半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí)1

1、半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí)1 半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)知識(shí)講座 培訓(xùn)大綱什么是半導(dǎo)體？導(dǎo)體(Conductor)導(dǎo)體是指很容易傳導(dǎo)電流的物質(zhì)絕緣體(Insolator )是指極不容易或根本不導(dǎo)電的一類物質(zhì)半導(dǎo)體(Semiconductor)導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間且具備半導(dǎo) 體的基本特性的一類材料。半導(dǎo)體硅材料的電性能特點(diǎn)硅材料的電性能有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)：一是它對(duì)溫度的變化十分靈敏；二是微量雜質(zhì)的存在對(duì)電阻率的影響十分顯著； 三是半導(dǎo)體材料的電阻率在受光照時(shí)會(huì)改變其 數(shù)值的大小。綜上所述，半導(dǎo)體的電阻率數(shù)值對(duì)溫度、雜質(zhì)和 光照三個(gè)外部條件變化有較高的敏感性。半導(dǎo)體材料的分類元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 有機(jī)半

2、導(dǎo)體無(wú)定形半導(dǎo)體 迄今為止，工藝最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的是前 兩類半導(dǎo)體材料，尤其是半導(dǎo)體硅材料，占整個(gè) 半導(dǎo)體材料用量的90%以上。硅材料是世界新材 料中工藝最為成熟、使用量最大的半導(dǎo)體材料。它的實(shí)驗(yàn)室純度可接近本征硅，即12個(gè)“九”, 即使是大工業(yè)生產(chǎn)也可以到7-9個(gè)“九”的純 度。半導(dǎo)體硅材料的制備 冶金級(jí)硅（工業(yè)硅）的制備 冶金級(jí)硅是將比較純凈的S102礦石和木炭或石 油焦一起放入電弧爐里，在電孤加熱的情況下進(jìn) 行還原而制成。其反應(yīng)式是:S102+2C Si+2C0普通冶金級(jí)硅的純度大約是23個(gè)“九”。 目前市面上也有號(hào)稱45個(gè)“九”純度的冶金 級(jí)硅，那是通過(guò)多次冶金法”或稱為“物理法

3、” 提純后獲得的。多晶硅的制備目前全世界多晶硅的生產(chǎn)方法大體有三種：一是改良的西門(mén)子法；二是硅烷法；三是粒狀硅法。改良的西門(mén)子法生產(chǎn)半導(dǎo)體級(jí)多晶硅： 這是目前全球大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)企業(yè)采用的方 法，知名的企業(yè)有美國(guó)的Harmlock、日本的TOKUYAMA三菱公司、德國(guó)的瓦克公司以及烏克 蘭和MEM意大利的多晶硅廠。全球80%以上的 多晶硅是用此法生產(chǎn)的。其工藝流程是：原料硅破碎篩分（80 目）沸騰氯化制成液態(tài)的SiHCI3粗餾提純精餾提純氫還原棒狀多晶硅破碎潔凈分裝。經(jīng)驗(yàn)上，新建設(shè)一座多晶硅廠需要 30 36個(gè)月時(shí)間，而老廠擴(kuò)建生產(chǎn)線也需要大約 1418個(gè)月時(shí)間，新建一座千噸級(jí)的多晶硅廠 大約

4、需要1012億元人民幣，也就是說(shuō)每噸的 投資在100萬(wàn)元人民幣以上。硅烷法生產(chǎn)多晶硅用硅烷法生產(chǎn)多晶硅的工廠僅有日本的小松和 美國(guó)的ASMY兩家公司，其工藝流程是： 原料破碎篩分硅烷生成沉積多晶硅棒狀多晶破碎、包裝（3）粒狀多晶硅全球用此法生產(chǎn)多晶硅的僅有美國(guó)休斯頓的 PASADEN工廠，它的生產(chǎn)流程與硅烷法生產(chǎn)多 晶硅的工藝大體相似，所不同的是它沉積出來(lái)的 多晶硅不是棒狀，而是直徑僅為4 13mm的硅 粒。單晶硅的制備根據(jù)單晶硅的使用目的不同，單晶硅的制備 工藝也不相同，主要的制備工藝有兩種： 區(qū)域熔煉法（簡(jiǎn)稱區(qū)熔法或FZ法，F(xiàn)loat Zone）。 這是制備高純度，高阻單晶的方法，區(qū)熔法既

