同 当某个晶向上原子之间间距最小原子排的最密，该晶 面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点： 1、原子排列最紧密，相邻原子间距小； 2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
.
硅的晶体结构 非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子
）不呈空间有规则周期性排列的固体。非晶体 没有一定的规则外形，如玻璃、松香、石蜡等 。其物理性质在各个方向上是相同的，称“各 向同性”；没有固定的熔点。有人把非晶体叫 做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。
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硅的晶体结构
晶体在不同方向上物理性质不同的现象——各向异性。 非晶体各个方向物理性质是相同的。
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
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硅晶体中的缺陷和杂质
集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料
晶体缺陷种类：
点缺陷
面缺陷
线缺陷
体缺陷
.
点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。
硅晶体结构
晶体在固液转变程中，固液共存状
态下，保持一定温度不变，此温度称 为熔点或凝固点；但非晶体没有固定
的熔点，非晶体通常又称为玻璃态物
质，熔化过程是固态逐步软化形成的。 凝固状态取决于加工条件。
硅的晶体结构
单晶体——内部所有原子均按统一周期排列的晶体； 多晶体——由许多小晶体颗粒无规则堆积而成的晶体；
重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分交界处形 成位错。滑移量大小可用滑移矢量来描述。
当位错线与滑移矢量垂直时，称为刃位错；
当位错线与滑移矢量平行时，则称为螺位错。
位错示意图
刃位错
螺位错
滑移与攀移
滑移
攀移
面缺陷或体缺陷
晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点：
1、原子排列最紧密，相邻原子间距小；
2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
硅晶体中的缺陷和杂质 集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料 晶体缺陷种类： 点缺陷 面缺陷 线缺陷 体缺陷
点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
硅中杂质
集成电路制造所用硅材料（硅晶圆片）就是硅单晶体；
硅的晶体结构
晶列、晶面与晶向
晶格中的原子可看成是在一系列方向相同的 平行直线上，该直线称为晶列。通常晶列所指方向 即为晶向。晶格中一些原子构成的平面称为晶面。
硅晶体结构示意图
Si原子
正四面体结构单元
硅晶体结构
态下，保持一定温度不变，此温度称 为熔点或凝固点；但非晶体没有固定
的熔点，非晶体通常又称为玻璃态物
质，熔化过程是固态逐步软化形成的。 凝固状态取决于加工条件。
硅的晶体结构
单晶体——内部所有原子均按统一周期排列的晶体； 多晶体——由许多小晶体颗粒无规则堆积而成的晶体；
重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分交界处形 成位错。滑移量大小可用滑移矢量来描述。
当位错线与滑移矢量垂直时，称为刃位错；
当位错线与滑移矢量平行时，则称为螺位错。
位错示意图
刃位错
螺位错
滑移与攀移
滑移
攀移
面缺陷或体缺陷
晶体缺陷对晶体的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
面称为密排方向。原子排列最紧密的面称为密排面。
密排面特点：
1、原子排列最紧密，相邻原子间距小；
2、相邻密排面晶面之间的距离最大；
晶体最容易从密排面之间断开——解理面
硅晶体中的缺陷和杂质 集成电路制作过程中，选择单晶为基本材料——无位错材料 晶体缺陷种类： 点缺陷 面缺陷 线缺陷 体缺陷
点缺陷
晶体点缺陷主要包括间隙原子、空位、肖特基缺陷、 弗仑克尔缺陷和外来原子等。
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
硅中杂质
集成电路制造所用硅材料（硅晶圆片）就是硅单晶体；
硅的晶体结构
晶列、晶面与晶向
晶格中的原子可看成是在一系列方向相同的 平行直线上，该直线称为晶列。通常晶列所指方向 即为晶向。晶格中一些原子构成的平面称为晶面。
硅晶体结构示意图
Si原子
正四面体结构单元
硅晶体结构
精选集成电路工艺硅的晶体结构
衬底制备
衬底制备包括： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工
晶面定向与晶面标识
由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件：{111}面； MOS器件：{100}面。8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。
收晶：晶体生长所需长度后，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。
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制 电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易 引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10- 40ppm)
三、面缺陷
二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。
孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。
图1.1. 晶格中的点缺陷和类型
二、线缺陷
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。
刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。
螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错
衬底制备包括： 整形、晶体定向、晶面标识、晶面加工
晶面定向与晶面标识
由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的晶向（或解理面）进行切割，如双极器件：{111}面； MOS器件：{100}面。8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。
收晶：晶体生长所需长度后，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。
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低; 通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好控制 电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响，易 引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常10- 40ppm)
三、面缺陷
二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如孪晶、晶粒间界以及堆垛层错。
孪晶：是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。晶粒间界则是彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区。
