半導(dǎo)體材料特性課件

半導(dǎo)體材料特性12.1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2電子能級(jí)：原子級(jí)的能量單位是電子伏特，它代表一個(gè)電子從低電勢(shì)處移動(dòng)到高出1V的的電勢(shì)處所獲得的動(dòng)能。價(jià)電子層：原子最外部的電子層就是價(jià)電子層，對(duì)原子的化學(xué)和物理性質(zhì)具有顯著的影響，只有一個(gè)價(jià)電子的原子很容易失去這個(gè)電子，有7個(gè)價(jià)電子的原子容易得到一個(gè)電子，具有親和力。圖2.2鈉和氯原子的電子殼層32.2化學(xué)鍵2.2.1離子鍵當(dāng)價(jià)電子層電子從一種原子轉(zhuǎn)移到另一種原子上時(shí)，就會(huì)形成離子鍵，不穩(wěn)定的原子容易形成離子鍵。圖2.3NaCl的離子鍵42.2.2共價(jià)鍵

不同元素的原子共有價(jià)電子形成的粒子鍵，原子通過共有電子來使價(jià)層完全填充變得穩(wěn)定。束縛電子同時(shí)受兩個(gè)原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。圖2.4HCl的共價(jià)鍵52.3材料分類-能帶理論6導(dǎo)體

導(dǎo)體在原子的最外層通常有一些束縛鬆散的價(jià)電子，容易失去，金屬典型地具有這種價(jià)電子層結(jié)構(gòu)。在一般的半導(dǎo)體製造中，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(gè)例子，逐漸被引入到矽片製造中取代鋁充當(dāng)微晶片上不同器件之間的互連材料。7絕緣體

絕緣體的價(jià)電子層不具有束縛鬆散的電子可用於導(dǎo)電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價(jià)帶電子和導(dǎo)帶電子。半導(dǎo)體製造中的絕緣體包括二氧化矽（SiO2）、氮化矽（Si3N4）和聚醯亞胺（一種塑膠材料）。半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料具有較小的禁帶寬度,其值介於絕緣體（>2eV）和導(dǎo)體之間。這個(gè)禁帶寬度允許電子在獲得能量時(shí)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。圓片製造中最重要的半導(dǎo)體材料是矽。8週期表中半導(dǎo)體相關(guān)元素週期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B(yǎng)碳C氮N3鋁Al矽Si磷P硫S4鋅Zn鎵Ga鍺Ge砷As硒Se5鎘Cd銦In銻Te2.4矽矽是一種元素半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗?個(gè)價(jià)電子，與其他元素一起位於週期表中的ⅣA族。矽中價(jià)層電子的數(shù)目使它正好位於優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)價(jià)電子）和絕緣體（8個(gè)價(jià)電子）的中間。10矽的晶體結(jié)構(gòu)109o28′地殼中各元素的含量2.4.1矽作為電子材料的優(yōu)點(diǎn)原料充分；矽晶體表面易於生長穩(wěn)定的氧化層，這對(duì)於保護(hù)矽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，線熱膨脹係數(shù)小，2.5×10-6/℃，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(qiáng)鹼、氟氣反應(yīng)；機(jī)械性能良好。132.4.2純矽純矽是指沒有雜質(zhì)或者其他物質(zhì)污染的本征矽。純矽的原子通過共價(jià)鍵共用電子結(jié)合在一起。+4+4+4+4共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)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。142.4.3摻雜矽在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)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型矽——在本征矽中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（例如磷、

氮），主要載流子為電子。P型矽——在本征矽中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（例如硼、

鎵、銦），主要載流子為空穴。

15N型矽多餘電子磷原子矽原子SiPSiSi16P型矽空穴硼原子SiSiSiB矽原子172.5可選擇的半導(dǎo)體材料2.5.1元素半導(dǎo)體——Ge、Si最初大量使用的半導(dǎo)體材料是鍺。1947年第一只電晶體用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為067V熱穩(wěn)定性差最高工作溫度只有85℃。矽具有很多優(yōu)點(diǎn)，地球上儲(chǔ)量豐富，易於提純，熱穩(wěn)定性好，在表面可生長品質(zhì)很高的二氧化矽層，工作溫度可達(dá)160℃。矽幾乎成了半導(dǎo)體的代名詞，全球矽積體電路年產(chǎn)值在2400億美元左右。182.5.2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矽材料的6倍。它們的峰值電子速度也是矽飽和速度的2倍多。禁帶寬度和臨界擊穿場強(qiáng)也比矽高，因此是製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。磷化銦器件的電子遷移率高達(dá)10000cm2/V﹒s，比砷化鎵還高，所以其高頻性能更好，工作頻率更高，且有更低的雜訊和更高的增益。目前在100GHz左右的3mm波段多數(shù)都用磷化銦器件。192.5.3寬頻隙半導(dǎo)體——SiC、GaN碳化矽原子束縛能力非常強(qiáng)，禁帶寬度很寬，機(jī)械硬度也很高，在20世紀(jì)80年代人們逐步掌握了碳化矽晶體的生長技術(shù)後，90年代用於藍(lán)光發(fā)光材料，同時(shí)以碳化矽材料為基礎(chǔ)的電力電子器件和微波功率器件也相繼問世。實(shí)驗(yàn)表明，氮化鎵具有更好的發(fā)光性能，因此藍(lán)光發(fā)光領(lǐng)域內(nèi)碳化矽已被氮化鎵代替，目前氮化鎵是藍(lán)光和白光發(fā)光器件的主流材料。同時(shí)，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比砷化鎵和矽高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。202.5.4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素人工合成混晶半導(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。金剛石具有最大的禁帶寬度、最高的擊穿場強(qiáng)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（0.36eV）等，也被人們廣泛研究。石墨烯與碳納米管等半導(dǎo)體材料。21幾種常見半導(dǎo)體材料的主要特性參數(shù)22更多半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體23第三章