5、可 以提純，又可以成晶。它是利用雜質(zhì)在其固體和液體中分凝系數(shù)的差 異，通過(guò)在真空下經(jīng)數(shù)次乃至數(shù)十次的區(qū)域熔煉 提純，然后成晶而制成。切克勞斯基法（簡(jiǎn)稱直拉法。CZ法，Czochralski ） 這是將清洗好的多晶硅塊料（塊徑5mn以上） 裝入石英坩堝再把裝好料的石英坩堝放入直拉 單晶爐內(nèi)置的石墨托碗上一t抽真空一-充氬氣一- 高頻加熱石墨托碗使石英坩堝內(nèi)的多晶 料熔化成液體（需要在1430 C以上）預(yù)先置于爐頂部的籽晶一f引晶一f 縮頸一f 放肩一7 等徑生長(zhǎng)一f收尾 等一系列復(fù)雜的 工藝而制成。半導(dǎo)體硅材料的加工這是指由Ingot f wafer的過(guò)程。硅片 的加工大體包括：硅棒外徑滾磨、硅

6、切片、倒角、 硅磨片、硅拋光等幾個(gè)過(guò)程 硅切片 硅切片是將單晶硅錠加工成硅片的過(guò)程，通常使 用的設(shè)備有兩種：內(nèi)圓切片機(jī)：一般加工直徑w 6的硅單晶錠。片厚300400卩m 刀口厚度在 300 350卩m 加工損失在50%以上。用這種設(shè)備加工的硅切片一般有劃道、崩邊、且 平整度較差，往往需要研磨后才可使用。線切割機(jī)：一般用于加工直徑6的單晶（如 8、12等），片厚最薄可達(dá)200卩一250卩， 刀口厚度w 200卩，加工損失在 40眩右，較內(nèi) 圓切割機(jī)可多出510%左右的硅片，用這種設(shè)備 加工的硅切片表面光滑，平整度好，不用經(jīng)過(guò)磨 片工序即可投入太陽(yáng)電池片的生產(chǎn)。但線切割機(jī)較為昂貴，單機(jī)價(jià)格是內(nèi)圓

7、切片的 8 10 倍。硅磨片一般是雙面磨，用金剛砂作原料，去除厚度 在50100卩時(shí)大約需要1520分鐘，用磨片 的方法可去除硅片表面的劃痕，污漬和圖形等， 可提高硅片表面平整度。凡用內(nèi)圓切片機(jī)加工的 硅片一般都需要進(jìn)行研磨。硅拋光片這是只有大規(guī)模集成電路工業(yè)才用的硅片， 這 里不述及。半導(dǎo)體硅材料的主要性能參數(shù)導(dǎo)電類型這是講半導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)電是以什麼類型的載流子 在載帶電荷。這里我們介紹三種情況： 本征硅：習(xí)慣上我們把絕對(duì)純凈而沒(méi)有缺陷的半 導(dǎo)體叫作本征半導(dǎo)體。通常純凈而沒(méi)有缺陷的硅 晶體叫作本征硅。N 型硅：若在純硅中摻入 V族元素（如磷、 砷等）以后，由于V族兀素最外層是5個(gè)價(jià)電子， 當(dāng)這5

8、個(gè)價(jià)電子中4個(gè)與硅原子最外層的4個(gè)價(jià) 電子形成共價(jià)鍵時(shí)，就會(huì)有一個(gè)多余的電子脫離 出來(lái)成為自由電子，從而就提供了同等數(shù)量的導(dǎo) 電電子，這種能提供自由電子的雜質(zhì)統(tǒng)稱為施主 雜質(zhì)（如P、AS等），摻入施主雜質(zhì)、以電子為 多數(shù)載流子的硅叫N型硅。P型硅：如果在純硅中摻入III族元素（如硼） 以后，由于硼原子的最外層是3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它 進(jìn)入硅的晶體構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，就缺少了一個(gè)電 子，因而它就有一種從別處奪來(lái)一個(gè)電子使自己 成為負(fù)離子，并與硅晶體相匹配的趨勢(shì)，因此我 們可以認(rèn)為硼原子是帶有一個(gè)很容易游離于晶 體間的空穴。在半導(dǎo)體中，這種具有接受電子的 雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。摻入受主雜質(zhì)、以空穴為多 數(shù)載流子的

