1、第二章半導(dǎo)體材料特性1提綱2.1 原子結(jié)構(gòu)2.2 化學(xué)鍵2.3 材料分類2.4 硅2.5 可選擇的半導(dǎo)體材料2.6 新型半導(dǎo)體電子與光電材料22.1原子結(jié)構(gòu)原子由三種不同的粒子構(gòu)成：中性中子和帶正電的質(zhì)子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的帶負(fù)電核的電子，質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相等呈現(xiàn)中性。圖2.1 碳原子的基本模型3電子能級：原子級的能量單位是電子伏特，它代表一個電子從低電勢處移動到高出1V的的電勢處所獲得的動能。價電子層：原子最外部的電子層就是價電子層，對原子的化學(xué)和物理性質(zhì)具有顯著的影響，只有一個價電子的原子很容易失去這個電子，有7個價電子的原子容易得到一個電子，具有親和力。圖2.2 鈉和氯原子的電

2、子殼層42.2化學(xué)鍵2.2.1 離子鍵當(dāng)價電子層電子從一種原子轉(zhuǎn)移到另一種原子上時，就會形成離子鍵，不穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。圖2.3 NaCl的離子鍵52.2.2 共價鍵不同元素的原子共有價電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量， 不易脫離軌道。62.3材料分類-能帶理論7導(dǎo)體導(dǎo)體在原子的最外層通常有一些束縛松散的價電子，容易失去，金屬典型地具有這種價電子層結(jié)構(gòu)。在一般的半導(dǎo)體制造中，鋁是最普遍的導(dǎo)體材料，可以用來充當(dāng)器件之間的互連線，而鎢可作為金屬層之間的互連材料。銅是優(yōu)質(zhì)金屬導(dǎo)體的一個例子，逐漸被引入到硅片制造中取代

3、鋁充當(dāng)微芯片上不同器件之間的互連材料。8絕緣體絕緣體的價電子層不具有束縛松散的電子可用于導(dǎo)電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價帶電子和導(dǎo)帶電子。半導(dǎo)體制造中的絕緣體包括二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4） 和聚酰亞胺（一種塑料材料）。半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料具有較小的禁帶寬度,其值介于絕緣體（2eV）和導(dǎo)體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導(dǎo)帶。圓片制造中最重要的半導(dǎo)體材料是硅。9周期表中半導(dǎo)體相關(guān)元素周期2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al硅Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te2.4硅硅是一種元素半導(dǎo)體材料，因為它有4個價電子，與其他元素一起位于周期表中的A 族。硅中

4、價層電子的數(shù)目使它正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個價電子）和絕緣體（8個價電子）的中間。11硅的晶體結(jié)構(gòu)10928 地殼中各元素的含量2.4.1硅作為電子材料的優(yōu)點原料充分；硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保護硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.510-6/ ， 熱導(dǎo)率高，1.50W/cm；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好； 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下只有強堿、氟氣反應(yīng)； 機械性能良好。142.4.2純硅純硅是指沒有雜質(zhì)或者其他物質(zhì)污染的本征硅。純硅的原子通過共價鍵共享電子結(jié)合在一起。+4+4+4+4共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共

5、價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。 15共價鍵有很強的結(jié)合力， 使原子規(guī)則排列，形成晶體。2.4.3摻雜硅在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。載流子：電子，空穴。N型硅在本征硅中摻入五價雜質(zhì)元素（例如磷、氮），主要載流子為電子。P型硅在本征硅中摻入三價雜質(zhì)元素（例如硼、鎵、銦），主要載流子為空穴。16N型硅硅原子多余電子SiSi磷原子PSi17P型硅硅原子空穴SiSiSiB硼原子182.5可選擇的半導(dǎo)體材料2.5.1 元素半導(dǎo)

6、體Ge、Si最初大量使用的半導(dǎo)體材料是鍺。1947年第一只晶體管用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為0 67 V 熱穩(wěn)定性差最高工作溫度只有85。硅具有很多優(yōu)點，地球上儲量豐富，易于提純， 熱穩(wěn)定性好，在表面可生長質(zhì)量很高的二氧化硅層，工作溫度可達160。硅幾乎成了半導(dǎo)體的代名詞，全球硅集成電路年產(chǎn)值在2400億美元左右。192.5.2化合物半導(dǎo)體GaAs、InP砷化鎵等材料的電子遷移率差不多是硅材料的6 倍。它們的峰值電子速度也是硅飽和速度的2倍多。禁帶寬度和臨界擊穿場強也比硅高，因此是制造高頻電子器件的理想材料。目前砷化鎵是化合物半導(dǎo)體的主流材料，全球砷化鎵高頻電子器件和電路的年產(chǎn)值24億美元。

