半导体硅材料基础知识1

1、半导体硅材料基础知识1 半导体硅材料基础知识讲座 培训大纲什么是半导体？导体(Conductor)导体是指很容易传导电流的物质绝缘体(Insolator )是指极不容易或根本不导电的一类物质半导体(Semiconductor)导电性能介于导体和绝缘体之间且具备半导 体的基本特性的一类材料。半导体硅材料的电性能特点硅材料的电性能有以下三个显著特点：一是它对温度的变化十分灵敏；二是微量杂质的存在对电阻率的影响十分显著； 三是半导体材料的电阻率在受光照时会改变其 数值的大小。综上所述，半导体的电阻率数值对温度、杂质和 光照三个外部条件变化有较高的敏感性。半导体材料的分类元素半导体化合物半导体 有机半

2、导体无定形半导体 迄今为止，工艺最为成熟、应用最为广泛的是前 两类半导体材料，尤其是半导体硅材料，占整个 半导体材料用量的90%以上。硅材料是世界新材 料中工艺最为成熟、使用量最大的半导体材料。它的实验室纯度可接近本征硅，即12个“九”, 即使是大工业生产也可以到7-9个“九”的纯 度。半导体硅材料的制备 冶金级硅（工业硅）的制备 冶金级硅是将比较纯净的S102矿石和木炭或石 油焦一起放入电弧炉里，在电孤加热的情况下进 行还原而制成。其反应式是:S102+2C Si+2C0普通冶金级硅的纯度大约是23个“九”。 目前市面上也有号称45个“九”纯度的冶金 级硅，那是通过多次冶金法”或称为“物理法

3、” 提纯后获得的。多晶硅的制备目前全世界多晶硅的生产方法大体有三种：一是改良的西门子法；二是硅烷法；三是粒状硅法。改良的西门子法生产半导体级多晶硅： 这是目前全球大多数多晶硅生产企业采用的方 法，知名的企业有美国的Harmlock、日本的TOKUYAMA三菱公司、德国的瓦克公司以及乌克 兰和MEM意大利的多晶硅厂。全球80%以上的 多晶硅是用此法生产的。其工艺流程是：原料硅破碎筛分（80 目）沸腾氯化制成液态的SiHCI3粗馏提纯精馏提纯氢还原棒状多晶硅破碎洁净分装。经验上，新建设一座多晶硅厂需要 30 36个月时间，而老厂扩建生产线也需要大约 1418个月时间，新建一座千吨级的多晶硅厂 大约

4、需要1012亿元人民币，也就是说每吨的 投资在100万元人民币以上。硅烷法生产多晶硅用硅烷法生产多晶硅的工厂仅有日本的小松和 美国的ASMY两家公司，其工艺流程是： 原料破碎筛分硅烷生成沉积多晶硅棒状多晶破碎、包装（3）粒状多晶硅全球用此法生产多晶硅的仅有美国休斯顿的 PASADEN工厂，它的生产流程与硅烷法生产多 晶硅的工艺大体相似，所不同的是它沉积出来的 多晶硅不是棒状，而是直径仅为4 13mm的硅 粒。单晶硅的制备根据单晶硅的使用目的不同，单晶硅的制备 工艺也不相同，主要的制备工艺有两种： 区域熔炼法（简称区熔法或FZ法，Float Zone）。 这是制备高纯度，高阻单晶的方法，区熔法既

5、可 以提纯，又可以成晶。它是利用杂质在其固体和液体中分凝系数的差 异，通过在真空下经数次乃至数十次的区域熔炼 提纯，然后成晶而制成。切克劳斯基法（简称直拉法。CZ法，Czochralski ） 这是将清洗好的多晶硅块料（块径5mn以上） 装入石英坩埚再把装好料的石英坩埚放入直拉 单晶炉内置的石墨托碗上一t抽真空一-充氩气一- 高频加热石墨托碗使石英坩埚内的多晶 料熔化成液体（需要在1430 C以上）预先置于炉顶部的籽晶一f引晶一f 缩颈一f 放肩一7 等径生长一f收尾 等一系列复杂的 工艺而制成。半导体硅材料的加工这是指由Ingot f wafer的过程。硅片 的加工大体包括：硅棒外径滚磨、硅

