微电子制造工艺Ch.pptx
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1、Chapter 2:Properties of Semiconductor Materials主要内容主要内容多种常见半导体材料的基本特性和用途常见材料的基本物理和化学性质主要材料的基本结构参数及测量2.1 常见的半导体材料及其物理和化学性质常见的半导体材料及其物理和化学性质2.1.1 常见的半导体材料 Se,最早期的半导体之一,硒整流器,硒光电池、光敏硒鼓;(已经很少用)Ge,早期的半导体,射线探测器;(昂贵)Si,最重要的半导体,除发光以外的所有半导最重要的半导体,除发光以外的所有半导体器件,(体器件,(IC,分离器件,敏感器件,分离器件,敏感器件,MEMS)a-Si(amorphous)
2、,太阳能电池,应用薄膜Porous Si,发光C(金刚石),潜在的高温、高频、高压、大功率器件材料 C60纳米碳管GaAs,高频、微波器件、发光,高频、微波器件、发光InP,高频、微波器件、发光高频、微波器件、发光GaP,发光,发光Ge1-xSix,高频异质结材料,高频异质结材料 SiC,高温、高频、高压、大功率器件材料,高温、高频、高压、大功率器件材料 GaN,ZnO,蓝光材料和深紫外探测蓝光材料和深紫外探测AlxGa1-xAs,发光发光HgCdTe、PbSnTe,长波红外探测,长波红外探测各种超晶格材料,各种超晶格材料,(能带工程)磁性、超导、有机半导体和生物半导体自旋半导体(MnxGa1
3、-xAs)Physical Properties Related to the Devices禁带宽度、禁带宽度、最高工作温度、最高工作温度、击穿(临界)电场、击穿(临界)电场、饱和漂移速度(电子饱和漂移速度(电子/空穴)、空穴)、迁移率(电子迁移率(电子/空穴)、空穴)、热导率热导率p 型型n 型型自建电场自建电场=VD/(Xp+Xn),VD为为pn结接触电势结接触电势耗尽区宽度:耗尽区宽度:Xp、Xn非均匀分布导致扩散,并非均匀分布导致扩散,并形成扩散电流形成扩散电流Id。受主和施受主和施主离子形成自建电场;主离子形成自建电场;电电场阻止载流子扩散(载流场阻止载流子扩散(载流子在电场中形成
4、与扩散电子在电场中形成与扩散电流相反的流相反的漂移电流漂移电流),最),最后达到动态平衡,后达到动态平衡,总电流总电流为为0。在正向偏置在正向偏置VF时,时,耗尽区耗尽区(势垒区)电场减小(势垒区)电场减小,扩扩散电流大于漂移电流而形散电流大于漂移电流而形成净的正向电流成净的正向电流;当当VFVD时,扩散电流与时,扩散电流与漂移漂移电流电流同方向正向电流加大,同方向正向电流加大,pn结导通结导通。反向偏置反向偏置VR时,耗尽区宽时,耗尽区宽度(势垒)加大,扩散被度(势垒)加大,扩散被阻止,耗尽区无载流子即阻止,耗尽区无载流子即无漂移电流。无漂移电流。事实事实:IR=I漏漏=I产生产生+I场发射
5、场发射XpXn扩散扩散复合复合正正偏偏反反偏偏如何选择材料?如何选择材料?-1 1(双极器件)(双极器件)频率频率!电压电压!因而有因而有 频率频率电流电流!频率频率功率功率!如何选择材料?如何选择材料?-2-2(材料品质因子)材料品质因子)Johnson因子因子F1=ECVSE.O.Johnson,RCA Review,26(6),1965,163-177此外还有对双极开关器件的此外还有对双极开关器件的Keyes因子因子 为热导率;为热导率;低频单极器件的低频单极器件的Baliga因子因子高频单极器件的高频单极器件的Baliga因子因子R.W.Keyes,Proc.IEEE,60(2),19
6、72,225;B.J.Baliga,IEEE Electron Device Lett.,EDL-2,1981,162-164如何选择材料?如何选择材料?-3(-3(热品质因子)热品质因子)工作温度!工作温度!如何选材?如何选材?能带结构!能带结构!材料可生长性!缺陷(含界面)的可控性!材料可生长性!缺陷(含界面)的可控性!可氧化性!可掺杂性!可氧化性!可掺杂性!半导体材料的主要物理参数半导体材料的主要物理参数固有物理参数:固有物理参数:晶体结构(类型、晶格常数等)晶体结构(类型、晶格常数等)能带结构(直接能带结构(直接/间接、子能谷等)间接、子能谷等)熔点、膨胀系数熔点、膨胀系数介电常数、临