矽片（晶圓）製造流程2425晶圓製備的四個(gè)步驟A：礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變（石英砂冶煉制粗矽）

B：氣體到多晶的轉(zhuǎn)變C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變（拉單晶、晶體生長）

D：晶棒到晶圓的製備

晶片製造的第一階段：材料準(zhǔn)備晶片製造的第二階段：晶體生長和晶圓製備26晶圓製備（1）獲取多晶①冶煉SiO2+C→Si+CO↑得到的是冶金級(jí)矽，主要雜質(zhì)：Fe、Al、C、B、P、Cu要進(jìn)一步提純。②酸洗矽不溶於酸，所以粗矽的初步提純是用HCl、H2SO4、王水，HF等混酸泡洗至Si含量99.7%以上。27晶圓製備（1）獲取多晶③精餾提純將酸洗過的矽轉(zhuǎn)化為SiHCl3或SiCl4，Si+3HCl（g）→SiHCl3↑+H2↑Si+2Cl2→SiCl4↑好處：常溫下SiHCl3

與SiCl4都是氣態(tài)，SiHCl3的沸點(diǎn)僅為31℃精餾獲得高純的SiHCl3或SiCl428晶圓製備（1）獲取多晶④還原

多用H2來還原SiHCl3或SiCl4得到半導(dǎo)體純度的多晶矽：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氫氣易於淨(jìng)化，且在Si中溶解度極低29晶圓製備（2）單晶生長定義:把多晶塊轉(zhuǎn)變成一個(gè)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。按製備時(shí)有無使用坩堝分為兩類：有坩堝的：直拉法、磁控直拉法液體掩蓋直拉法；無坩堝的：懸浮區(qū)熔法。30晶圓製備（2）晶體生長①直拉法—Czochralski法（CZ法）方法在坩堝中放入多晶矽，加熱使之熔融，用一個(gè)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(shí)，一端插入熔體直到熔化，然後再緩慢向上提拉，這時(shí)在液-固介面經(jīng)過逐漸冷凝就形成了單晶。起源1918年由Czochralski從熔融金屬中拉制細(xì)燈絲，50年代開發(fā)出與此類似的直拉法生長單晶矽，這是生長單晶矽的主流技術(shù)。31①直拉法-Czochralski法（CZ法）晶圓製備（2）晶體生長32（2）晶體生長①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(jī)械傳動(dòng)裝置

；加熱控溫系統(tǒng)，有光學(xué)高溫計(jì)、加熱器、隔熱裝置等；真空部分，有機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、測(cè)真空計(jì)等。

晶圓製備（2）晶體生長33①直拉法（CZ法）單晶爐晶圓製備（2）晶體生長34①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→開爐晶圓製備（2）晶體生長35①直拉法（CZ法）CZ法工藝流程——生長部分的步驟引晶

將籽晶與熔體很好的接觸?？s晶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。放肩將晶體直徑放大至需要的尺寸。等徑生長拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)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。收尾結(jié)束單晶生長。晶圓製備（2）晶體生長36晶圓製備（2）晶體生長①直拉法（CZ法）Si棒頭部放大37晶圓製備（2）晶體生長②液體掩蓋直拉法（LEC法）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(jìn)。液體掩蓋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晶圓製備（2）晶體生長③區(qū)熔法直拉法的一個(gè)缺點(diǎn)：坩堝中的氧進(jìn)入晶體。對(duì)於有些器件，高水準(zhǔn)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)，多晶矽連續(xù)通過熔區(qū)熔融，在熔區(qū)與單晶接觸的介面處生長單晶。熔區(qū)的存在是由於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，純度更高的單晶矽棒。39晶圓製備（2）晶體生長③區(qū)熔法40晶圓製備（2）晶體生長④直拉法和區(qū)熔法的比較41晶圓製備（2）晶體生長⑤矽棒舉例（北京有色金屬總院）12英寸，等徑長400mm，晶體重81Kg。42晶圓製備（2）晶體生長⑥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)分佈

43晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜雜質(zhì)類型的選擇A：摻雜元素的選擇硼、磷P-型摻雜、N型摻雜44晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜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)。B：摻雜方式45晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜將雜質(zhì)元素先製成矽的合金（如矽銻合金，矽硼合金），再按所需的計(jì)量摻入合金。這種方法適於製備一般濃度的摻雜。B2：母合金摻雜B1：直接摻雜在晶體生長時(shí)，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46晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜矽有三種同位素：28Si92.2%,29Si4.7%,30Si3.0%，其中30Si有中子嬗變現(xiàn)象：

30Si31Si+α31Si31P+β31P是穩(wěn)定的施主雜質(zhì)，對(duì)單晶棒進(jìn)行中子輻照，就能獲得均勻的n型矽。B2：中子輻照（NTD）摻雜47晶圓製備（3）矽片製備晶體準(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(jī)械拋光（CMP）→背處理→雙面拋光→邊緣倒角→拋光→檢驗(yàn)→氧化或外延工藝→打包封裝矽片製備工藝流程（從晶棒到空白矽片）：48晶圓製備（3）矽片製備直徑滾磨晶體定向是