半導(dǎo)體材料導(dǎo)論4課件

第4章對半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求

材料學(xué)院半導(dǎo)體材料第4章對半導(dǎo)體材料的技術(shù)要求半導(dǎo)體材料的實際應(yīng)用是以其作出的器件來實現(xiàn)的。器件對材料的要求總的說來有兩個方面:一方面是根據(jù)器件的功能來選擇能滿足其性能的材料，這包括材料的能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、遷移率、光學(xué)性質(zhì)等；另一方面，在材料選定后，要使材料具有相應(yīng)的物理參數(shù)與化學(xué)純度，以保證器件獲得良好的功能，同時為了保證器件工藝的實施，還要求材料具有相應(yīng)的幾何尺寸。一般都要求材料的本底純度高、晶體缺陷少、晶體的尺寸大、加工精度高等。這就涉及到材料的化學(xué)組成、晶體缺陷、幾何精度等方面的問題。4.1化學(xué)組成4.1.1雜質(zhì)的種類與行為1.電活性雜質(zhì)。根據(jù)2.3節(jié)所述，由于雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與本體材料的價電子數(shù)不同，從而形成施主或受主。如果這些雜質(zhì)的能級是在導(dǎo)帶底或價帶頂附近（圖3.2）稱為淺施主或淺受主。這些雜質(zhì)會影響材料的電阻率、遷移率等。因此要將它們的濃度盡量降低。但在半導(dǎo)體材料或器件的制備過程中也常常利用某種淺施主或淺受主雜質(zhì)來形成n型或p型半導(dǎo)體。這些雜質(zhì)都分布在周期表中與本體材料鄰近的一族中。由于它們所形成的能級與導(dǎo)帶或價帶靠得非常近，因此它們的解離能非常小，在室溫下就可以完全解離。另一類電活性雜質(zhì)的電離能較大，它們的能級位置靠近禁帶的中部，這類雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)，它們常常有幾個能級，在室溫下不全部電離，但對載流子起復(fù)合中心或陷阱作用，因此這類雜質(zhì)一般對材料是有害的，它們主要是元素周期表中的IB族，如銅、金和VIII族，如鐵、鎳等。3.化學(xué)配比偏離。在實際的化合物半導(dǎo)體的晶體中，各組成元素的比例與理論的化學(xué)配比有所偏離。例如在砷化鎵中，砷原子與鎵原子不能按1:1組成。這樣，一些價電子不能相鍵合，便構(gòu)成載流子或形成點缺陷。因此在化合物的晶體制備中，要采取相應(yīng)措施以盡量減少化學(xué)配比偏離。4.1.2本底純度從上述的情況可以看出，在材料中雜質(zhì)的行為多種多樣，而所需要的雜質(zhì)的種類很少，卻要求有準(zhǔn)確的含量。所以可行的辦法是先把半導(dǎo)體材料進行提純，把其中所有的雜質(zhì)降到一定的水平，使材料獲得較高的本底純度，然后再摻入所需的雜質(zhì)。這種本底純度當(dāng)然愈高愈好，但根據(jù)需要與可能至少使雜質(zhì)含量降到10-4%以下，有的則要求降到10-8%或更低。本底純度是衡量半導(dǎo)體材料質(zhì)量的、具有先決性的重要參數(shù)。4.1.3雜質(zhì)分布的均勻性在晶體制備的過程中，首先根據(jù)器件設(shè)計所要求的雜質(zhì)性質(zhì)與載流子濃度來進行摻雜，摻雜量可以由計算求得。但摻入的雜質(zhì)在晶體中的分布卻是不均勻的。不均勻度可分為宏觀的與微觀的。因為器件一般是作在晶片上，所以宏觀的縱向不均勻度，即晶體自頭部至尾部的雜質(zhì)濃度的差異，主要影響晶體的可用部分的大?。欢鴱较虿痪鶆蚨葎t影響器件的質(zhì)量與成品率。微觀不均勻度表現(xiàn)為雜質(zhì)條紋，它亦對一些器件的性能有明顯的影響。晶體缺陷通?？煞譃椋海?）點缺陷這主要是單個原子之間的變化，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它們構(gòu)成的復(fù)合體。（2）線缺陷呈線狀排列，例如位錯就是這類缺陷。（3）面缺陷呈面狀，在另一個方向上尺寸較小，如晶界、堆垛層錯、相界等。（4）體缺陷如空洞、夾雜物、雜質(zhì)沉淀物等。（5）微缺陷幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷的聚集物、微沉積物等。缺陷如按其形成過程，可分為原生缺陷（在晶體制備過程中所引入的缺陷）和二次缺陷（在晶體加工過程，包括器件制備過程所引入的缺陷）。4.2.1點缺陷原子尺度的晶體點陣缺陷，分為熱點缺陷和雜質(zhì)缺陷。我們在晶體結(jié)構(gòu)中把組成晶體的原子或離子看成一個點，在絕對零度下，這些點是固定在點陣的位置上的。