7、界电场、饱和漂移速率等介电常数、临界电场、饱和漂移速率等迁移率(迁移率(晶格散射晶格散射)可变物理参数:可变物理参数:导电类型与电阻率导电类型与电阻率迁移率(迁移率(电离散射电离散射)少数载流子寿命少数载流子寿命半导体工业常用的其它材料半导体工业常用的其它材料(硅器件硅器件):结构材料:结构材料:二氧化硅、多晶硅二氧化硅、多晶硅等等参杂材料(施主参杂材料(施主/受主、复合中心):受主、复合中心):磷、硼、砷、金等磷、硼、砷、金等接触与连线材料(肖特基接触、欧姆接触、复合接接触与连线材料(肖特基接触、欧姆接触、复合接触、连线):触、连线):铝、金、镍、铜、钛、钨及其氧化物铝、金、镍、铜、钛、钨及
8、其氧化物等等与器件工艺有关的化学特性与器件工艺有关的化学特性Si:常温下常温下:1)一般不溶于各种酸一般不溶于各种酸2)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H2 3)Si+4HNO3 SIO2+4NO2 +2H2OSiO2+6HF H2SiF6+2H2O即:即:Si+4HNO3+6HF H2SiF6+4NO2 +4H2O3)与与Cu+2,Cr+2等金属离子发生置换反应等金属离子发生置换反应(抛光工艺)(抛光工艺)高温下高温下:1)Si+2Cl2=SiCl4 Si+HCl4 SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH42)Si+O2=SiO23)Si+H2O=SiO2+H2GaAs:
9、1)GaAs=Ga+As2)在室温下一般不与HCl、H2SO4、HF3)与热HCl、H2SO4反应 与浓HNO3反应 H2SO4+H2O2是常用的GaAs腐蚀液4)与卤素Cl2、Br2或I2(在甲醇等有机溶剂中)反应1200C10501150C10501150C600C通常关心的化学性质通常关心的化学性质:1)热稳定性()热稳定性(thermal stability)(物理过程)(物理过程)2)腐蚀液腐蚀液?(无机、有机)(无机、有机)For cleaning and etching!(腐蚀和抗腐蚀工艺中腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度浓度 和和缓冲剂缓冲剂的重要性的重要性)(腐蚀过程中对(腐蚀过程中对
10、晶向晶向和和缺陷缺陷的的选择性选择性)我们需要掌握所有用到的材料的我们需要掌握所有用到的材料的化学性质化学性质(腐蚀、抗腐蚀)(腐蚀、抗腐蚀)和和热稳定性热稳定性(组分稳定、扩散、热膨胀)(组分稳定、扩散、热膨胀)!2.2半导体材料的晶体结构半导体材料的晶体结构2.2.1.Si,GaAs,SiC 的晶体结构Si金刚石结构金刚石结构GaAs闪锌矿zinc-blende,立方硫化锌SiC200余种同质多构体-SiC、zinc-blende,or 3C-SiC(Cubic)-SiC、Wurtzite,纤锌矿(六角硫化锌)密堆积的不同方式(简单面心)A AB ABA ABC复式格子密堆积(双层密排)(
11、page10)AB?Side ViewTop Viewk-bilayerh-bilayer不同的堆积3C、(2H)、4H、6H、15R、27R由k-bilayer 和h-bilayer构成的“超晶格”k-位和h-位使晶体中的缺陷结构复杂化2.2.2.晶面、晶向及测定一些物理、化学性质的各向异性解理腐蚀氧化生长扩散表面态迁移率Page28SiC的Si-face 和C-facex-ray 衍射激光定向最佳解理面111最佳划片方向1102.3 半导体中的缺陷和杂质半导体中的缺陷和杂质施、受主杂质施、受主杂质Si:O、C杂质杂质GaAs:施主:施主S、Te等(等(As-site)受主受主Zn等(等(G
