半导体材料导论6总结归纳.ppt

第六章：一些主要的半导体材料;第六章：一些主要的半导体材料;表6.1 一些重要的半导体材料;注：表中的晶片指可直接作器件的切磨片或抛光片；衬底指用于外延的衬底;; 表6.2 硅的力学与热学性质;表6.3 硅的半导体性质;6.1.2 制备工艺 半导体硅包括多晶硅、直拉单晶硅（CZ） 、区熔单晶 硅（FZ）、磁控直拉单晶硅（ NCZ）、单晶硅的各种晶片、非晶硅等。 现在80%以上是直拉单晶，大部分以抛光片形式出售，外延片的比例在不断地增长。 这些产品的制法由图6.1所示。 ;3. 良好的力学与热学性质。 硅在常温下的硬度及机械强度高，在高温下亦有较高的屈服强度，还具有较高的热导率。这就使得拉制大直径无位错单晶成为可能，在这方面其他半导体材料都望尘莫及。目前直拉法已生产出直径f300mm无位错单晶，区熔法生产出f150mm无位错单晶。 同时良好的力学性能使得Si片在器件加工中能防止引入二次缺陷，而使器件有较高的成品率。 导热性能好，可以提高器件的功率及单位面积上的功率密度，这对提高电力电子器件的功率和IC的集成度是十分重要的。表6.4示出了半导体硅的主要应用。; 表6.4 半导体硅材料的应用;6.4.1 硅材料的发展趋势 硅材料的发展趋势主要有如下几点。 1. 提高晶体完整性。 根据集成电路等器件发展的要求，当缺陷尺寸大于器件特征尺寸的1/3时，即认为有害。 硅在获得无位错单晶以后，碰到的主要缺陷为漩涡缺陷，其中A型缺陷的尺寸在微米的量级，对集成电路及电力电子器件有害。于是开发了无漩涡工艺。 最近在无漩涡缺陷的单晶中，发现了尺寸为几十纳米到几百纳米的微型缺陷，如流动图形缺陷(FPD)、红外散射断层缺陷（LSTD）、产自晶体颗粒缺陷（COP）等。这些缺陷靠调整拉晶条件难以消除。 为此开发了晶片在惰性气氛下高温处理工艺，可明显地降低此类缺陷。;2. 提高纯度与控制杂质。严格控制在材料制备过程中的杂质污染，其中特别是重金属的污染及碳的引入。在制片过程中要获得高洁净度的抛光片表面，集成电路用硅对其氧含量及径向均匀性有严格的要求（见表5.4），为此要使用拉晶的计算机控制和磁控拉晶。;3. 大直径化。 现在全世界销售的硅片中???按其面积计算，直径≥150mm的硅片已占总量的70%以上。目前，300mm直径的硅片已大量应用，以后则是400mm直径的硅片。推动大直径化的动力来自集成电路的集成度与复杂性的提高。 表6.5示出了以动态随机存储器为代表的集成电路发展与硅片直径的关系。从表中可以看出，集成度的提高部分地依靠特征尺寸的缩小，部分地依靠芯片尺寸的增大。 动态随机存储器（DRAM）每更新一代，芯片面积就增大50%左右，如果硅片的直径不变，那么硅片所得的芯片数就要少1/3。 另外，硅片上作出的芯片愈多，其成本也就随之下降。据测算，对同一种电路，如使用直硅径150mm硅片的成本为100，使用200mm硅片则为75，使用300mm硅片则为50。;6.1.5 硅外延片及硅基材料的发展 器件的发展给材料提出愈来愈高的要求，这些发展主要是： （1） 集成电路的集成度与复杂性的提高； （2）微波向更短波长区域扩展； （3） 光电子器件的发展及其与微电子器件的集成或匹配； （4 ）抗恶劣条件（射线、高温、大功率）能力的提高。 这些要求是硅材料所不能满足或不能完全满足的。解决的出路有两个，一个是使用其他半导体材料，另一个则是使用硅外延片及硅基材料。 后者一方面可以利用硅材料工艺的成熟性、廉价的大直径硅衬底，同时又便于与其他硅器件及电路进行集成或匹配。它们的发展情况如下。 ; 1. 高集成度电路使用外延的比例在增大。用外延片制作集成电路的优点是 （1）外延层的晶体完整性优于抛光片，所含的各种微小缺陷低； （2）外延层的表面质量好； （3）可消除MOS和CMOS电路中的软误差及闩锁现象。现在销售的直径200mm硅中，外延片已占19%，预计用300mm硅片制作1Gb以上电路时，将主要使用外延片。 2. 绝缘体上的硅（silicon on insulater，SOI）发展较快。它是在硅与硅之间形成一个以SiO2为绝缘体夹层的材料。制作方法主要有两个，一是将氧用离子注入到硅中；二是将一个经表面氧化的硅片与另一个硅片相键合。SOI的优点是： （1）提高电路的速度 （可提高20%~30%）； （2） 器件工作温度可达300 oC； （3）可降低电路的工作电压达1V； （4 ）提高器件的耐辐照能力； （5）如果工艺实现突破，可以制作三维电路等等。 目前由于SOI的制作难度较大、成本高等问题，限制了它的应用。 3. 硅锗材料（SiGe/Si）接近成熟。它是在硅衬底上生长硅锗合金外延层。它可用于制作微波管、红外探测器及发光器件等。目前用此种材料制作异质结双极型晶体管（HBT）