1、一、微電子材料概述1、摩爾定律：集成度每3年乘以4，加工工藝的特征線寬每6年下降一半。摩爾定律中提到的減少成本是集成電路最大的吸引力之一，并且隨著技術(shù)發(fā)展，集成化程度越高，低成本的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。2、3、2010年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院將2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位教授 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，以表彰他們對(duì)石墨烯的研究。石墨烯是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄和的強(qiáng)度最高的材料。4、目前全球最主要的晶圓代工廠包括TSMC、三星、臺(tái)聯(lián)電、GlobalFoundries、IBM、SMIC、華虹宏力等 。 5、特征尺寸繼續(xù)縮小所面臨的挑戰(zhàn)包括：

2、1、微細(xì)加工光刻技術(shù)；2、互連技術(shù)銅互連；3、新型器件結(jié)構(gòu)&材料體系高、低K介質(zhì)、金屬柵電極、 SOI材料等。6、在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而導(dǎo)體中只有自由電子這一種載流子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的不同之處。7、在摻入雜質(zhì)后，載流子的數(shù)目都有相當(dāng)程度的增加。因而對(duì)半導(dǎo)體摻雜是改變半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的有效方法。二、硅和鍺的化學(xué)制備1、根據(jù)物質(zhì)的導(dǎo)電性,物質(zhì)可以分為金屬、半導(dǎo)體及絕緣體，人們發(fā)現(xiàn)，電子在最高能帶的占有率決定此物質(zhì)的導(dǎo)電性。2、根據(jù)材料的重要性和開(kāi)發(fā)成功的先后順序,半導(dǎo)體材料可以分為三代： 第一代半導(dǎo)體材料-硅(Si)； 第二代半導(dǎo)體材料-砷化鎵(GaAs)； 第三代半

3、導(dǎo)體材料-氮化鎵(GaN)。3、（物理性質(zhì)）硅的禁帶寬度比鍺大，電阻率也比鍺大4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此硅可制作高壓器件且工作溫度比鍺高。但是鍺的遷移率比硅大，可做低壓大電流和高頻器件4、硅的主要來(lái)源是石英砂，另外，在許多的礦物中含有大量的硅酸鹽，也是硅的來(lái)源之一。 通常把95%-99%純度的硅稱為粗硅或工業(yè)硅。5、制備高純硅主要采用兩種方法：三氯氫硅氫還原法和硅烷法，兩種方法各有利弊。其中三氯硅烷法（SiHCl3)F 產(chǎn)量大、質(zhì)量高、成本低，是目前國(guó)內(nèi)外制取高純硅的主要方法。F 利用了制堿工業(yè)中的副產(chǎn)物氯氣和氫氣，成本低，效率高F 三氯硅烷遇水會(huì)放出腐蝕性的氯化氫氣體，腐蝕設(shè)備，造成Fe、Ni等重金屬

4、污染三氯硅烷而硅烷法（SiH4)F 有效去除雜質(zhì)硼及其他金屬雜質(zhì)，無(wú)腐蝕性、不需要還原劑、分解溫度低，收率高。F 消耗Mg，硅烷本身易燃、易爆三、區(qū)熔提純1、區(qū)熔提純是一種物理提純方法，是為了得到半導(dǎo)體級(jí)純度（9到10個(gè)9）的硅，為進(jìn)一步晶體生長(zhǎng)作準(zhǔn)備。2、分凝現(xiàn)象（偏析現(xiàn)象）： 含量少的雜質(zhì)在晶體和熔體中的濃度不同分凝系數(shù)： 用來(lái)衡量雜質(zhì)在固相和液相中濃度的不同3、材料錠條全部熔化后,使其從一端向另一端逐漸凝固,這樣的凝固方式叫正常凝固。 正常凝固過(guò)程中存在分凝現(xiàn)象, 所以錠條中雜質(zhì)分布不均勻。當(dāng)分凝系數(shù)與1相差較大時(shí)(小于0.1或大于3)，雜質(zhì)濃度隨錠長(zhǎng)變化較快,雜質(zhì)向錠的一端集中, 正常

5、凝固有一定的提純作用。4、區(qū)熔提純：利用分凝現(xiàn)象將物料局部融化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長(zhǎng)從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次使雜質(zhì)盡量被集中在尾部或頭部，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純的技術(shù)。5、一次區(qū)熔后,材料的純度仍然達(dá)不到半導(dǎo)體器件的純度要求,所以要進(jìn)行多次區(qū)熔,使得各種雜質(zhì)盡可能的趕到錠條的兩頭。經(jīng)過(guò)多次區(qū)熔提純后,雜質(zhì)分布狀態(tài)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且不再改變的狀態(tài),這種極限狀態(tài)叫極限分布，影響雜質(zhì)濃度極限分布的主要因素是雜質(zhì)的分凝系數(shù)和熔區(qū)長(zhǎng)度。6、區(qū)熔法晶體生長(zhǎng)，可以分為水平區(qū)熔和懸浮區(qū)熔，硅單晶生長(zhǎng)采用懸浮區(qū)熔的原因是：高溫下硅很活潑,易反應(yīng)； 懸浮區(qū)熔可使之不與任何材料接觸； 熔硅表面張力

