半導體材料導論4

1、第4章對半導體材料的技術(shù)要求材料學院徐桂英半導體材料第4章對半導體材料的技術(shù)要求u半導體材料的實際應(yīng)用是以其作出的器件來實現(xiàn)的。半導體材料的實際應(yīng)用是以其作出的器件來實現(xiàn)的。u器件對材料的要求總的說來有兩個方面器件對材料的要求總的說來有兩個方面: :n一方面是根據(jù)器件的功能來選擇能滿足其性能的材料，這包括材料的能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、遷移率、光學性質(zhì)等；n另一方面，在材料選定后，要使材料具有相應(yīng)的物理參數(shù)與化學純度，以保證器件獲得良好的功能，同時為了保證器件工藝的實施，還要求材料具有相應(yīng)的幾何尺寸。u一般都要求材料的本底純度高、晶體缺陷少、晶體的尺寸大、加工精度高等。一般都要求材料的本底純度高、晶

2、體缺陷少、晶體的尺寸大、加工精度高等。u這就涉及到材料的化學組成、晶體缺陷、幾何精度等方面的問題。這就涉及到材料的化學組成、晶體缺陷、幾何精度等方面的問題。4.1化學組成4.1.1 雜質(zhì)的種類與行為1. 電活性雜質(zhì)。n根據(jù)2.3節(jié)所述，由于雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與本體材料的價電子數(shù)不同，從而形成施主或受主。如果這些雜質(zhì)的能級是在導帶底或價帶頂附近（圖3.2）稱為淺施主或淺受主。n這些雜質(zhì)會影響材料的電阻率、遷移率等。因此要將它們的濃度盡量降低。但在半導體材料或器件的制備過程中也常常利用某種淺施主或淺受主雜質(zhì)來形成n型或p型半導體。n這些雜質(zhì)都分布在周期表中與本體材料鄰近的一族中。由于它們所形成的能

3、級與導帶或價帶靠得非常近，因此它們的解離能非常小，在室溫下就可以完全解離。n另一類電活性雜質(zhì)的電離能較大，它們的能級位置靠近禁帶的中部，這類雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)，它們常常有幾個能級，在室溫下不全部電離，但對載流子起復(fù)合中心或陷阱作用，因此這類雜質(zhì)一般對材料是有害的，它們主要是元素周期表中的IB族，如銅、金和VIII族，如鐵、鎳等。2. 電中性雜質(zhì)。電中性雜質(zhì)。大多數(shù)的中性雜質(zhì)是與本體材料或本體材料的一個組成元素處于元素周期表的同一族。這些雜大多數(shù)的中性雜質(zhì)是與本體材料或本體材料的一個組成元素處于元素周期表的同一族。這些雜質(zhì)的價電子數(shù)與本體材料中的一種元素的相同，故又稱等電子雜質(zhì)。質(zhì)的價電子數(shù)與本

4、體材料中的一種元素的相同，故又稱等電子雜質(zhì)。n這種等電子雜質(zhì)雖然不能釋放出電子與空穴，但它們電子層數(shù)與本體元素不同。例如在磷化這種等電子雜質(zhì)雖然不能釋放出電子與空穴，但它們電子層數(shù)與本體元素不同。例如在磷化鎵中的氮，它與磷的價電子數(shù)都是鎵中的氮，它與磷的價電子數(shù)都是5，但它的價電子在，但它的價電子在L層，而磷在層，而磷在L層已填滿，它們價電子就層已填滿，它們價電子就在在M 層。因此氮就更容易俘獲電子，而成為等電子陷阱。類似地，如果雜質(zhì)對空穴的引力比層。因此氮就更容易俘獲電子，而成為等電子陷阱。類似地，如果雜質(zhì)對空穴的引力比較大，就成為空穴陷阱。可以利用這些陷阱制作器件。較大，就成為空穴陷阱。可

