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1、word一、微电子材料概述1、摩尔定律：集成度每3年乘以4，加工工艺的特征线宽每6年下降一半。摩尔定律中提到的减少本钱是集成电路最大的吸引力之一，并且随着技术开展，集成化程度越高，低本钱的优点更为明显。2、3、2010年10月5日，瑞典皇家科学院将2010年的诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位教授 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，以表彰他们对石墨烯的研究。石墨烯是至今发现的厚度最薄和的强度最高的材料。4、目前全球最主要的晶圆代工厂包括TSMC、三星、台联电、GlobalFoundries、IBM、SMIC、华虹宏力等 。 5、特征尺寸继续缩小所面临的挑
2、战包括：1、微细加工光刻技术；2、互连技术铜互连；3、新型器件结构&材料体系高、低K介质、金属栅电极、 SOI材料等。6、在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。7、在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。二、硅和锗的化学制备1、根据物质的导电性,物质可以分为金属、半导体与绝缘体，人们发现，电子在最高能带的占有率决定此物质的导电性。2、根据材料的重要性和开发成功的先后顺序,半导体材料可以分为三代： 第一代半导体材料-硅(Si)； 第二代半导体材料-砷化镓(GaAs)； 第三代半
3、导体材料-氮化镓(GaN)。3、物理性质硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，因此硅可制作高压器件且工作温度比锗高。但是锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件4、硅的主要来源是石英砂，另外，在许多的矿物中含有大量的硅酸盐，也是硅的来源之一。 通常把95%-99%纯度的硅称为粗硅或工业硅。5、制备高纯硅主要采用两种方法：三氯氢硅氢复原法和硅烷法，两种方法各有利弊。其中三氯硅烷法SiHCl3)F 产量大、质量高、本钱低，是目前国内外制取高纯硅的主要方法。F 利用了制碱工业中的副产物氯气和氢气，本钱低，效率高F 三氯硅烷遇水会放出腐蚀性的氯化氢气体，腐蚀设备，造成Fe、Ni等重金属污染三
4、氯硅烷而硅烷法SiH4)F 有效去除杂质硼与其他金属杂质，无腐蚀性、不需要复原剂、分解温度低，收率高。F 消耗Mg，硅烷本身易燃、易爆三、区熔提纯1、区熔提纯是一种物理提纯方法，是为了得到半导体级纯度9到10个9的硅，为进一步晶体生长作准备。2、分凝现象偏析现象： 含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同分凝系数： 用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同3、材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固。正常凝固过程中存在分凝现象, 所以锭条中杂质分布不均匀。当分凝系数与1相差较大时(小于0.1或大于3)，杂质浓度随锭长变化较快,杂质向锭的一端集中, 正常凝固有一定的提纯作
5、用。4、区熔提纯：利用分凝现象将物料局部融化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复屡次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯的技术。5、一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进展屡次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头。经过屡次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布，影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度。6、区熔法晶体生长，可以分为水平区熔和悬浮区熔，硅单晶生长采用悬浮区熔的原因是：高温下硅很活泼,易反响； 悬浮区熔可使之不与任何材料接触； 熔硅外表X力大，而密度小的特点
6、，可使熔区悬浮。四、晶体生长1、晶体生长有三种方法：固相生长，液相生长溶液中生长，熔体中生长，气相生长2、晶体生长中的成核阶段分为，均匀成核自发成核和非均匀成核非自发成核，其中非均匀成核非自发成核是指在体系中存在外来质点(尘埃,固体颗粒,籽晶等), 在外来质点上成核，例如硅单晶生长时籽晶的参加。3、单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法、区熔法和外延法。其中直拉法、区熔法多用于生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。4、直拉法生长单晶硅和锗是指在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。其生长设备示意图如下列图。籽晶与熔
7、体外表接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。直拉法的两个主要参数：拉伸速率，晶体旋转速率。5、直拉法(CZ)的工艺过程：1.籽晶熔接: 加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶，以除去外表挥发性杂质同时可减少热冲击2.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶，又称“下种。“缩颈是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的局部。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于
8、20mm。3.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩。4.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不变。5.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五、硅、锗晶体中的杂质和缺陷1、单晶生长时，杂质分布不均匀会造成横向和纵向电阻率不均匀。可以采用变速拉晶法先用大拉速，再用小拉速控制直拉法单晶纵向电阻率的均匀性。2、为了获得径向横向电阻率均匀的单晶，必须调平固液界面。3、硅锗单晶中位错产生的原因：P籽晶体内原有
9、位错P籽晶外表损伤P由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使籽晶或单晶中位错倍增。P固液交界面过冷4、硅、锗晶体生长时杂质的掺杂分为共熔法不易挥发的杂质材料和投杂法容易挥发的杂质材料5、硅锗单晶中有害杂质包括：金属杂质、氧污染、硅中的碳。其中金属杂质会引入载流子，且能引入深能级，导致器件性能降低，甚至失效。通常采用化学腐蚀去除外表金属杂质。氧是直拉Cz硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复杂。总的说来，硅中氧既有益也有害。氧杂质可增加晶体的机械强度，防止硅片在器件工艺的热过程中发生型变如弯曲翘曲等。但是它会形成热施主，引起硅单晶电阻率变化，还会发生析出生成氧成淀。碳在硅中不引入电活性缺陷，不影响单
10、晶硅的载流子浓度。但是当碳浓度超过其固溶度时，会有微小的碳沉淀生成，影响器件的击穿电压和漏电流。六、硅的外延生长1、根据根据外延层性质，可将外延分为同质外延外延层与衬底同种材料和异质外延外延层与衬底不同材料；根据外延生长方法，可分为直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底外表上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等和间接外延是利用化学反响在衬底外表上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积chemical vapor deposition,CVD。CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长；根据相变过程，可分为气相
11、外延对于硅外延，应用最广泛、液相外延、固相外延2、外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量N基座：来自基座的杂质浓度分量N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂3、自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层4、硅外延层的缺陷分类： 1、
12、外表缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 2、内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错七、1、当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。 如：砷化镓；当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换(Eg),也需要动量转换(pC)。这类半导体称为间接带隙半导体，如硅。半导体发光时要求有电子跃迁；而一般的电子跃迁又要求动量守恒，即电子必须在 k 空间 (动量) 的同一位置跳跃，所以间接带隙半导体一般不能用作发光材料。能量/eV能量/eV2、砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料题型：一、 选择题20二、 填空题20三、 判断题20四、 简答题40 /
