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一文讀懂半導(dǎo)體材料

晶體結(jié)構(gòu)

晶體可分為單晶和多晶，若在整塊材料中，原子都是規(guī)則的、周期性的重復(fù)排列的，一種結(jié)構(gòu)貫穿整體，這樣的晶體稱為單晶，如石英單晶，硅單晶，巖鹽單晶等。多晶是由大量微小的單晶隨機(jī)堆砌成的整塊材料。實(shí)際的晶體絕大部分是多晶，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。由于多晶中各晶粒排列的相對(duì)取向各不相同，其宏觀性質(zhì)往往表現(xiàn)為各向同性，外形也不具有規(guī)則性。

半導(dǎo)體材料硅、鍺等都屬金剛石結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)可以看成是沿體對(duì)角線相互錯(cuò)開四分之一對(duì)角線長(zhǎng)度的面心立方元胞套構(gòu)而成的。

晶面與晶向

晶體具有各向異性的特征，在研究晶match體的物理特征時(shí)，通常必須標(biāo)明是位于什么方位的面上或沿晶體的什么方向，為此引入晶面與晶向的概念。為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面，國(guó)際上通用密勒指數(shù)來統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。

晶向指數(shù)

以晶胞的某一陣點(diǎn)O為原點(diǎn)，過原點(diǎn)O設(shè)定坐標(biāo)軸X、Y、Z，以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位；過原點(diǎn)O作一平行于待定晶向的直線，在該直線上選取距原點(diǎn)O最近的一個(gè)陣點(diǎn)，確定此點(diǎn)的3個(gè)坐標(biāo)值；將這3個(gè)坐標(biāo)值化為最小整數(shù)u，v，w，加以方括號(hào)。[u v w]即為待定晶向的晶向指數(shù)。

晶向指數(shù)代表所有相互平行、方向一致的晶向。

晶面指數(shù)

在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同；選出晶面族中不經(jīng)過原點(diǎn)的晶面，確定該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距；取各截距的倒數(shù)；將三倒數(shù)化為互質(zhì)的整數(shù)比，并加上圓括號(hào)，即表示該晶面的指數(shù)，記為( h k l )。

當(dāng)晶面的某一截距為負(fù)數(shù)時(shí)，在相應(yīng)的指數(shù)上部加“-”號(hào)。當(dāng)晶面與某一坐標(biāo)軸平行時(shí)，則認(rèn)為晶面與該軸的截距為∞，其倒數(shù)為0。

晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表所有相互平行的晶面。

晶體中的缺陷

按在空間的幾何構(gòu)型可將缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。

點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是以晶體中空位、間隙原子、雜質(zhì)原子為中心，在一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)的微觀區(qū)域內(nèi)，晶格結(jié)構(gòu)偏離嚴(yán)格周期性而形成的畸變區(qū)域。

線缺陷

晶體內(nèi)部偏離周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的一維缺陷為線缺陷。晶體中最重要的一種線缺陷是位錯(cuò)。

面缺陷和體缺陷

對(duì)于晶體來講，還存在面缺陷（層錯(cuò)）和體缺陷（包裹體）等。由于堆積次序發(fā)生錯(cuò)亂形成的缺陷叫做堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱層錯(cuò)。層錯(cuò)是一種區(qū)域性的缺陷，在層錯(cuò)以外的原子都是有規(guī)則排列的，它是一種面缺陷。當(dāng)摻入晶體中的雜質(zhì)超過晶體的固溶度時(shí)，雜質(zhì)將在晶體中沉積，形成體缺陷。

晶體中的雜質(zhì)

實(shí)踐表明，極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽?dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。

施主雜質(zhì)

向硅中摻入磷，磷原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子。這種雜質(zhì)，我們稱它為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。

受主雜質(zhì)

向硅中摻如硼，硼原子占據(jù)了硅原子的位置，其結(jié)果是形成一個(gè)負(fù)電中心和一個(gè)多余的空位。這種雜質(zhì)，我們稱它為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)。

現(xiàn)今，300mm的wafer技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著直徑的增大，其制造難度也相應(yīng)提高。

生長(zhǎng)單晶硅

目前制備單晶硅的主要方法有柴氏拉晶法（即CZ法）和懸浮區(qū)熔法，85%以上的單晶硅是采用CZ法生長(zhǎng)出來的。

單晶爐

單晶爐可分為四個(gè)部分：爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)以及氣體傳送系統(tǒng)。

爐體包括了爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個(gè)部分。爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分布以及很好的散熱；籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；摻雜勺內(nèi)放有需要摻入的雜質(zhì)；籽晶罩是為了保護(hù)籽晶不受污染。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要是控制籽晶和坩堝的運(yùn)動(dòng)。為了保證Si溶液不被氧化，對(duì)爐內(nèi)的真空度要求很高，一般在5Torr以上，加入的惰性氣體純度需在99.9999%以上。

生長(zhǎng)過程

（1）準(zhǔn)備工作

多晶硅的純度要很高，還要用氫氟酸對(duì)其進(jìn)行拋光達(dá)到清洗的目的；籽晶上的缺陷會(huì)“遺傳”給新生長(zhǎng)的晶體，所以在選擇籽晶時(shí)要注意避開缺陷；籽晶的晶向和所要生長(zhǎng)的晶體相同；籽晶要經(jīng)過清洗；根據(jù)待生長(zhǎng)晶體的導(dǎo)電類型選擇要摻入的雜質(zhì)；清洗雜質(zhì)；所有經(jīng)過清洗的材料用高純度的去離子水沖洗至中性，然后烘干，以備后用。

（2）裝爐
將經(jīng)過粉碎的多晶硅裝入石英坩堝內(nèi)；把籽晶夾到籽晶軸的夾頭上，蓋好籽晶罩；將爐內(nèi)抽為真空并沖入惰性氣體；檢測(cè)爐體的漏氣率是否合格。

（3）加熱熔硅
真空度符合要求，充滿惰性氣體就開始加熱。一般是用高頻線圈或電流加熱器來加熱的，后者常用于大直徑硅棒的拉制。在1420℃的溫度下把多晶和摻雜物加熱到熔融狀態(tài)。

（4）拉晶
拉晶過程分為以下五個(gè)步驟。
引晶，也叫下種。先將溫度下降到比1420℃稍低一些的溫度，將籽晶下降至距液面幾毫米處，對(duì)籽晶進(jìn)行2～3min的預(yù)熱，使熔融硅與籽晶間溫度平衡。預(yù)熱后，使籽晶與熔融硅液面接觸，引晶完成。

縮頸，引晶結(jié)束后，溫度上升，籽晶旋轉(zhuǎn)上拉出一段直徑為0.5～0.7cm的新單晶，這段單晶的直徑比籽晶細(xì)?？s頸的目的是為了消除籽晶原有的缺陷或引晶時(shí)由于溫度變化引起的新生缺陷。縮頸時(shí)的拉速較快一些，但不宜過快。拉速過大或直徑變化太大都容易導(dǎo)致生成多晶。