6、切片、倒角、 硅磨片、硅抛光等几个过程 硅切片 硅切片是将单晶硅锭加工成硅片的过程，通常使 用的设备有两种：内圆切片机：一般加工直径w 6的硅单晶锭。片厚300400卩m 刀口厚度在 300 350卩m 加工损失在50%以上。用这种设备加工的硅切片一般有划道、崩边、且 平整度较差，往往需要研磨后才可使用。线切割机：一般用于加工直径6的单晶（如 8、12等），片厚最薄可达200卩一250卩， 刀口厚度w 200卩，加工损失在 40眩右，较内 圆切割机可多出510%左右的硅片，用这种设备 加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用经过磨 片工序即可投入太阳电池片的生产。但线切割机较为昂贵，单机价格是内圆

7、切片的 8 10 倍。硅磨片一般是双面磨，用金刚砂作原料，去除厚度 在50100卩时大约需要1520分钟，用磨片 的方法可去除硅片表面的划痕，污渍和图形等， 可提高硅片表面平整度。凡用内圆切片机加工的 硅片一般都需要进行研磨。硅抛光片这是只有大规模集成电路工业才用的硅片， 这 里不述及。半导体硅材料的主要性能参数导电类型这是讲半导体内部导电是以什麽类型的载流子 在载带电荷。这里我们介绍三种情况： 本征硅：习惯上我们把绝对纯净而没有缺陷的半 导体叫作本征半导体。通常纯净而没有缺陷的硅 晶体叫作本征硅。N 型硅：若在纯硅中掺入 V族元素（如磷、 砷等）以后，由于V族兀素最外层是5个价电子， 当这5

8、个价电子中4个与硅原子最外层的4个价 电子形成共价键时，就会有一个多余的电子脱离 出来成为自由电子，从而就提供了同等数量的导 电电子，这种能提供自由电子的杂质统称为施主 杂质（如P、AS等），掺入施主杂质、以电子为 多数载流子的硅叫N型硅。P型硅：如果在纯硅中掺入III族元素（如硼） 以后，由于硼原子的最外层是3个价电子，当它 进入硅的晶体构成共价键时，就缺少了一个电 子，因而它就有一种从别处夺来一个电子使自己 成为负离子，并与硅晶体相匹配的趋势，因此我 们可以认为硼原子是带有一个很容易游离于晶 体间的空穴。在半导体中，这种具有接受电子的 杂质称为受主杂质。掺入受主杂质、以空穴为多 数载流子的

9、硅叫作P型硅。晶体结构自然界中的固体可以分为晶体和非晶体两 大类，晶体是指有固定熔点的固体（如: Si、GaAs 冰及一般的金属等），而没有固定熔点，加热时 在某一温度范围内逐渐软化的固体叫作非晶体。（如：松香、玻璃、橡胶等）（1）单晶、多晶和无定形：晶体又可以分为单晶体、多晶体和无定形体。现有的晶体都是由原子、离子或分子在二 维空间上有规则的排列而形成的。这种对称的有 规则排列叫作晶体的点阵或叫晶格。 最小的晶格 叫晶胞，晶胞的各向长度叫晶格常数。将晶格周 期性的重复排列，就可以构成整个晶体，这就是 晶体的固有特性，而非晶体则没有这种特征。那 种近程有序而远程无序排列的称为无定形体。一块晶体

10、如果从头至尾都按同一种排列 重复下去叫作单晶体，由许多微小单晶颗粒杂乱 地排列在一起的称为多晶体。（2）晶格结构：我们对一些主要的晶体进行研究后发现， 其中的晶胞多不相同，常见的晶胞有：简单立方 结构、体心立方结构、面心立方机构、金刚石结 构（如: Si、Ge等），闪锌矿结构（如GaAs Gap lusb等），一般元素半导体多为金刚石结构，III V族化合物半导体多为闪锌矿结构。金刚石结构是两个面心立方结构的晶胞 在对角线上滑移1/4距离后形成，而闪锌矿结构 是在金刚石结构中把相邻两个 Si原子分别换作 Ga和As而形成。（3）晶面和晶向：晶体中那些位于同一平面内的原子形成 的平面称为晶面。晶