9、硅叫作P型硅。晶體結(jié)構(gòu)自然界中的固體可以分為晶體和非晶體兩 大類，晶體是指有固定熔點(diǎn)的固體（如: Si、GaAs 冰及一般的金屬等），而沒(méi)有固定熔點(diǎn)，加熱時(shí) 在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固體叫作非晶體。（如：松香、玻璃、橡膠等）（1）單晶、多晶和無(wú)定形：晶體又可以分為單晶體、多晶體和無(wú)定形體?，F(xiàn)有的晶體都是由原子、離子或分子在二 維空間上有規(guī)則的排列而形成的。這種對(duì)稱的有 規(guī)則排列叫作晶體的點(diǎn)陣或叫晶格。 最小的晶格 叫晶胞，晶胞的各向長(zhǎng)度叫晶格常數(shù)。將晶格周 期性的重復(fù)排列，就可以構(gòu)成整個(gè)晶體，這就是 晶體的固有特性，而非晶體則沒(méi)有這種特征。那 種近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序排列的稱為無(wú)定形體。一塊晶體

10、如果從頭至尾都按同一種排列 重復(fù)下去叫作單晶體，由許多微小單晶顆粒雜亂 地排列在一起的稱為多晶體。（2）晶格結(jié)構(gòu)：我們對(duì)一些主要的晶體進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)， 其中的晶胞多不相同，常見(jiàn)的晶胞有：簡(jiǎn)單立方 結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方機(jī)構(gòu)、金剛石結(jié) 構(gòu)（如: Si、Ge等），閃鋅礦結(jié)構(gòu)（如GaAs Gap lusb等），一般元素半導(dǎo)體多為金剛石結(jié)構(gòu)，III V族化合物半導(dǎo)體多為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)是兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)的晶胞 在對(duì)角線上滑移1/4距離后形成，而閃鋅礦結(jié)構(gòu) 是在金剛石結(jié)構(gòu)中把相鄰兩個(gè) Si原子分別換作 Ga和As而形成。（3）晶面和晶向：晶體中那些位于同一平面內(nèi)的原子形成 的平面稱為晶面。晶

11、面的法線方向稱為晶向。單 晶常用的晶向有（100）、（ 111 ）和（110）,晶體 在不同的方向上具有不同的性質(zhì)，這就是晶體的 多向異性。晶向示意圖（4）晶體中的缺陷：當(dāng)晶體中的原子周期性重復(fù)排列遭到破 壞或出現(xiàn)不規(guī)則的地方就形成了缺陷， 硅單晶中 常見(jiàn)的缺陷有：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、孿晶、 旋渦、雜質(zhì)條紋、堆垛層錯(cuò)、氧化層錯(cuò)、滑移線 等等。電阻率電阻率是半導(dǎo)體材料的一個(gè)極其重要的參數(shù)， 前 面我們已經(jīng)提到電阻率是區(qū)分導(dǎo)體、絕緣體和半 導(dǎo)體的關(guān)鍵因素。不同的器件要求不同的電阻 率。少子壽命所謂少子壽命是指半導(dǎo)體中非平衡少數(shù)載流子 平均存在的時(shí)間長(zhǎng)短，單位是a s（ 1微秒是10-6 秒）。