當(dāng)溫度升到零度以上，這些點因獲得動能而振動，由于能量的非均勻分布，一些點具有較大的能量而掙脫出原來點陣的位置，那么原有的位置就成為空位，脫離點陣的原子可處于點陣的間隙位置，稱為自間隙原子，也可以運動到晶體表面。這類點缺陷的形成都與溫度有關(guān)，稱為熱點缺陷?；衔锇雽?dǎo)體中的點缺陷比較復(fù)雜。以砷化鎵為例，熱點缺陷可以是砷空位、也可以是鎵空位、也可以是砷占鎵位或鎵占砷位的反位缺陷。各類點缺陷之間可形成復(fù)合體?；瘜W(xué)配比的偏離，根據(jù)質(zhì)量作用定律，可以改變點缺陷的濃度，例如富砷的砷化鎵單晶會減少砷空位、增加鎵空位及砷占鎵位的反位缺陷。雜質(zhì)點缺陷是由雜質(zhì)造成晶體點陣的變化所形成的。有的雜質(zhì)原子取代本體原子而成替位型原子，有的雜質(zhì)則進入到點陣的間隙位置而成間隙型原子。雜質(zhì)也可與空位、反位缺陷等形成復(fù)合體。點缺陷可以起到電活性中心的作用，影響材料的電學(xué)性質(zhì)。非平衡的點缺陷也可聚集成團，構(gòu)成微缺陷。4.2.2位錯當(dāng)一種固體材料受到外力時就會發(fā)生形變，如果外力消失后，形變也隨著消失，這種形變稱為彈性形變；如果在外力消失后，形變不消失，則稱為范性形變。位錯就是由范性形變造成的，它可以使晶體內(nèi)的一些質(zhì)點（原子或離子）脫離規(guī)則的周期排列而位移一段距離，位移區(qū)與非位移區(qū)交界處必有原子的錯位，這樣產(chǎn)生的線性缺陷稱為“位錯”。圖4.1刃位錯的原理示意圖圖4.1示出了其中的一種情況。其中FE為位錯線，因為它處于變形部分與非變形部分的交界處。箭頭所指為滑移方向。由此可見，它的滑移方向與位錯線相垂直。此類位錯稱為刃位錯。4.2.3微缺陷在半導(dǎo)體單晶中發(fā)現(xiàn)有尺寸很小，一般是微米級到幾十納米的缺陷。其中有些是由點缺陷聚集而成的，例如自間隙原子的聚合體、空位的聚合體等；另一類則屬微沉積物，由于一些雜質(zhì)的含量在晶體凝固后，超過了它的溶解度而被析出；還有一些微缺陷的本性至今還未弄清楚。微缺陷的種類不同，它們對器件的影響也不相同。在無位錯硅單晶中所發(fā)現(xiàn)的漩渦A型缺陷是自間隙原子構(gòu)成的位錯環(huán)，對集成電路和電力電子器件都是有害的。4.3幾何尺寸與精度對半導(dǎo)體單晶的直徑與截面面積一般要求愈大愈好。出發(fā)點基本上是兩個：一個是技術(shù)性的，例如整流器或晶閘管，如果要求它們通過的電流大，那么器件的尺寸就必需大，因此所需的晶片直徑也要大；另一類是經(jīng)濟上的，晶片愈大，一次作出的器件就多，單個器件的成本也就隨之降低。對晶片尺寸精度的要求主要來自器件工藝。這些要求有直徑公差、厚度公差、彎曲度、翹曲度、平坦度、定位面位置與尺寸等。集成度高的集成電路對晶片的幾何精度有很嚴(yán)格的要求，而且隨著集成度的提高、器件的幾何尺寸的縮小，其中有些要求將隨之進一步提高。對量子阱與超晶格材料則要求有原子級的精度。4.4常用的表征參數(shù)與測量方法在半導(dǎo)體材料的實踐中，能反映上述要求的常用參數(shù)可分為電學(xué)的、化學(xué)的、晶體學(xué)的和幾何尺寸等幾個方面。4.4.1電學(xué)參數(shù)包括電阻率、導(dǎo)電類型、載流子濃度、遷移率、少數(shù)載流子壽命、電阻率均勻性等。電阻率為電導(dǎo)率的倒數(shù)，用W.cm（歐姆.厘米）作單位，它可以反映半導(dǎo)體材料的摻雜濃度，并在一定程度上反映材料的本底純度，在硅、鍺中常用電阻率來表達其雜質(zhì)濃度。根據(jù)（2-1）式s=1/r=nem,r=1/nem(4-1）式中e是電子的電荷，e是常數(shù)，因此電阻率反映了載流子濃度(n)與遷移率(m)的關(guān)系。圖4.3硅中雜質(zhì)濃度與電阻率的關(guān)系如果知道遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系，就可以求出雜質(zhì)濃度。圖4.3列出了硅的電阻率與電活性雜質(zhì)濃度的關(guān)系。4.4.2化學(xué)純度材料的本底純度是利用中子活化法、質(zhì)譜法、原子吸收光譜法、發(fā)射光譜、紅外吸收法、光熒光法進行分析與測量的。材料的微區(qū)分析則使用離子探針、電子探針、分析電鏡等手段進行測定。半導(dǎo)體材料的表面純度則是利用俄歇能譜、全反射X光熒光分析、氣相色譜等方法測定。4.4.3晶體學(xué)參數(shù)由于晶體的各向異性，所以器件設(shè)計都要求材料的晶體學(xué)取向。確定晶向的方法有X光衍射法、光圖法等。立方晶系的晶體的常用取向為<111>和<100>。有時還要求有一定的偏離度。要求測量的精度一般為1o以內(nèi)，有時則要求3o以內(nèi)。晶體中常見的缺陷是位錯。位錯密度直接影響器件的性能與成品率。檢測的方法有擇優(yōu)腐蝕-光學(xué)顯微鏡觀測法、

X光形貌法等。晶體中的微缺陷也是重要的檢測對象，特