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1、1.6 基本半导体材料 董西英本征半导体：没有掺杂的半导体；没有掺杂的半导体；本征载流子：本征半导体中的载流子，完全本征载流子：本征半导体中的载流子，完全依靠电子依靠电子-空穴对的产生；空穴对的产生；载流子浓度：单位体积（通常指每立方厘米）载流子浓度：单位体积（通常指每立方厘米）载流子的数量载流子的数量分电子浓度分电子浓度n和空穴浓度和空穴浓度p。载流子浓度：载流子浓度：本征载流子浓度：本征载流子浓度： n=p=ni 且且 np=ni21.6.1硅硅最常见的半导体材料最常见的半导体材料1 锗、硅对比锗、硅对比20世纪世纪50年代初期以前，锗是半导体工业应用年代初期以前，锗是半导体工业应用的最普
2、遍材料之一。的最普遍材料之一。锗材料缺点：锗材料缺点： （1） Eg小小高温时漏电大高温时漏电大工作温度低工作温度低（仅能达到（仅能达到90） （2） 二氧化锗为水溶性，且会在二氧化锗为水溶性，且会在800左右左右的温度自然分解，无的温度自然分解，无 法在锗表面形成一稳定法在锗表面形成一稳定的对掺杂杂质呈钝化性的氧化层。的对掺杂杂质呈钝化性的氧化层。硅材料优点：硅材料优点：硅的硅的Eg较大，硅器件的工作温度较大，硅器件的工作温度可以高达可以高达200。硅片表面可以生长稳定、做杂。硅片表面可以生长稳定、做杂质阻挡层质阻挡层SiO2层。层。2 硅被广泛采用的主要原因硅的丰裕度：占到地壳成分的硅的丰
3、裕度：占到地壳成分的25%（第二丰（第二丰富的元素）。能够提纯足够高的纯度，而消富的元素）。能够提纯足够高的纯度，而消耗更低的成本。耗更低的成本。宽的工艺容限：宽的工艺容限： 硅熔点硅熔点1412锗熔点锗熔点937，硅器件工作温度范围大、工作稳定性，硅器件工作温度范围大、工作稳定性强强能生长高质量、稳定的能生长高质量、稳定的SiO2薄层：薄层： SiO2性性能优良，允许高温工艺而不会产生过度的硅能优良，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲。片翘曲。3. 电阻率和迁移率1、电阻率、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的电导率定义：衡量材料材料传导电流的能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率
4、互为能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为倒数。倒数。r r - 电阻率电阻率(W Wcm)；s s - 电导率电导率(S, W W-1cm-1);欧姆定律：欧姆定律：半导体的电阻率微分形式：由微分形式：由 或者或者半导体的电导率：半导体的电导率：= =n n*n+ *n+ p p*p *p n n 电子迁移率。电子迁移率。 p p 空穴迁移率。空穴迁移率。半导体的电导率与掺杂浓度成正比半导体的电导率与掺杂浓度成正比Wcm4、本征硅半导体的结构1）形成的晶体结构：）形成的晶体结构： 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构；构；硅硅(原原子子序序数数14)的的物物理理化化学学性
5、性质质主主要要由由最最外外层层四四个个电电子子（称称为为价价电电子子）决决定定。每每个个硅硅原原子子近近邻邻有有四四个个硅硅原原子子，每每两两个个相相邻邻原原子子之之间间有有一一对对电电子子，它它们们与与两两个个原原子核都有吸引作用，称为共价键。子核都有吸引作用，称为共价键。金刚石结构金刚石结构硅的共价键结构硅的共价键结构5、半导体特性半导体在受到光照加热加压等时，半导体的导电性会改变叫敏光敏热敏压特性半导体中掺入杂质，它的导电性会大大改变同时，导电性和掺入杂质浓度紧密相关叫敏杂特性半导体掺杂掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提 供导电的电子而本