12、所謂非平衡載流子是指當(dāng)半導(dǎo)體中載流子 的產(chǎn)生與復(fù)合處于平衡狀態(tài)時(shí)，由于受某種外界 條件的作用，如受到光線照射時(shí)而新增加的電子 空穴對(duì)，這部分新增加的載流子叫作非平衡 載流子。對(duì)于P型硅而言：新增加的電子叫作非平 衡少數(shù)載流子；而新增加的空穴叫作非平衡多數(shù) 載流子。對(duì)于N型硅而言：新增加的空穴叫作非平 衡少數(shù)載流子；而新增加的電子叫作非平衡多數(shù) 載流子。當(dāng)光照停止后，這些非平衡載流子并不 是立即全部消失，而是逐漸被復(fù)合而消失，它們 存在的平均時(shí)間就叫作非平衡載流子的壽命。非平衡載流子的壽命長(zhǎng)短反映了半導(dǎo)體材 料的內(nèi)在質(zhì)量，如晶體結(jié)構(gòu)的完整性、所含雜質(zhì) 以及缺陷的多少，因?yàn)楣杈w的缺陷和雜質(zhì)往往

13、是非平衡載流子的復(fù)合中心。少子壽命是一個(gè)重要的參數(shù)，用于高能粒子探測(cè) 器的FZ硅的電阻率高達(dá)上萬(wàn)Q cm少子壽命上 千微秒；用于IC工業(yè)的CZ硅的電阻率一般在5 30Q cm范圍內(nèi)，少子壽命值多要求在 100卩s 以上；用于晶體管的CZ硅的電阻率一般在30 100Q cm少子壽命也在100 a s以上；而用于太 陽(yáng)能電池CZ硅片的電阻率在0.5 6Q cm少子 壽命應(yīng)a 10 a s。5. 氧化量：指硅材料中氧原子的濃度。太陽(yáng)能電池要求硅中氧含量v 5X 1018原子個(gè)數(shù)/cm3。6. 碳含量：指硅材料中碳原子的濃度。太陽(yáng)能電池要求硅中碳含量v 5 x 10仃 原子個(gè)數(shù)/cm3o7. 晶體缺陷

14、另外：對(duì)于IC用硅片而言還要求檢測(cè)：微缺陷種類及其均勻性；電阻率均勻性；氧、碳含量的均勻性；硅片的總厚度變化TTV;硅片的局部平整度LTV等等參數(shù)。我公司在采購(gòu)中常見(jiàn)的幾種硅材料1. Cell :稱為電池片，常常是電池片廠家外 銷的產(chǎn)品，它實(shí)際是一個(gè)單元電池。2. Wafer :這通常指的是硅片，可能是圓片，也 可能是方片。圓片包括：硅切片，硅磨片、硅拋光片、 圖形片、污漬片、缺損片。3.lngot :常常指的是單晶硅錠，且是圓柱形 的硅錠，也有用指多晶硅鑄錠的。4. Polysilicon:通常是指多晶硅料，它又分為棒料、塊料、碎料。5. 碳頭料(goods with carb on): 通

15、常指多晶硅 棒的下部接近石墨頭的部分6. 橫梁料(beam):通常是指多晶硅棒最上部的橫 梁，由于其處在硅棒上部，靠近爐頂部，且過(guò)熱(生成溫度超過(guò)1100C)，也常是金屬雜質(zhì)較多 的部分，常不適合于IC工業(yè)，而作為太陽(yáng)電池 材料。7. 頭尾料(top and tail ):這是指拉制單晶錠 的頭部和尾部的部分，它由于電阻率范圍不在IC適用范圍內(nèi)，雜質(zhì)濃度高(如尾料)， 或缺陷密度大(如頭部料)而被切下報(bào)廢，但可 作太陽(yáng)電池的原料。8. 堝底料(Pot scrap ):這是指CZ單晶拉制結(jié) 束后殘留于石英堝底部的余料，常用作太陽(yáng)電池 片的原料。9. 邊皮料(Side walls ):目前理解方法有兩種，一種是單晶錠劈成方錠時(shí) 取下的料，這應(yīng)是一種比較好的原料，可用于回 爐再次拉制單晶錠。另一種是澆注硅的大方錠六面劈下的廢料(由于 上方有浮渣，其余五面接觸石英，故需剖下)， 腐濁清洗后才可再用于澆注硅方錠。10. 硅渣：這通常是指在對(duì)多晶棒進(jìn)行破碎加工 時(shí)，粒徑v 2cm的渣料，不可再用作拉單晶使用， 但可用于澆注硅，用于太陽(yáng)能電池工業(yè)。11. 瓜子料(Small pot scrap):這是在清理堝底料時(shí)的殘?jiān)?/p>