微电子材料复习大纲

1、一、微电子材料概述1、摩尔定律：集成度每3年乘以4，加工工艺的特征线宽每6年下降一半。摩尔定律中提到的减少成本是集成电路最大的吸引力之一，并且随着技术发展，集成化程度越高，低成本的优点更为明显。2、3、2010年10月5日，瑞典皇家科学院将2010年的诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位教授 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，以表彰他们对石墨烯的研究。石墨烯是至今发现的厚度最薄和的强度最高的材料。4、目前全球最主要的晶圆代工厂包括TSMC、三星、台联电、GlobalFoundries、IBM、SMIC、华虹宏力等 。 5、特征尺寸继续缩小所面临的挑战包括：

2、1、微细加工光刻技术；2、互连技术铜互连；3、新型器件结构&材料体系高、低K介质、金属栅电极、 SOI材料等。6、在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而导体中只有自由电子这一种载流子，这是半导体与导体的不同之处。7、在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。因而对半导体掺杂是改变半导体导电性能的有效方法。二、硅和锗的化学制备1、根据物质的导电性,物质可以分为金属、半导体及绝缘体，人们发现，电子在最高能带的占有率决定此物质的导电性。2、根据材料的重要性和开发成功的先后顺序,半导体材料可以分为三代： 第一代半导体材料-硅(Si)； 第二代半导体材料-砷化镓(GaAs)； 第三代半

3、导体材料-氮化镓(GaN)。3、（物理性质）硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，因此硅可制作高压器件且工作温度比锗高。但是锗的迁移率比硅大，可做低压大电流和高频器件4、硅的主要来源是石英砂，另外，在许多的矿物中含有大量的硅酸盐，也是硅的来源之一。 通常把95%-99%纯度的硅称为粗硅或工业硅。5、制备高纯硅主要采用两种方法：三氯氢硅氢还原法和硅烷法，两种方法各有利弊。其中三氯硅烷法（SiHCl3)F 产量大、质量高、成本低，是目前国内外制取高纯硅的主要方法。F 利用了制碱工业中的副产物氯气和氢气，成本低，效率高F 三氯硅烷遇水会放出腐蚀性的氯化氢气体，腐蚀设备，造成Fe、Ni等重金属

4、污染三氯硅烷而硅烷法（SiH4)F 有效去除杂质硼及其他金属杂质，无腐蚀性、不需要还原剂、分解温度低，收率高。F 消耗Mg，硅烷本身易燃、易爆三、区熔提纯1、区熔提纯是一种物理提纯方法，是为了得到半导体级纯度（9到10个9）的硅，为进一步晶体生长作准备。2、分凝现象（偏析现象）： 含量少的杂质在晶体和熔体中的浓度不同分凝系数： 用来衡量杂质在固相和液相中浓度的不同3、材料锭条全部熔化后,使其从一端向另一端逐渐凝固,这样的凝固方式叫正常凝固。 正常凝固过程中存在分凝现象, 所以锭条中杂质分布不均匀。当分凝系数与1相差较大时(小于0.1或大于3)，杂质浓度随锭长变化较快,杂质向锭的一端集中, 正常

5、凝固有一定的提纯作用。4、区熔提纯：利用分凝现象将物料局部融化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯的技术。5、一次区熔后,材料的纯度仍然达不到半导体器件的纯度要求,所以要进行多次区熔,使得各种杂质尽可能的赶到锭条的两头。经过多次区熔提纯后,杂质分布状态达到一个相对稳定且不再改变的状态,这种极限状态叫极限分布，影响杂质浓度极限分布的主要因素是杂质的分凝系数和熔区长度。6、区熔法晶体生长，可以分为水平区熔和悬浮区熔，硅单晶生长采用悬浮区熔的原因是：高温下硅很活泼,易反应； 悬浮区熔可使之不与任何材料接触； 熔硅表面张力