12、a-site)Si As-site和和Ga-siteSiC:施主施主N(C-site)、)、P(Si-site)受主受主B、Al等(等(Si-site)杂质浓度和电阻率杂质浓度和电阻率测量:测量:Hall-effect、四探针法、单探针(扩展电阻)法、四探针法、单探针(扩展电阻)法IR、热探针、热探针4.热探针热探针PNNPHotCool点缺陷:反位缺陷线缺陷(位错)page 12面缺陷(层错)体缺陷(原子团,旋涡等)测量:1)腐蚀坑显微测量2)缀饰红外透视3)透射电子显微2.3.3.杂质:O(10171018cm-3)总量控制增加机械强度、杂质吸除效应、氧施主 page2426C(10161
13、017cm-3)减小机械强度Fe(1011cm-3)少子寿命、吸附 体缺陷Au、Pt(10151016cm-3)控制少子寿命N固溶度:P.12替位式固溶体间隙式固溶体?常用测量方法:常用测量方法:Photo Spectrum光源光源探探测测器器Wavelength adjustablesample?半导体材料对光的吸收半导体材料对光的吸收机理机理?原子吸收原子吸收能带吸收能带吸收XPS(价态的影响)(价态的影响)Photo Absorption SpectrumIR(Infrared):(FTIR)PLRaman晶格吸收晶格吸收IR(Infrared):杂质使晶格振动的正则模式产生变化,而杂质
14、使晶格振动的正则模式产生变化,而出现局域摸声子;若光子(出现局域摸声子;若光子(IR)的频率与声子)的频率与声子同则产生吸收同则产生吸收(共振吸收)。红外吸收强度正共振吸收)。红外吸收强度正比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方,这一矩阵元比于电偶极矩跃迁矩阵元的平方,这一矩阵元不为不为0,方有红外活性。,方有红外活性。Cz-Si中的O、C含量MCz-Si用途(红外透明)红外透明)IR(FTIR)光源光源 探测器探测器Wavelength adjustablesample探测器探测器computerreferenceSiO2薄膜Annealing property吸收带边吸收带边红外成象器红外成象器(P
15、t-Si Schottky 势垒中红外势垒中红外CCD成成象单元象单元)问题:窄禁带半导体材料有很好的红外光电性质问题:窄禁带半导体材料有很好的红外光电性质但是,高质量材料制备难,或只能制作二极管探测单元;但是,高质量材料制备难,或只能制作二极管探测单元;而而Si是红外透明的。是红外透明的。PtSiPt2Si红外红外耗尽区特点:光生载流子刚好能越过势垒常用测量方法:DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)Fig.2-1.Majority carrier(electron in the P+N junction)and minority carrier(ho
16、le)captures(a)and emissions processes(b)in the n-side depletion layer W during the change process of the depletion region due to the pulsed bias(c),here Xi and Xf are the initial and final edge positions of the depletion layer.The minority carrier emission and capture occur only when a positive bias
17、 is applied to fill the minority carrier during the capture time.CarrierEmissionJunctionP+N-WCarrierCaptureXiXfEmission time tCapture Time tpBias voltage-(VR-Vp)Time(t)0VpVR(a)(c)(b)XfXiWNP+Fig.2-2.Typical time dependences involved in pulsed bias capacitance transients due to the carrier emissions f
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