半导体硅材料.pdfVIP

半导体硅材料

一、半导体及硅材料的发展

硅材料是重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子工业上使用的硅应具

有高纯度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，

它的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。

在介绍硅材料之前先简单地介绍一下半导体材料的发展历程。半导体材料经

历了几代的发展：第一代半导体是“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。

其中以硅基半导体技术较成熟，应用也较广，一般用硅基半导体来代替元素半导

体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到10GHz，硅基半导体集成电路芯片最

小设计线宽己经达到0.13μm，到2015年，最小线宽将达到0.07μm。第二代

半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）

和氮化镓(GaN)等为代表，包括许多其它III-V族化合物半导体。化合物半导体

的电子迁移率与硅半导体材料相比要快很多，因而被广泛应用于高频传输领域。

带三代半导体材料是宽禁带半导体材料，如SiC、GaN、ZnSe、金刚石以及SOI

等新型硅基材料等。

自1958年集成电路发明以来，半导体单晶硅材料以其丰富的资源，优良的

物理和化学性能成为生产规模最大、生产工艺最完善和成熟的半导体材料。由于

大规模工业生产高品质单晶硅对于计算机通讯系统、传感器、医疗设备、光伏器

件、卫星、宇宙飞船等都有重大影响，美国的贝尔实验室、德州仪器公司、欧洲

的菲利普、西门子和瓦克等全球大公司抓住了机遇成为初期的硅生产厂家。20

世纪50年代开发的西门子c制程包括有高品质的单晶硅、多熔区区域提纯硅和

悬浮区熔硅（FZ）等关键技术，这些技术后被瓦克公司采用，FZ硅片最初主要

是用于功率器件。切克劳斯基直拉工艺是另一种硅生产技术，CZ硅片用于德州

仪器和仙童公司设计的集成电路。1970年前后，多晶硅在MOS工艺中的首次应

用是MOS技术的一次关键突破，因为他利用了多晶硅的主要优势，从那时起，由

于多晶硅的诸多性质如雨硅技术中所使用的其他材料的兼容性，超过1000度的

温度稳定性，易于掺杂和氧化以及能够产生等角台阶覆盖，多晶硅已被用于各种

类型器件的制作中。1970-1976年，采用冷壁大气压反应炉进行多晶硅沉积，硅

栅PMOS和NMOS集成电路成为20世纪70年代早期半导体市场的主角。1976年，

低压化学气相沉积工艺被用于沉积多晶硅薄膜，从那时起lpcvd系统一直是用

于集成电路多晶硅沉积的主要手段。随着光伏产业的发展，由铸锭多晶硅生产的

太阳电池被认为是成本低、生产效率高而且转换效率损失不太大的唯一现存工

艺。铸锭技术必须用便宜的原材料，因为在切片过程中将损失60%原材料。由于

上述原因，光伏产业一直在使用微电子工业的不合格材料，目前光伏市场的增长

比微电子市场快，原材料的成本翻了3倍，其结果是硅原材料称为最严重的问题。

1975年，瓦克公司为替代传统的直拉技术生产廉价太阳电池衬底材料提出了一

种新的称为铸锭工艺的方法，随后世界上众多研究小组和公司开发了其他许多铸

锭工艺技术，例如Solarex（UCP）、Crystal-System（HEM）等。1981-1985年

间，OTC和SERI开发了一种感应加热的冷坩埚铸锭技术。1975年有三家公司同

时首次生产出硅带材料“web”带硅工艺，又有随后公司使用两个石墨模片的边

缘限制生产工艺（EFG工艺），采用激光熔化的带晶体生长工艺（RTR工艺），

法国公司开发了一种在炭片上沉积双面膜的RAD工艺。硅带技术正在迅速发展。

80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。硅还是有前途的太阳电池材料之一。

用多晶硅制造太阳电池的技术已经成熟；无定形非晶硅膜的研究进展迅速；非晶

硅太阳电池开始进入市场。

二、硅材料作为半导体的性质

半导体材料的电学性质特点：一是导电性介于导体和绝缘体之间,其电阻率

约在-410Ω.cm范围内；二是电导率和导电型号对杂质和外界因素(光/热/

10－10q

磁)高度敏感。无缺陷半导体的导电性很差，称为本征半导体。而硅具有优良的

半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.12电子伏。载流子迁移率较高，电子迁