7、磷化銦器件的電子遷移率高達10000 cm2/Vs， 比砷化鎵還高，所以其高頻性能更好，工作頻率更高，且有更低的噪聲和更高的增益。目前在100 GHz左右的3mm波段多數(shù)都用磷化銦器件。202.5.3寬帶隙半導(dǎo)體SiC、GaN碳化硅原子束縛能力非常強，禁帶寬度很寬，機械硬度也很高，在20世紀(jì)80年代人們逐步掌握了碳化硅晶體的生長技術(shù)后，90年代用于藍光發(fā)光材料，同時以碳化硅材料為基礎(chǔ)的電力電子器件和微波功率器件也相繼問世。實驗表明，氮化鎵具有更好的發(fā)光性能，因此藍光發(fā)光領(lǐng)域內(nèi)碳化硅已被氮化鎵代替，目前氮化鎵是藍光和白光發(fā)光器件的主流材料。同時，人們還發(fā)現(xiàn)在微波功率放大領(lǐng)域，氮化鎵的輸出微波功率

8、比砷化鎵和硅高出一個數(shù)量級以上。212.5.4半導(dǎo)體材料的新探索隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，新材料層出不窮。人們可以用三種或四種元工合成混晶半導(dǎo)體薄層單晶材料，調(diào)節(jié)這些元素的比例就可以得到所想要的不同禁帶寬度和不同晶格常數(shù)，稱此為能帶工程。石具有最大的禁帶寬度、最高的擊穿場強和最大的熱導(dǎo)率，被稱為最終的半導(dǎo)體。此外，極窄帶隙半導(dǎo)體材料，如InAs（0.36被人們廣泛研究。石墨烯與碳納米管等半導(dǎo)體材料。eV）等，也22幾種常見半導(dǎo)體材料的主要特性參數(shù)23更多半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體24第三章硅片（晶圓）制造流程25晶圓制備的四個步驟u 芯片制造的第一階段：材料準(zhǔn)備A：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變（石

9、英砂冶煉制粗硅）B：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變u 芯片制造的第二階段：晶體生長和晶圓制備C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變（拉單晶、晶體生長）D：晶棒到晶圓的制備26晶圓制備（1）獲取多晶冶煉SiO2 + C Si + CO得到的是冶金級硅，主要雜質(zhì)：Fe、Al、C、B、P、Cu要進一步提純。酸洗硅不溶于酸，所以粗硅的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。27晶圓制備（1）獲取多晶精餾提純將酸洗過的硅轉(zhuǎn)化為SiHCl3或 SiCl4，Si+ 3HCl （g） SiHCl3 + H2 Si+ 2Cl2SiCl4 好處：常溫下SiHCl3 31與SiCl4 都是氣態(tài)，Si

10、HCl3 的沸點僅為精餾獲得高純的SiHCl3或SiCl428晶圓制備（1）獲取多晶還原多用H2來還原SiHCl3或SiCl4得到半導(dǎo)體純度的多晶硅：SiCl4 + 2H2 SiHCl3 + H2原因：Si+ 4HClSi+ 3HCl氫氣易于凈化，且在Si中溶解度極低29晶圓制備（2）單晶生長定義:把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N 型或P型摻雜，叫做晶體生長。按制備時有無使用坩堝分為兩類：n 有坩堝的：直拉法、磁控直拉法液體掩蓋直拉法；n 無坩堝的：懸浮區(qū)熔法 。30晶圓制備（2）晶體生長直拉法Czochralski法（CZ法）起源主流技術(shù)。方法在坩堝中放入多晶硅，加熱使之熔