6、身成为带正电的离子。这种杂供导电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂质称为质称为施主杂质施主杂质。如。如 在在Si中中掺入掺入V族族的的P 和和As。施主(Donor)掺杂当半导体中掺入施主杂质，并主要靠施主提供的电子导电，这种靠电子导电的半导体称为N型半导体。半导体掺杂受主受主(Acceptor)掺杂掺杂掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为受受主杂质主杂质。如在。如在 Si中中掺入掺入III族族的的硼硼(B)元素。元素。当半导体中掺有受主杂质时，主要
7、靠受主提供的空穴当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做导电，这种依靠空穴导电的半导体叫做P型半导体。型半导体。半导体掺杂当一块半导体中同时含有施主和受主杂质时，受主当一块半导体中同时含有施主和受主杂质时，受主和施主在导电性上会相互抵销，这种现象叫做杂质和施主在导电性上会相互抵销，这种现象叫做杂质的的“补偿补偿” 。 在有补偿的情况下，决定导电能力的在有补偿的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差。是施主和受主浓度之差。当施主数量超过受主时，半导体就是当施主数量超过受主时，半导体就是N型的；反之，型的；反之，受主数量超过施主，则是受主数量超过施主，则
8、是P型的。型的。杂质补偿单位体积（通常指每立方厘米）杂质的数量称为杂质浓度；单位体积（通常指每立方厘米）杂质的数量称为杂质浓度； 第第9章章 9.5.2 掺杂浓度的测量 掺杂浓度不能直接测量，一般都是间接测量。掺杂浓度不能直接测量，一般都是间接测量。测量浓度的方法有四探针方块电阻测试法、测量浓度的方法有四探针方块电阻测试法、扩展电阻测试仪扩展电阻测试仪(已在上面讲过已在上面讲过)、热波测试、热波测试、C-V测试、二次离子质谱仪等。常用的在线测测试、二次离子质谱仪等。常用的在线测试方法是四探针法和热波系统，四探针法应试方法是四探针法和热波系统，四探针法应用于高掺杂，热波系统用于低剂量注入测量用于
9、高掺杂，热波系统用于低剂量注入测量 方块电阻方块电阻Rs方块电阻是硅片上表面正方形薄层之间的电阻。方块电阻是硅片上表面正方形薄层之间的电阻。 方块电阻和上表面尺寸无关，相同厚度不同电阻率的薄方块电阻和上表面尺寸无关，相同厚度不同电阻率的薄层，电阻率大的方块电阻也大。而半导体的电阻率和掺层，电阻率大的方块电阻也大。而半导体的电阻率和掺杂浓度有一定的数学关系，常温下，掺杂浓度越高，电杂浓度有一定的数学关系，常温下，掺杂浓度越高，电阻率越小，测量的方块电阻也就越小，阻率越小，测量的方块电阻也就越小， 1.6.2半导体级硅半导体集成电路是在达到一定要求的单晶硅片（晶圆）上经过很多道工序制成的。晶圆制备
10、:把天然硅石制成纯硅再把纯硅制成带有想要的晶向适量的掺杂浓度(指定杂质)所需的硅片尺寸1 硅片制备流程:天然硅纯硅(半导体级硅SGS、多晶硅、西门子工艺) 单晶硅锭 硅片 2 半导体硅制备半导体级硅制造过程(西门子工艺)加热含碳硅石加热含碳硅石冶金级硅冶金级硅(纯度纯度98%)冶金级硅冶金级硅+HCI气体气体含硅的三氯硅烷气体含硅的三氯硅烷气体含硅的三氯硅烷气体含硅的三氯硅烷气体+H2气气半导体级硅半导体级硅（纯度达纯度达99.9999999%，是地球上最纯的，是地球上最纯的物质之一，多晶）。物质之一，多晶）。多晶到掺杂单晶棒多晶到掺杂单晶棒晶棒到单晶圆片晶棒到单晶圆片3多晶和单晶多晶:在本征
11、半导体中，晶胞间不是规则的排列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似，每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具有多晶结构。 。 单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾，晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的晶元是至关重要的晶向晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路而晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。砷化镓晶体只能沿晶面切割。 1.6.3单晶硅生长单晶硅生长：把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅；单晶硅生长法常用的有CZ法、和区熔法一、CZ法（切克劳斯基法Czchralski）：把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被