5、以利用這些陷阱制作器件。n另外對所有類型的雜質(zhì)，包括電活性與電中性雜質(zhì)，由于它們的結(jié)合半徑與本體原子不同，另外對所有類型的雜質(zhì)，包括電活性與電中性雜質(zhì)，由于它們的結(jié)合半徑與本體原子不同，所以會改變晶體的晶格常數(shù)與力學性能。晶格常數(shù)的變化可造成高純層與摻雜層的晶格失配，所以會改變晶體的晶格常數(shù)與力學性能。晶格常數(shù)的變化可造成高純層與摻雜層的晶格失配，當然也可摻入一定數(shù)量雜質(zhì)（通常是電中性雜質(zhì)）以調(diào)整晶體的晶格常數(shù)。一些電中性雜質(zhì)也當然也可摻入一定數(shù)量雜質(zhì)（通常是電中性雜質(zhì)）以調(diào)整晶體的晶格常數(shù)。一些電中性雜質(zhì)也可以用來改善材料的力學性能?？梢杂脕砀纳撇牧系牧W性能。3. 化學配比偏離。在實際的化

6、合物半導體的晶體中，各組成元素的比例與理論的化學配比有所偏離。例如在砷化鎵中，砷原子與鎵原子不能按1:1組成。這樣，一些價電子不能相鍵合，便構(gòu)成載流子或形成點缺陷。因此在化合物的晶體制備中，要采取相應(yīng)措施以盡量減少化學配比偏離。4.1.2 本底純度從上述的情況可以看出，在材料中雜質(zhì)的行為多種多樣，而所需要的雜質(zhì)的種類很少，卻要求有準確的含量。所以可行的辦法是先把半導體材料進行提純，把其中所有的雜質(zhì)降到一定的水平，使材料獲得較高的本底純度，然后再摻入所需的雜質(zhì)。這種本底純度當然愈高愈好，但根據(jù)需要與可能至少使雜質(zhì)含量降到10-4%以下，有的則要求降到10-8%或更低。本底純度是衡量半導體材料質(zhì)量

7、的、具有先決性的重要參數(shù)。4.1.3 雜質(zhì)分布的均勻性u在晶體制備的過程中，首先根據(jù)器件設(shè)計所要求的雜質(zhì)性質(zhì)與載流子濃度來進行摻雜，摻雜量可以由計算求得。但摻入的雜質(zhì)在晶體中的分布卻是不均勻的。不均勻度可分為宏觀的與微觀的。u因為器件一般是作在晶片上，所以宏觀的縱向不均勻度，即晶體自頭部至尾部的雜質(zhì)濃度的差異，主要影響晶體的可用部分的大小；而徑向不均勻度則影響器件的質(zhì)量與成品率。u微觀不均勻度表現(xiàn)為雜質(zhì)條紋，它亦對一些器件的性能有明顯的影響。4.2 晶體缺陷u晶體內(nèi)的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區(qū)域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。u從這個意義上講，雜質(zhì)也

8、是一類缺陷，因為任何的雜質(zhì)都會使晶體的正規(guī)點陣遭到破壞，因此我們在這里也將敘述雜質(zhì)對晶體結(jié)構(gòu)方面所引入的問題。u晶體缺陷對半導體材料的使用性能影響很大，在大多數(shù)的情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制備過程中，特別是在晶體制備過程中都盡量排除缺陷或降低其密度。u但靠近器件有源區(qū)的缺陷可以吸收有源區(qū)的雜質(zhì)與缺陷，常利用這一原理來改善器件性能。u晶體缺陷的控制是材料制備技術(shù)中的一項重要課題，稱為“缺陷工程”。晶體缺陷通?？煞譃椋海?）點缺陷這主要是單個原子之間的變化，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它們構(gòu)成的復(fù)合體。（2）線缺陷呈線狀排列，例如位錯就是這類缺陷。（3）面缺陷呈面

9、狀，在另一個方向上尺寸較小，如晶界、堆垛層錯、相界等。（4）體缺陷如空洞、夾雜物、雜質(zhì)沉淀物等。（5）微缺陷幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷的聚集物、微沉積物等。缺陷如按其形成過程，可分為原生缺陷（在晶體制備過程中所引入的缺陷）和二次缺陷（在晶體加工過程，包括器件制備過程所引入的缺陷）。4.2.1 點缺陷原子尺度的晶體點陣缺陷，分為熱點缺陷和雜質(zhì)缺陷。原子尺度的晶體點陣缺陷，分為熱點缺陷和雜質(zhì)缺陷。u我們在晶體結(jié)構(gòu)中把組成晶體的原子或離子看成一個點，在絕對零度下，這些點是固定在點陣的位置上的。當溫度升到零度以上，這些點因獲得動能而振動，由于能量的非均勻分布，一些點具有較大的能量而掙脫出原來點陣

