集成电路制造技术复习笔记：第一章

硅衬底

硅作为半导体材料的优点

1. 硅在地壳中含量充分，仅次于氧，质量占27.72%；基本原料大量存在，易于获得；
2. 二氧化硅对于器件有很好保护作用；
3. 硅密度相对较小，硅单晶密度只有2.33g/cm3，只有锗或砷化镓的43.8%；
4. 热导率高、膨胀系数小；
5. 机械性能好；

硅在地壳中含量充分

源材料丰富：沙子（又称石英砂或硅石）是硅在自然界中的主要形式，制备单晶硅的基本材料；大量存在且易于获得，为降低单晶硅材料的成本提供了有力保障。

二氧化硅保护层

氧化硅对于保护硅晶片表面的元器件的结构和性质有着极其重要的作用；

本证氧化硅是硅平面工艺中最主要的单项工艺之一，在集成电路发展过程及现代工艺中都发挥着重要作用。

硅材料的密度相对较小

1. 硅单晶密度只有2.33g/cm3，只有锗或砷化镓的43.8%。
2. 硅微电子产品重量更轻。随着集成电路集成度的增加，芯片面积也越来越大，沉底质量轻就能整体减少整机质量，尤其是在航空航天领域的电子产品。

热导率高、膨胀系数小

1. 硅的热导率可以和金属比拟，钢为1.0W/cm.C, 铝为2.4W/cm；
2. 良好的热导率能够减小生产中由高温工艺给芯片带来的热应力；使用过程中有利于芯片的散热；

机械性能好

采用硅微机械加工技术可制作微小结构单元，在MEMS等领域具有应用前景。

硅、锗、砷化镓的电学性质对比（室温）

1. 硅禁带宽度比锗大，因而硅pn结反向电流更小，且硅可以工作到150度，锗只能100度；
2. 硅电子迁移率比锗，尤其是砷化镓低得多，不适宜在高频工作；
3. 当前砷化镓占领了高频、高速及微波微电子器件的沉底材料领域；
4. 硅是间接带隙半导体，砷化镓是直接带隙半导体，因此砷化镓占领了光电应用领域；

硅的晶体结构

常见的密堆积类型

1. 立方最密堆积（A1） 最密
2. 六方最密堆积（A3） 最密
3. 体心立方密堆积（A2） 非最密

空间利用率

堆积方式	点阵形式	空间利用率
面心立方最密堆积	面心立方	74.05%
六方最密堆积	六方
体心立方密堆积	体心立方	68.02%

面心立方结构及其延伸结构

Nacl结构

反萤石结构(Na₂O)

闪锌矿结构(SiC, GaAs, ZnS, ZnO)

金刚石结构(Si, Ge)

Anion	T+	T-	O	Structure
ccp	—	—	Full	Rocksalt, NaCl
	Full		—	Sphalerite (Zinc Blende)
		Full		Antifluorite
	—	—	Vz	CdCl2
hep			Full	Nickel Arsenide
	Full		—	Wurtzite, ZnS
		Full		Not known
	—		1/2	CdI2
ccp	1/8			Spinel, MgAI2O4
hep				Olivine, Mg2SiO4
	—		2/3	Corundum, AI2O3
ccp AO3			1/4	Perovskite, CaTiO3
ccp (¾ only)				Rhenium Trioxide, ReO3

硅晶体结构及特点

1. 两两原子之间的夹角为 109o28’
2. sp³杂化

晶向指数及其确定方法

晶面指数及其确定方法

硅晶体中的缺陷

1. 肖特基缺陷
2. 弗伦克尔缺陷

缺陷的产生及结团

• 缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：

  • 存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力而产生的诱生位错；

  • 晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；

  • 硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。

• 结团作用：高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量。

缺陷的去除

• 单晶生长时的工艺控制；
• 非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；
• 本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中沉淀氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。

Si中杂质类型

• 间隙式杂质 主要是ⅠA和ⅧA族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。
• 替位式杂质 主要是ⅢA和VA族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。
• 间隙—替位式杂质 大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。

相图