11、融，用一個夾頭夾住一 塊適當(dāng)晶向的籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插 入熔體直到熔化，然后再緩慢向上提拉，這時在液-固界面 經(jīng)過逐漸冷凝就形成了單晶。31晶圓制備（2）晶體生長直拉法-Czochralski法（CZ法）32晶圓制備（2）晶體生長（2）晶體生長直拉法（CZ法）三部分組成：爐體部分，有坩堝、水冷裝置和拉桿等機械傳動裝置 ；加熱控溫系統(tǒng)，有光學(xué)高溫計、加熱器、隔熱裝置等；真空部分，有機械泵、擴散泵、測真空計等。33晶圓制備（2）晶體生長直拉法（CZ法）單晶爐34晶圓制備（2）晶體生長直拉法-Czochralski法（CZ法）CZ法工藝流程準(zhǔn)備腐蝕清洗多晶籽晶準(zhǔn)備裝爐真空操作開爐升

12、溫水冷通氣生長引晶縮晶放肩等徑生長收尾停爐降溫停氣停止抽真空開爐35晶圓制備（2）晶體生長直拉法（CZ法）CZ法工藝流程生長部分的步驟u 引晶u 縮晶將籽晶與熔體很好的接觸。在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細(xì)部分直徑只有2-3mm，獲得完好單晶。將晶體直徑放大至需要的尺寸。拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動拉制出等徑單晶。直徑大小由拉升速度、轉(zhuǎn)速，以及溫度控制。結(jié)束單晶生長。u 放肩u 等徑生長u 收尾36晶圓制備（2）晶體生長直拉法（CZ法）Si棒頭部放大37。晶圓制備（2）晶體生長EC法）液體掩蓋直拉液體掩蓋直拉法用來生長砷化鎵晶體本質(zhì)上它和標(biāo)準(zhǔn)的直拉法（CZ）一樣，為砷化鎵做了一定改進。液體掩蓋

13、直拉法使用一層氧化硼（B2O3）漂浮在熔融物上面來抑制砷的揮發(fā)。38晶圓制備（2）晶體生長區(qū)熔法直拉法的一個缺點：坩堝中的氧進入晶體。對于有些器件，高水平的氧是不能接受的。懸浮區(qū)熔法是一種無坩堝的晶體生長方法，多晶與單晶均由夾具夾著，由高頻加熱器產(chǎn)生一懸浮的溶區(qū)，多晶硅連續(xù)通過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的界面處生長單晶。熔區(qū)的存在是由于融體表面張力的緣故，懸浮區(qū)熔法沒有坩堝的污染，因此能生長出無氧的，純度更高的單晶硅棒。39晶圓制備（2）晶體生長區(qū)熔法40晶圓制備（2）晶體生長直拉法和區(qū)熔法的比較41晶圓制備（2）晶體生長硅棒舉例（北京有色金屬總院）12 英寸， 等徑長400mm ， 晶體重8

14、1Kg。42晶圓制備（2）晶體生長摻雜直拉法摻雜是直接在坩堝內(nèi)加入含雜質(zhì)元素的物質(zhì)。摻雜元素的選擇摻雜方式雜質(zhì)分布43晶圓制備（2）晶體生長摻雜A：摻雜元素的選擇雜質(zhì)類型的選擇硼、磷P-型摻雜、N型摻雜44晶圓制備（2）晶體生長摻雜B：摻雜方式液相摻雜直接摻元素母合金摻雜氣相摻雜中子輻照（NTD）摻雜中子嬗變摻雜技術(shù)。45晶圓制備（2）晶體生長摻雜B1：直接摻雜在晶體生長時，將一定量的雜質(zhì)原子加入熔融液中，以獲得所需的摻雜濃度B2：母合金摻雜將雜質(zhì)元素先制成硅的合金（如硅銻合金，硅硼合金）， 再按所需的計量摻入合金。這種方法適于制備一般濃度的摻雜。46晶圓制備（2）晶體生長摻雜B2：中子輻照（NTD）摻雜硅有三種同位素：28Si92.2%,29Si4.7%,30Si3.0%，其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象：30Si31Si31Si+31P+31P是穩(wěn)定的施主雜質(zhì)，對單晶棒進行中子輻照，就能獲得均勻的n型硅。47晶圓制備（3）硅片制備硅片制備工藝流程（從晶棒到空白硅片）：晶體準(zhǔn)備（直徑滾磨、晶體定向、導(dǎo)電類型檢查 和電阻率檢查）切片 研磨化學(xué)機械拋光（CMP） 背處理雙面拋光 邊緣倒角 拋光檢驗氧化或外延工藝打包封裝48晶圓制備（3）硅片制備直徑滾磨晶體定向是由x射線衍射或平行光衍射儀來確定的49光源晶體的定向確定之前之后晶圓制