10、的位置，那么原有的位置就成為空位，脫離點陣的原子可處于點陣的間隙位置，稱為自間隙原子，也可以運動到晶體表面。這類點缺陷的形成都與溫度有關(guān)，稱為熱點缺陷。u化合物半導體中的點缺陷比較復(fù)雜。以砷化鎵為例，熱點缺陷可以是砷空位、也可以是鎵空位、也可以是砷占鎵位或鎵占砷位的反位缺陷。各類點缺陷之間可形成復(fù)合體。u化學配比的偏離，根據(jù)質(zhì)量作用定律，可以改變點缺陷的濃度，例如富砷的砷化鎵單晶會減少砷空位、增加鎵空位及砷占鎵位的反位缺陷。u雜質(zhì)點缺陷是由雜質(zhì)造成晶體點陣的變化所形成的。有的雜質(zhì)原子取代本體原子而成替位型原子，有的雜質(zhì)則進入到點陣的間隙位置而成間隙型原子。雜質(zhì)也可與空位、反位缺陷等形成復(fù)合體。

11、u點缺陷可以起到電活性中心的作用，影響材料的電學性質(zhì)。u非平衡的點缺陷也可聚集成團，構(gòu)成微缺陷。4.2.2 位錯u當一種固體材料受到外力時就會發(fā)生形變，如果外力消失后，形變也隨著消失，這種形變稱為彈性形變；u如果在外力消失后，形變不消失，則稱為范性形變。u位錯就是由范性形變造成的，它可以使晶體內(nèi)的一些質(zhì)點（原子或離子）脫離規(guī)則的周期排列而位移一段距離，位移區(qū)與非位移區(qū)交界處必有原子的錯位，這樣產(chǎn)生的線性缺陷稱為“位錯”。圖4.1 刃位錯的原理示意圖u圖4.1示出了其中的一種情況。其中FE為位錯線，因為它處于變形部分與非變形部分的交界處。箭頭所指為滑移方向。由此可見，它的滑移方向與位錯線相垂直。

12、此類位錯稱為刃位錯。u另一類位錯的滑移方向與位錯線（AD）相平行，如圖4.2所示。此類則稱為螺位錯。u第三類則為二者的混合，稱為混合位錯。不論哪一類位錯，在它的周圍都是應(yīng)力集中的區(qū)域，這是因為質(zhì)點脫離開正規(guī)的周期點陣所造成的。u這種位錯周圍的應(yīng)力可造成有位錯處與無位錯處腐蝕速度的差異，因此使用擇優(yōu)腐蝕劑對晶片進行腐蝕，在顯微鏡下可以直接觀察到位錯坑，根據(jù)坑的數(shù)量可以求出位錯密度。u位錯對許多器件的性能都有影響，大多希望位錯密度愈低愈好。u硅在技術(shù)上容易獲得無位錯單晶，這也是它能得到廣泛應(yīng)用的原因之一。 圖4.2 螺位錯原理示意圖4.2.3 微缺陷n在半導體單晶中發(fā)現(xiàn)有尺寸很小，一般是微米級到幾

13、十納米的缺陷。n其中有些是由點缺陷聚集而成的，例如自間隙原子的聚合體、空位的聚合體等；n另一類則屬微沉積物，由于一些雜質(zhì)的含量在晶體凝固后，超過了它的溶解度而被析出；n還有一些微缺陷的本性至今還未弄清楚。n微缺陷的種類不同，它們對器件的影響也不相同。在無位錯硅單晶中所發(fā)現(xiàn)的漩渦A型缺陷是自間隙原子構(gòu)成的位錯環(huán)，對集成電路和電力電子器件都是有害的。 4.3 幾何尺寸與精度對半導體單晶的直徑與截面面積一般要求愈大愈好。出發(fā)點基本上是兩個：n一個是技術(shù)性的，例如整流器或晶閘管，如果要求它們通過的電流大，那么器件的尺寸就必需大，因此所需的晶片直徑也要大；n另一類是經(jīng)濟上的，晶片愈大，一次作出的器件就多