12、掺杂成N型或P型的固体单晶硅锭。生长的硅单晶是籽晶的复制品，所以要精确控制熔化了的硅和籽晶接触面的条件晶片晶片: 只含有极少只含有极少“缺陷缺陷”的单晶硅体。的单晶硅体。“切克劳斯基法”生长单晶硅“切克劳斯基法切克劳斯基法”:将一块将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中，然后在旋转籽晶融硅中，然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔融的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果，就形成硅中拉起。结果，就形成圆柱形的大单晶棒。圆柱形的大单晶棒。籽晶：是具有和所需晶体籽晶：是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，籽晶相同晶向的小晶体，籽晶可由化学气相的技术制造可由化学气相的技术制造。CZ拉单晶炉拉单
13、晶炉 单晶硅生长拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需要花费三天时间生长。掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获得期望的电阻率 杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性，要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚金属沾污，但要适量。直拉单晶硅Cz法：大直径，长的单晶棒Silicon Ingots (400mm)大单晶棒能切成薄的圆片（wafer） 在大多数CMOS技术中，圆片的电阻率为0.05到0.1cm，厚度约为500到1000微米。chip二、区熔法把掺杂好的多晶硅棒铸在
14、把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里，固定籽晶的一个模型里，固定籽晶的一端然后放进生长炉中，一端然后放进生长炉中，用射频线圈加热籽晶与硅用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域棒的接触区域区熔法晶体生长不能够象直拉法那样生长大区熔法晶体生长不能够象直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需用石英坩埚，可以生长出低氧含量的但不需用石英坩埚，可以生长出低氧含量的高纯晶体高纯晶体三 、追求更大直径硅锭的原因有更大的表面积来做芯片，即每个硅片上有更多的芯片，生产效率提高，每块芯片的成本降低；硅片边沿的芯片数少了，生产成品率提高，成本降低；设备重复利用率提高
15、，成本降低。硅片直径变大的好处四、晶体缺陷和晶圆质量晶体缺陷：重复排列的晶体结构中出现的任何中断。对半导体的电学特性有破坏作用。缺陷密度：硅片上，缺陷数/cm2成品率：一个硅片上，好芯片数/总芯片数。硅中主要存在三种普遍的缺陷形式：点缺陷：空位、间隙原子、替位杂质、间隙杂质。产生原因：生长速度、晶体熔体界面间的温度梯度。位错：晶胞错位。加工过程的机械应力所致。层错；沿一个或更多的平面的滑移五、单晶硅锭加工处理成硅片 整形 1、去掉两端、去掉两端2、直径滚、直径滚mo（径向研（径向研磨磨 ） 3、晶体定向：晶向、导、晶体定向：晶向、导电类型电类型硅片定位边或定位槽硅片定位边或定位槽 传统上用定位
16、边来表明传统上用定位边来表明导电（掺杂）类型和晶向，导电（掺杂）类型和晶向，在美国在美国200mm及以上硅及以上硅片的定位边已被定位槽所片的定位边已被定位槽所代替。代替。补充知识硅单晶体定向：粗略的可根据晶体生长的各向异性定向、根据晶体解理的各向异性定向、根据晶体腐蚀的各向异性定向；较精确的可进行光图定向；更精确的可进行x光衍射定向。 4、滚磨定向 切片利用了刀片上的金刚砂刀利用了刀片上的金刚砂刀刃对硅单晶棒进行脆性磨刃对硅单晶棒进行脆性磨削，由于切割刀片的高速削，由于切割刀片的高速旋转和缓慢进刀，而使硅旋转和缓慢进刀，而使硅单晶棒变成了一片一片的单晶棒变成了一片一片的硅单晶片硅单晶片 一种是