6、大，而密度小的特点，可使熔区悬浮。四、晶体生长1、晶体生长有三种方法：固相生长，液相生长（溶液中生长，熔体中生长），气相生长2、晶体生长中的成核阶段分为，均匀成核（自发成核）和非均匀成核（非自发成核），其中非均匀成核（非自发成核）是指在体系中存在外来质点(尘埃,固体颗粒,籽晶等), 在外来质点上成核，例如硅单晶生长时籽晶的加入。3、单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法、区熔法和外延法。其中直拉法、区熔法多用于生长单晶硅棒，外延法生长单晶硅薄膜。4、直拉法生长单晶硅和锗是指在盛有熔硅或锗的坩埚内，引入籽晶作为非均匀晶核，然后控制温度场，将籽晶旋转并缓慢向上提拉，晶体便在籽晶下按籽晶的方向长大。

7、其生长设备示意图如图所示。籽晶与熔体表面接触，并旋转，旋转方向与坩锅的旋转方向相反。直拉法的两个主要参数：拉伸速率，晶体旋转速率。5、直拉法(CZ)的工艺过程：1）.籽晶熔接: 加大加热功率，使多晶硅完全熔化，并挥发一定时间后，将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击2）.引晶和缩颈：当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触。此时要控制好温度，当籽晶与熔体液面接触，浸润良好时，可开始缓慢提拉，随着籽晶上升硅在籽晶头部结晶，这一步骤叫“引晶”，又称“下种”。“缩颈”是指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是排除接触不良引起的多

8、晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。3）.放肩：缩颈工艺完成后，略降低温度，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。4）.等径生长：当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。此时要严格控制温度和拉速不变。5）.收晶：晶体生长所需长度后，拉速不变，升高熔体温度或熔体温度不变，加快拉速，使晶体脱离熔体液面五、硅、锗晶体中的杂质和缺陷1、单晶生长时，杂质分布不均匀会造成横向和纵向电阻率不均匀。可以采用变速拉晶法（先用大拉速，再用小拉速）控制直拉法单晶纵向电阻率的均匀性。2、为了获得径向（横向）电阻率均匀的单晶，

9、必须调平固液界面。3、硅锗单晶中位错产生的原因：P籽晶体内原有位错P籽晶表面损伤P由于外界的振动、外加应力、热起伏等而使籽晶或单晶中位错倍增。P固液交界面过冷4、硅、锗晶体生长时杂质的掺杂分为共熔法（不易挥发的杂质材料）和投杂法（容易挥发的杂质材料）5、硅锗单晶中有害杂质包括：金属杂质、氧污染、硅中的碳。其中金属杂质会引入载流子，且能引入深能级，导致器件性能降低，甚至失效。通常采用化学腐蚀去除表面金属杂质。氧是直拉（Cz）硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复杂。总的说来，硅中氧既有益也有害。氧杂质可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件工艺的热过程中发生型变（如弯曲翘曲等）。但是它会形成热施主，引

10、起硅单晶电阻率变化，还会发生析出生成氧成淀。碳在硅中不引入电活性缺陷，不影响单晶硅的载流子浓度。但是当碳浓度超过其固溶度时，会有微小的碳沉淀生成，影响器件的击穿电压和漏电流。六、硅的外延生长1、根据根据外延层性质，可将外延分为同质外延（外延层与衬底同种材料）和异质外延（外延层与衬底不同材料）；根据外延生长方法，可分为直接外延（是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等）和间接外延（是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）。CVD生

11、长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长；根据相变过程，可分为气相外延（对于硅外延，应用最广泛）、液相外延、固相外延2、外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量N基座：来自基座的杂质浓度分量N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂3、自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层4、硅外延层的缺陷分类： 1、表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 2、内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错七、1、当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。 如：砷化镓；当电子从硅的价带顶部转换到导带最低点时，不仅需要能量转换(Eg),也需要动量转换(pC)。这类半导体称为