教学课件PPT基本半导体材料及晶圆制备.ppt

1.6 基本半导体材料 董西英 本征半导体：没有掺杂的半导体； 本征载流子：本征半导体中的载流子，完全依靠电子-空穴对的产生； 载流子浓度：单位体积（通常指每立方厘米）载流子的数量 分电子浓度n和空穴浓度p。载流子浓度： 本征载流子浓度： n=p=ni 且 n?p=ni2 1.6.1硅—最常见的半导体材料 1 锗、硅对比 20世纪50年代初期以前，锗是半导体工业应用的最普遍材料之一。 锗材料缺点： （1） Eg小→高温时漏电大→工作温度低（仅能达到90℃） （2） 二氧化锗为水溶性，且会在800℃左右的温度自然分解，无 法在锗表面形成一稳定的对掺杂杂质呈钝化性的氧化层。 硅材料优点：硅的Eg较大，硅器件的工作温度可以高达200℃。硅片表面可以生长稳定、做杂质阻挡层SiO2层。 2 硅被广泛采用的主要原因 硅的丰裕度：占到地壳成分的25%（第二丰富的元素）。能够提纯足够高的纯度，而消耗更低的成本。 宽的工艺容限： 硅熔点1412℃＞＞锗熔点937℃，硅器件工作温度范围大、工作稳定性强 能生长高质量、稳定的SiO2薄层： SiO2性能优良，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲。 3. 电阻率和迁移率 1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为倒数。 r --- 电阻率(W?cm)；s --- 电导率(S, W-1?cm-1); 欧姆定律： 半导体的电阻率 微分形式：由 ? 或者 半导体的电导率：σ=μn*n+ μp*p μn 电子迁移率。 μp 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比 4、本征硅半导体的结构 1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。 5、半导体特性 半导体在受到光照＼加热＼加压等时，半导体的导电性会改变　叫敏光敏热敏压特性 半导体中掺入杂质，它的导电性会大大改变．同时，导电性和掺入杂质浓度紧密相关．叫敏杂特性．　　 半导体掺杂 半导体掺杂 半导体掺杂 第9章 9.5.2 掺杂浓度的测量 掺杂浓度不能直接测量，一般都是间接测量。测量浓度的方法有四探针方块电阻测试法、扩展电阻测试仪(已在上面讲过)、热波测试、C-V测试、二次离子质谱仪等。常用的在线测试方法是四探针法和热波系统，四探针法应用于高掺杂，热波系统用于低剂量注入测量 方块电阻Rs 方块电阻是硅片上表面正方形薄层之间的电阻。 方块电阻和上表面尺寸无关，相同厚度不同电阻率的薄层，电阻率大的方块电阻也大。而半导体的电阻率和掺杂浓度有一定的数学关系，常温下，掺杂浓度越高，电阻率越小，测量的方块电阻也就越小， 1.6.2半导体级硅 半导体集成电路是在达到一定要求的单晶硅片（晶圆）上经过很多道工序制成的。 晶圆制备:把天然硅石制成纯硅再把纯硅制成带有想要的晶向\适量的掺杂浓度(指定杂质)\所需的硅片尺寸 1 硅片制备流程: 天然硅→纯硅(半导体级硅SGS、多晶硅、西门子工艺) →单晶硅锭 →硅片 2 半导体硅制备 半导体级硅制造过程(西门子工艺) 加热含碳硅石→冶金级硅(纯度98%) 冶金级硅+HCI气体→含硅的三氯硅烷气体 含硅的三氯硅烷气体+H2气→半导体级硅（纯度达99.9999999%，是地球上最纯的物质之一，多晶）。 多晶到掺杂单晶棒 晶棒到单晶圆片 3多晶和单晶 多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似，每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具有多晶结构。 。 单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾，晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的晶元是至关重要的 晶向 100晶向的晶圆用来制造MOS器件和电路 而111晶向的晶圆用来制造双极型器件和电路。 砷化镓晶体只能沿100晶面切割。 1.6.3单晶硅生长 单晶硅生长：把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅； 单晶硅生长法常用的有CZ法、和区熔法 一、CZ法（切克劳斯基法Czchralski）：把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成N型或P型的固体单晶硅锭。 生长的硅单晶是籽晶的复制品，所以要精确控制熔化了的硅和籽晶接触面的条件 单晶硅生长 拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，