14、，單個器件的成本也就隨之降低。對晶片尺寸精度的要求主要來自器件工藝。n這些要求有直徑公差、厚度公差、彎曲度、翹曲度、平坦度、定位面位置與尺寸等。n集成度高的集成電路對晶片的幾何精度有很嚴格的要求，而且隨著集成度的提高、器件的幾何尺寸的縮小，其中有些要求將隨之進一步提高。n對量子阱與超晶格材料則要求有原子級的精度。4.4 常用的表征參數(shù)與測量方法在半導體材料的實踐中，能反映上述要求的常用參數(shù)可分為電學的、化學的、晶體學的和幾何尺寸等幾個方面。 4.4.1 電學參數(shù)包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數(shù)載包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數(shù)載流子壽命、電阻率均勻性等。流子壽命、電

15、阻率均勻性等。電阻率為電導率的倒數(shù)電阻率為電導率的倒數(shù)，用W.cm（歐姆.厘米）作單位，它可以反映半導體材料的摻雜濃度，并在一定程度上反映材料的本底純度，在硅、鍺中常用電阻率來表達其雜質(zhì)濃度。根據(jù)（2-1）式 s = 1/r = nem, r = 1/nem (4-1）式中e 是電子的電荷，e是常數(shù)，因此電阻率反映了載流子濃度(n)與遷移率(m) 的關(guān)系。 圖4.3 硅中雜質(zhì)濃度與電阻率的關(guān)系如果知道遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系，就可以求出雜質(zhì)濃度。圖如果知道遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系，就可以求出雜質(zhì)濃度。圖4.34.3列出了硅的電阻率與電活性列出了硅的電阻率與電活性雜質(zhì)濃度的關(guān)系。雜質(zhì)濃度的關(guān)系。u測

16、量電阻率可用四探針法、兩探針法。也可以直接切成矩形樣品測其電阻，再用尺寸換算。在測量電阻率均勻性時，也可用上述方法。但在測量微觀電阻率不均勻性時，因要求其分辨率達mm級，故采用擴展電阻法及電子束感應(yīng)電流（EBIC）法等。u測量導電類型一般使用熱探針法。將一個熱探針和一個冷探針放在半導體材料上，保持一定距離，因熱端的多數(shù)載流子的擴散速度比冷端快，因此產(chǎn)生電位差，這電位差的正負取決于多數(shù)載流子帶正電荷還是帶負電荷，從此可測出材料是n型還是p型。u載流子濃度與遷移率多用來表征化合物半導體的雜質(zhì)濃度及缺陷狀態(tài)。因載流子濃度可更直接反映電活性雜質(zhì)的濃度，而遷移率則可反映有害雜質(zhì)（如過渡金屬）、晶體缺陷等

17、方面的情況。u采用霍爾測量（其原理是利用霍爾效應(yīng)）法，結(jié)合電阻率測量可得出載流子濃度和遷移率。u使用電壓-電容法、二次諧波法或紅外吸收法可測出載流子濃度。u少數(shù)載流子壽命首先取決于半導體材料的本性，當材料確定后，則可反映半導體的深能級雜質(zhì)與缺陷的情況。而且少數(shù)載流子的壽命對一些器件，特別是雙極型晶體管的性能有著重要的作用。u在雜質(zhì)半導體中，如果是n型材料，那么它的多數(shù)載流子應(yīng)是電子，少數(shù)載流子為空穴，對p型材料，其少數(shù)載流子為電子。u少數(shù)載流子從其產(chǎn)生到其被復(fù)合的平均時間稱為少數(shù)載流子壽命。測量的方法最常用的是光電導衰退法，另外還有表面光電壓法，電子束感生電流法等。4.4.2 化學純度u材料的本底純度是利用中子活化法、質(zhì)譜法、原子吸收光譜法、發(fā)射光譜、紅外吸收法、光熒光法進行分析與測量的。u材料的微區(qū)分析則使用離子探針、電子探針、分析電鏡等手段進行測定。u半導體材料的表面純度則是利用俄歇能譜、全反射X光熒光分析、氣相色譜等方法測定。 4.4.3 晶體學參數(shù)u由于晶體的各向異性，所以器件設(shè)計都要求材料的晶體學取向。確定晶向的方法有X光衍射法、光圖法等。立方晶系的晶體的常用取向為和。有時還要求有一定的