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
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
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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。
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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。
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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)。
单晶硅结构
单晶硅结构单晶硅（Monocrystalline silicon），是指由纯硅材料制成的晶体硅，其晶体结构具有高度的有序性和完整性。
单晶硅因其独特的物理和化学特性，被广泛应用于半导体器件制造、太阳能电池等领域。
单晶硅的结构由硅原子组成，硅原子具有4个价电子，它们通过共价键连接在一起形成晶体结构。
单晶硅的晶体结构属于钻石型晶系，具有面心立方晶胞。
在晶体中，硅原子以四面体的形式排列，每个硅原子都与其周围的四个硅原子通过共价键相连，形成一个三维网状结构。
单晶硅具有高度的晶体完整性和有序性，其晶体中没有晶界、晶粒边界和位错等缺陷。
这使得单晶硅具有优异的电学性能和光学性能。
在半导体器件制造中，单晶硅用作基片材料，可以制备出高性能的晶体管、集成电路等器件。
在太阳能电池领域，单晶硅是制造高效率太阳能电池的主要材料之一。
单晶硅的制备过程是通过将纯净的硅材料溶解在高温下，然后将溶解液缓慢冷却，使得硅原子重新有序排列，并形成大尺寸的晶体。
制备单晶硅的过程需要严格控制温度、压力和其他工艺参数，以确保晶体的质量和完整性。
单晶硅具有很高的晶体纯度，晶体中的杂质含量非常低。
这是因为在制备过程中，采用了多道工艺步骤对杂质进行了去除和控制。
晶体中的杂质含量对单晶硅的电学和光学性能有很大影响，因此高纯度的晶体材料对于制备高性能的器件至关重要。
单晶硅具有优异的电学性能和光学性能。
在电学性能方面，单晶硅具有较高的电导率和较低的电阻率，可以有效传导电流。
在光学性能方面，单晶硅对太阳光有较高的吸收率，可以将光能转化为电能。
因此，单晶硅在太阳能电池领域具有重要的应用价值。
总结起来，单晶硅是一种具有高度有序性和完整性的硅晶体材料，其晶体结构属于钻石型晶系。
单晶硅具有优异的电学和光学性能，广泛应用于半导体器件制造和太阳能电池等领域。
单晶硅的制备过程需要严格控制工艺参数，以确保晶体的质量和纯度。
通过不断的研究和发展，单晶硅的应用前景将更加广阔。
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；
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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
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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
硅的制备及其晶体结构
性能上两大特点：固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）
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§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(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
射频线圈
熔融液
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
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直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
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）
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
除了应力形变可以产生位错外，晶格失配也可以引起位错。若某一部分掺 入较多的外来原子，就会使晶格发生压缩或膨胀，在掺杂和未掺杂的两部分 晶体界面上就会产生位错，以减少因晶格失配产生的应力。这种位错称为失 配位错。
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面缺陷——层错 （Side defects）
多晶的晶粒间界是最明显的面缺陷，晶粒间界是一个原子错排的过渡区。在密 堆积的晶体结构中，层错又称为堆积层错，是由原子排列顺序发生错乱引起的。 层错并不改变晶体的电学性质，但是会引起扩散杂质分布不均匀等影响。
▪ 直拉法 （Czochralski法)
▪ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
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直拉法（CZ）
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区域熔融法（FZ）
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§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(Si)
90%
其他（蓝宝石 等绝缘体）
射频线圈
熔融液
氩气 籽晶
单晶 熔化区
多晶硅柱
CW
直拉法系统的原理图
区域熔融系统的原理图
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直拉法和区熔法的比较
直拉法 区熔法
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）
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
除了应力形变可以产生位错外，晶格失配也可以引起位错。若某一部分掺 入较多的外来原子，就会使晶格发生压缩或膨胀，在掺杂和未掺杂的两部分 晶体界面上就会产生位错，以减少因晶格失配产生的应力。这种位错称为失 配位错。
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面缺陷——层错 （Side defects）
多晶的晶粒间界是最明显的面缺陷，晶粒间界是一个原子错排的过渡区。在密 堆积的晶体结构中，层错又称为堆积层错，是由原子排列顺序发生错乱引起的。 层错并不改变晶体的电学性质，但是会引起扩散杂质分布不均匀等影响。
▪ 直拉法 （Czochralski法)
▪ 区域熔融法 （Floating Zone法）
直拉法系统示意图
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直拉法（CZ）
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区域熔融法（FZ）
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• 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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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
• 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， 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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第一章 硅晶体结构
• 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
• 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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第一章 硅晶体结构
单 晶 生 长 机 的 示 意 图
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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) 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。
• • • •
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 K0
AL
As
B
C
Cu
Fe
O
P
Sb
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
•
1.4.1 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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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
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
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第一章 硅晶体结构
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
1.4.2 腐蚀 1.4.3 抛光
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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。
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第一章 硅晶体结构
• 1.1 硅晶Βιβλιοθήκη 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
• 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