图1.1. 晶格中的点缺陷和类型
二、线缺陷
指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短，分为刃型位错和螺位错。
刃型位错:在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，沿刀刃方向的位错为刃型位错。
螺位错:将规则排列的晶面剪开（但不完全剪断），然后将剪开的部分其中一侧上移半层，另一侧下移半层，然后黏合起来，形成一个类似于楼梯 拐角处的排列结构，则此时在“剪开线”终结处（这里已形成一条垂直纸面的位错线）附近的原子面将发生畸变，这种原子不规则排列结构称为一个螺位错
第一章 硅晶体与非晶体
晶体内部原子排列具有周期性的结果和宏观体现。
1.硅晶体结构的特点
1.1 晶体的基本性质
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积 简单立方结构
晶体钋Po
•
• •
原子球的正方堆积
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简单立方结构单元
体心立方结构
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• •
体心立方的堆积方式
•
•
体心立方堆积
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
•
300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的a=5.6463Å
1.硅晶体结构的特点 1.2 空间点阵 原子密度：原子个数/单位体积
• 顶角：1/8 ； 面心：1/2 ；体心：4 • 一个硅晶胞中的原子数: 8*1/8+6*1/2+4=8 • 每个原子所占空间体积为：a3/8 • 硅晶胞的原子密度: 8/a3=5×1022/cm3
(a)刃位错
（ I）
（II）
（III）
(b)螺位错
（ I）
（II）
（III）
3.1晶体缺陷的类型
(3)面缺陷
(a)堆垛层错： 如:ABCABCABCBCABC, 中缺少了一层A面。
(b)小角晶界: 可看作由一排刃形位错构成。
晶粒1
晶界
晶粒2
晶界原子排列示意图
(4)体缺陷
小角晶界的环纹暗场像 小角晶界示意图
大尺寸的亚微观甚至宏观缺陷，如包裹体、裂纹、气孔等。
◆金刚石结构
金刚石晶体结构
•
300K时，硅的a=5.4305Å ,锗的a=5.6463Å
1.硅晶体结构的特点 1.2 密堆积
金刚石晶面性质
金刚石晶格是由两套面心立方晶格套构而成，故其 {111}晶面是原子密排面。
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第一章 硅晶体结构
• 1.2 硅晶体中的缺陷和杂质 • 1.2.1 点缺陷
点缺陷：间隙原子、空位、肖特基缺陷 • 1.2.2 线缺陷
线缺陷：刃位错、螺位错 • 1.2.3 面缺陷和体缺陷
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第一章 硅晶体结构
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第一章 硅晶体结构
第一章
硅的晶体结构
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第一章 硅晶体结构
• 1.1 硅晶体的结构的特点
特点：金刚石结构,最近邻原子间距2.35A 空间利用率34%
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第一章 硅晶体结构
• 1.4.1 小结与展望 • 集成电路的发展对硅片的要求： • 1.集成电路的特征尺寸逐渐减小，芯片面积逐渐增
大
(1) 微缺陷对芯片的影响增大 (2) 器件参数对单晶硅中杂质和缺陷的 密度，分布 特点，电活性等更加敏感
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• 1.2.4 硅中的杂质 • 施主杂质：磷（P） 受主杂质：硼（B）
图1－3 a）本征硅 b）具有施主杂质磷的N型硅 c）具有受主杂质硼的P型硅
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第一章 硅晶体结构
• 1.2.5 杂质在硅晶体中的溶解度 • 杂质在硅中的两种存在方式：填隙式、替位式。 • 引入杂质缺陷的目的：改变导电特性
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1.4 硅的整形 1.4.1 整形加工 1 外圆研磨 2 内圆切片 3 边缘倒角
第一章 硅晶体结构
1.4.2 腐蚀 1.4.3 抛光
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及整流二极管漏电流的增加有关，低含碳量仍对漏 电性能有影响。
• 实际生产对硅片质量的要求：直径大，一致性好， 在均匀性、掺杂剂、杂质、点缺陷沉淀、清洁表面 特性以及测试方法符合规范要求。
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单 晶 生 长 机 的 示 意 图
1 硅中的外吸除:有意识的造成高密度的但较浅的晶 格畸变，在器件热过程的前期使应力的弛豫变成层 错和位错环，以便提高吸除能力。
2 硅中的内吸除：CMOS工艺中到高含量的衬底， 常遇到热施主这就需要进行阈值电压调整。
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第一章 硅晶体结构
• 2.为了降低成本，硅圆片的直径越来越大 (1) 硅片电参数径向均匀性问题 (2) 硅片平整度问题
• 3.集成电路的器件结构越来越趋向硅圆片浅表层 • 4.集成电路越来越普遍的采用低温工艺 • 5. 金属和介质薄膜淀积的层次越来越多
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图1－4 间隙式固溶体和替位式固溶体
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第一章 硅晶体结构
• 1.3 切克劳斯基（CZ）晶体生长方法 • 1.3.1 晶体生长理论 • 分凝系数：公式 • 表1－1 硅中普通杂质的分凝系数
杂质 AL As
B
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第一章 硅晶体结构
• 硅晶体是由两套面心立方格子沿对角线位移 四分之一长度套构而成的
• 硅晶体的晶格是复式晶格;因为晶格中有两种 不等价原子
• 硅晶体中不同的晶向和晶面上的原子排列情 况是不同的,不同的排列对器件的制造有着重 要的影响
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C
Cu
Fe
O
P
Sb
K0
0.002 0.3
0.8
0.07 0.0004 0.000008 1.25 0.35 0.023
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第一章 硅晶体结构
• 1.3.2 晶体生长规范 • 单晶体生长方法:悬浮区熔硅 • 碳对硅质量的影响：高碳含量与击穿电压的降低，
第一章 硅晶体结构
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第一章 硅晶体结构
• 1.3.3 杂质和缺陷的考虑
• 缺陷的优缺点：缺陷可以作为快速扩散杂质的吸除 点、源，但这些缺陷一旦遇到器件结构部位将产生 严重后果。
• 氧缺陷去除方法：外表面的机械损伤(外吸除)和体内 氧化物颗粒(内吸除)
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第一章 硅晶体结构
• 三段内吸除工艺： • 第一阶段:处理温度1100～1200℃,5～10h，
整个材料处于均匀状态，氧外扩散到外表面。
• 第二阶段:低温热处理，750℃、5~30h，形 成小核并慢速成长。
• 第三阶段:1000℃下加热数小时，大核继续 生长。
• CVD法沉积氮化硅作为坩锅材料，能去除单 晶硅中的氧。