11、面的法线方向称为晶向。单 晶常用的晶向有（100）、（ 111 ）和（110）,晶体 在不同的方向上具有不同的性质，这就是晶体的 多向异性。晶向示意图（4）晶体中的缺陷：当晶体中的原子周期性重复排列遭到破 坏或出现不规则的地方就形成了缺陷， 硅单晶中 常见的缺陷有：点缺陷、线缺陷、面缺陷、孪晶、 旋涡、杂质条纹、堆垛层错、氧化层错、滑移线 等等。电阻率电阻率是半导体材料的一个极其重要的参数， 前 面我们已经提到电阻率是区分导体、绝缘体和半 导体的关键因素。不同的器件要求不同的电阻 率。少子寿命所谓少子寿命是指半导体中非平衡少数载流子 平均存在的时间长短，单位是a s（ 1微秒是10-6 秒）。

12、所谓非平衡载流子是指当半导体中载流子 的产生与复合处于平衡状态时，由于受某种外界 条件的作用，如受到光线照射时而新增加的电子 空穴对，这部分新增加的载流子叫作非平衡 载流子。对于P型硅而言：新增加的电子叫作非平 衡少数载流子；而新增加的空穴叫作非平衡多数 载流子。对于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平 衡少数载流子；而新增加的电子叫作非平衡多数 载流子。当光照停止后，这些非平衡载流子并不 是立即全部消失，而是逐渐被复合而消失，它们 存在的平均时间就叫作非平衡载流子的寿命。非平衡载流子的寿命长短反映了半导体材 料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质 以及缺陷的多少，因为硅晶体的缺陷和杂质往往

13、是非平衡载流子的复合中心。少子寿命是一个重要的参数，用于高能粒子探测 器的FZ硅的电阻率高达上万Q cm少子寿命上 千微秒；用于IC工业的CZ硅的电阻率一般在5 30Q cm范围内，少子寿命值多要求在 100卩s 以上；用于晶体管的CZ硅的电阻率一般在30 100Q cm少子寿命也在100 a s以上；而用于太 阳能电池CZ硅片的电阻率在0.5 6Q cm少子 寿命应a 10 a s。5. 氧化量：指硅材料中氧原子的浓度。太阳能电池要求硅中氧含量v 5X 1018原子个数/cm3。6. 碳含量：指硅材料中碳原子的浓度。太阳能电池要求硅中碳含量v 5 x 10仃 原子个数/cm3o7. 晶体缺陷

14、另外：对于IC用硅片而言还要求检测：微缺陷种类及其均匀性；电阻率均匀性；氧、碳含量的均匀性；硅片的总厚度变化TTV;硅片的局部平整度LTV等等参数。我公司在采购中常见的几种硅材料1. Cell :称为电池片，常常是电池片厂家外 销的产品，它实际是一个单元电池。2. Wafer :这通常指的是硅片，可能是圆片，也 可能是方片。圆片包括：硅切片，硅磨片、硅抛光片、 图形片、污渍片、缺损片。3.lngot :常常指的是单晶硅锭，且是圆柱形 的硅锭，也有用指多晶硅铸锭的。4. Polysilicon:通常是指多晶硅料，它又分为棒料、块料、碎料。5. 碳头料(goods with carb on): 通

15、常指多晶硅 棒的下部接近石墨头的部分6. 横梁料(beam):通常是指多晶硅棒最上部的横 梁，由于其处在硅棒上部，靠近炉顶部，且过热(生成温度超过1100C)，也常是金属杂质较多 的部分，常不适合于IC工业，而作为太阳电池 材料。7. 头尾料(top and tail ):这是指拉制单晶锭 的头部和尾部的部分，它由于电阻率范围不在IC适用范围内，杂质浓度高(如尾料)， 或缺陷密度大(如头部料)而被切下报废，但可 作太阳电池的原料。8. 埚底料(Pot scrap ):这是指CZ单晶拉制结 束后残留于石英埚底部的余料，常用作太阳电池 片的原料。9. 边皮料(Side walls ):目前理解方法有两种，一种是单晶锭劈成方锭时 取下的料，这应是一种比较好的原料，可用于回 炉再次拉制单晶锭。另一种是浇注硅的大方锭六面劈下的废料(由于 上方有浮渣，其余五面接触石英，故需剖下)， 腐浊清洗后才可再用于浇注硅方锭。10. 硅渣：这通常是指在对多晶棒进行破碎加工 时，粒径v 2cm的渣料，不可再用作拉单晶使用， 但可用于浇注硅，用于太阳能电池工业。11. 瓜子料(Small pot scrap):这是在清理埚底料时的残渣，