半导体材料特性课件

半導體材料特性12.1原子結構

原子由三種不同的粒子構成：中性中子和帶正電的質子組成原子核，以及圍繞原子核旋轉的帶負電核的電子，質子數與電子數相等呈現中性。圖2.1碳原子的基本模型2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，對原子的化學和物理性質具有顯著的影響，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鈉和氯原子的電子殼層32.2化學鍵2.2.1離子鍵當價電子層電子從一種原子轉移到另一種原子上時，就會形成離子鍵，不穩定的原子容易形成離子鍵。圖2.3NaCl的離子鍵42.2.2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。圖2.4HCl的共價鍵52.3材料分類-能帶理論6導體

導體在原子的最外層通常有一些束縛鬆散的價電子，容易失去，金屬典型地具有這種價電子層結構。在一般的半導體製造中，鋁是最普遍的導體材料，可以用來充當器件之間的互連線，而鎢可作為金屬層之間的互連材料。銅是優質金屬導體的一個例子，逐漸被引入到矽片製造中取代鋁充當微晶片上不同器件之間的互連材料。7絕緣體

絕緣體的價電子層不具有束縛鬆散的電子可用於導電，它有很高的禁帶寬度來分隔開價帶電子和導帶電子。半導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）。半導體半導體材料具有較小的禁帶寬度,其值介於絕緣體（>2eV）和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。圓片製造中最重要的半導體材料是矽。8週期表中半導體相關元素週期ⅡⅢⅣⅤⅥ2硼B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體材料，因為它有4個價電子，與其他元素一起位於週期表中的ⅣA族。矽中價層電子的數目使它正好位於優質導體（1個價電子）和絕緣體（8個價電子）的中間。10矽的晶體結構109º28´地殼中各元素的含量2.4.1矽作為電子材料的優點原料充分；矽晶體表面易於生長穩定的氧化層，這對於保護矽表面器件或電路的結構、性質很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學特性好，線熱膨脹係數小，2.5×10-6/℃，熱導率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；化學性質穩定，常溫下只有強鹼、氟氣反應；機械性能良好。132.4.2純矽純矽是指沒有雜質或者其他物質污染的本征矽。純矽的原子通過共價鍵共用電子結合在一起。+4+4+4+4共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，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，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。142.4.3摻雜矽在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導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雜質元素（例如磷、

氮），主要載流子為電子。P型矽——在本征矽中摻入三價雜質元素（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可選擇的半導體材料2.5.1元素半導體——Ge、Si最初大量使用的半導體材料是鍺。1947年第一只電晶體用的就是鍺。但是鍺的禁帶寬度為067V熱穩定性差最高工作溫度只有85℃。矽具有很多優點，地球上儲量豐富，易於提純，熱穩定性好，在表面可生長品質很高的二氧化矽層，工作溫度可達160℃。矽幾乎成了半導體的代名詞，全球矽積體電路年產值在2400億美元左右。182.5.2化合物半導體——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體的主流材料，全球砷化鎵高頻電子器件和電路的年產值24億美元。磷化銦器件的電子遷移率高達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波段多數都用磷化銦器件。192.5.3寬頻隙半導體——SiC、GaN碳化矽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80年代人們逐步掌握了碳化矽晶體的生長技術後，90年代用於藍光發光材料，同時以碳化矽材料為基礎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光性能，因此藍光發光領域內碳化矽已被氮化鎵代替，目前氮化鎵是藍光和白光發光器件的主流材料。同時，人們還發現在微波功率放大領域，氮化鎵的輸出微波功率比砷化鎵和矽高出一個數量級以上。202.5.4半導體材料的新探索隨著材料技術的不斷發展和成熟，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體薄層單晶材料，調節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，稱此為能帶工程。金剛石具有最大的禁帶寬度、最高的擊穿場強和最大的熱導率，被稱為最終的半導體。此外，極窄帶隙半導體材料，如InAs（0.36eV）等，也被人們廣泛研究。石墨烯與碳納米管等半導體材料。21幾種常見半導體材料的主要特性參數22更多半導體有機半導體非晶半導體23第三章

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

B：氣體到多晶的轉變C：多晶到單晶，摻雜晶棒的轉變（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↑得到的是冶金級矽，主要雜質：Fe、Al、C、B、P、Cu要進一步提純。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，SiHCl3的沸點僅為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得到半導體純度的多晶矽：SiCl4+2H2→Si+4HClSiHCl3+H2→Si+3HCl原因：氫氣易於淨化，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。按製備時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，用一個夾頭夾住一塊適當晶向的籽晶，將它懸浮在坩堝上，拉制時，一端插入熔體直到熔化，然後再緩慢向上提拉，這時在液-固介面經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燈絲，50年代開發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。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、水冷裝置和拉杆等機械傳動裝置

；加熱控溫系統，有光學高溫計、加熱器、隔熱裝置等；真空部分，有機械泵、擴散泵、測真空計等。

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法工藝流程準備

腐蝕清洗多晶→籽晶準備→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。縮晶在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體最細部分直徑只有2-3mm，獲得完好單晶。放肩將晶體直徑放大至需要的尺寸。等徑生長拉杆與坩堝反向勻速轉動拉制出等徑單晶。直徑大小由拉升速度、轉速，以及溫度控制。收尾結束單晶生長。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。本質上它和標準的直拉法（CZ）一樣，為砷化鎵做了一定改進。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。38晶圓製備（2）晶體生長③區熔法直拉法的一個缺點：坩堝中的氧進入晶體。對於有些器件，高水準的氧是不能接受的。懸浮區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，由高頻加熱器產生一懸浮的溶區，多晶矽連續通過熔區熔融，在熔區與單晶接觸的介面處生長單晶。熔區的存在是由於融體表面張力的緣故，懸浮區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區熔法40晶圓製備（2）晶體生長④直拉法和區熔法的比較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加入含雜質元素的物質。

摻雜元素的選擇摻雜方式雜質分佈

43晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜雜質類型的選擇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。B：摻雜方式45晶圓製備（2）晶體生長⑥摻雜將雜質元素先製成矽的合金（如矽銻合金，矽硼合金），再按所需的計量摻入合金。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，將一定量的雜質原子加入熔融液中，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有中子嬗變現象：

30Si31Si+α31Si31P+β31P是穩定的施主雜質，對單晶棒進行中子輻照，就能獲得均勻的n型矽。B2：中子輻照（NTD）摻雜47晶圓製備（3）矽片製備晶體準備（直徑滾磨、晶體定向、導電類型檢查和電阻率檢查）→切片→研磨→化學機械拋光（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