17、多用于硅单晶片的一种是多用于硅单晶片的切割的内圆切割机，另一切割的内圆切割机，另一种是用于定位面切割的外种是用于定位面切割的外圆切割机圆切割机 ，还有一种线，还有一种线锯。锯。定向切割是在一定生长晶向的硅单晶棒上切出所需晶面的硅单晶片；而定位面的制造是为了适应器件生产中的定向划片，指出定向划片可以获得大量完整的管芯，定位面为定向划片提供了划片的参考平面。 晶圆刻号磨片和倒角磨片和倒角作用：去除切片造成的作用：去除切片造成的刀痕、调节硅单晶片的刀痕、调节硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的平行度和改善硅单晶片平行度和改善硅单晶片的平整度的平整度 。刻蚀、抛光（化学机械平坦化）刻蚀：
18、用化学刻蚀的方法，腐蚀掉硅片表面约20微米的表层，消除硅片表面的损伤抛光：机械研磨、化学作用使表面平坦 磨料 磨头、抛光垫 多头抛光 CMP设备刻蚀 抛光 清洗去除磨片造成的与磨料粒度相当的损伤层，以获得高洁净的、无损伤的、平整光滑的硅单晶片的镜面表面 清洗：使硅片表面达到几乎没有颗粒和沾污的程度CMPCMP示意图示意图 硅片 磨头转盘磨料磨料喷头抛光垫向下施加力返回 检查、包装按照客户要求规范来检查是否达到质量标准包装：硅片装在片架上，放入充满氮气的密封小盒内以免在运输过程中被氧化或沾污质量测量物理尺寸：直径厚度晶向位置定位边硅片变形平整度：通过硅片的直线上的厚度变化微粗糙度：实际表面同规定
19、平面的小数值范围反映硅片表面最高点和最低点的高度差粗糙度用均方根表示氧含量: 少量且均匀很重要通过横断面来检测晶体缺陷：cm2颗粒0.13个cm2体电阻率:与掺杂浓度紧密相关要求电阻率均匀因沿半径方向存在温度梯度，从圆心向外逐渐减小，所以沿径向掺杂浓度不同用四探针测量硅片标准（逐年改进）平整度1.6.4 其他半导体材料. 一一 、 III-V族化合物半导体：族化合物半导体： 1980年以后年以后如如GaAs(砷化镓砷化镓)，InSb(锑化铟锑化铟)，GaP(磷磷化镓化镓)，InP(磷化铟磷化铟)等，广泛用于光电器件、等，广泛用于光电器件、半导体激光器和微波器件。半导体激光器和微波器件。变种变种
20、-氮化镓（氮化镓（GaN） ：制作蓝色半导体：制作蓝色半导体激光器和发光二极管激光器和发光二极管二 锗化硅高速器件和集成电路的结构特色是：用超高真空/CVD淀积锗层，再在上面形成晶体管，异质结构，有好几层，特定的掺杂等级。三 II-VI族化合物半导体碲化镉（碲化镉（CdTe）和硒化鋅（）和硒化鋅（ZnSe）占主要）占主要碲化镉：用于红外探测系统，碲化镉：用于红外探测系统，硒化鋅：用于制造蓝色发光二极管硒化鋅：用于制造蓝色发光二极管最常用DE 砷化镓）优点：具有比硅更高的迁移率；减小寄生电容优点：具有比硅更高的迁移率；减小寄生电容和信号损耗的特性；所以制成的比硅制成的和信号损耗的特性；所以制成的
21、比硅制成的速度更快速度更快砷化镓材料具有更大的电阻率，做时易实现隔砷化镓材料具有更大的电阻率，做时易实现隔离；离；砷化镓器件抗辐射性能高砷化镓器件抗辐射性能高）缺点：缺乏天然氧化物；）缺点：缺乏天然氧化物；材料质脆不易加工；这两点导致砷化镓的成本很高材料质脆不易加工；这两点导致砷化镓的成本很高相当于硅的相当于硅的10倍倍剧毒需控制剧毒需控制五 外延层 外延-通过一定方法在衬底上获得与衬底有相同晶体结构的新单晶层的过程新单晶层叫外延层外延层具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。有，五 外延层外延技术的分类：由外延材料的不同可分为：硅外延、砷化镓外延等等；由外延层与衬底材料相同否可分为：同质外延和异质外延；由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为正外延和负外延（反外延）；由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气相外延和分子束外延；由外延过程中的生长机构可分为直接外延和间接外延。小结硅的晶体结构，晶向的意义，IC制造对晶向的选择；硅片供应商的7各质量参数的意义、规范及其关键尺寸；硅晶体的主要缺陷；硅片制备的基本步骤；外延及其对硅片的重要性。作业1.9，1.12，1.13