6、大，而密度小的特點(diǎn)，可使熔區(qū)懸浮。四、晶體生長(zhǎng)1、晶體生長(zhǎng)有三種方法：固相生長(zhǎng)，液相生長(zhǎng)（溶液中生長(zhǎng)，熔體中生長(zhǎng)），氣相生長(zhǎng)2、晶體生長(zhǎng)中的成核階段分為，均勻成核（自發(fā)成核）和非均勻成核（非自發(fā)成核），其中非均勻成核（非自發(fā)成核）是指在體系中存在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)(塵埃,固體顆粒,籽晶等), 在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)上成核，例如硅單晶生長(zhǎng)時(shí)籽晶的加入。3、單晶硅按晶體生長(zhǎng)方法的不同，分為直拉法、區(qū)熔法和外延法。其中直拉法、區(qū)熔法多用于生長(zhǎng)單晶硅棒，外延法生長(zhǎng)單晶硅薄膜。4、直拉法生長(zhǎng)單晶硅和鍺是指在盛有熔硅或鍺的坩堝內(nèi)，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場(chǎng)，將籽晶旋轉(zhuǎn)并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長(zhǎng)大。

7、其生長(zhǎng)設(shè)備示意圖如圖所示。籽晶與熔體表面接觸，并旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向與坩鍋的旋轉(zhuǎn)方向相反。直拉法的兩個(gè)主要參數(shù)：拉伸速率，晶體旋轉(zhuǎn)速率。5、直拉法(CZ)的工藝過(guò)程：1）.籽晶熔接: 加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發(fā)一定時(shí)間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊2）.引晶和縮頸：當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸。此時(shí)要控制好溫度，當(dāng)籽晶與熔體液面接觸，浸潤(rùn)良好時(shí)，可開(kāi)始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結(jié)晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”。“縮頸”是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多

8、晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于20mm。3）.放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。4）.等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速不變。5）.收晶：晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面五、硅、鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷1、單晶生長(zhǎng)時(shí)，雜質(zhì)分布不均勻會(huì)造成橫向和縱向電阻率不均勻。可以采用變速拉晶法（先用大拉速，再用小拉速）控制直拉法單晶縱向電阻率的均勻性。2、為了獲得徑向（橫向）電阻率均勻的單晶，

9、必須調(diào)平固液界面。3、硅鍺單晶中位錯(cuò)產(chǎn)生的原因：P籽晶體內(nèi)原有位錯(cuò)P籽晶表面損傷P由于外界的振動(dòng)、外加應(yīng)力、熱起伏等而使籽晶或單晶中位錯(cuò)倍增。P固液交界面過(guò)冷4、硅、鍺晶體生長(zhǎng)時(shí)雜質(zhì)的摻雜分為共熔法（不易揮發(fā)的雜質(zhì)材料）和投雜法（容易揮發(fā)的雜質(zhì)材料）5、硅鍺單晶中有害雜質(zhì)包括：金屬雜質(zhì)、氧污染、硅中的碳。其中金屬雜質(zhì)會(huì)引入載流子，且能引入深能級(jí)，導(dǎo)致器件性能降低，甚至失效。通常采用化學(xué)腐蝕去除表面金屬雜質(zhì)。氧是直拉（Cz）硅中含量最高雜質(zhì)，它在硅中行為也很復(fù)雜。總的說(shuō)來(lái)，硅中氧既有益也有害。氧雜質(zhì)可增加晶體的機(jī)械強(qiáng)度，避免硅片在器件工藝的熱過(guò)程中發(fā)生型變（如彎曲翹曲等）。但是它會(huì)形成熱施主，引

10、起硅單晶電阻率變化，還會(huì)發(fā)生析出生成氧成淀。碳在硅中不引入電活性缺陷，不影響單晶硅的載流子濃度。但是當(dāng)碳濃度超過(guò)其固溶度時(shí)，會(huì)有微小的碳沉淀生成，影響器件的擊穿電壓和漏電流。六、硅的外延生長(zhǎng)1、根據(jù)根據(jù)外延層性質(zhì)，可將外延分為同質(zhì)外延（外延層與襯底同種材料）和異質(zhì)外延（外延層與襯底不同材料）；根據(jù)外延生長(zhǎng)方法，可分為直接外延（是用加熱、電子轟擊或外加電場(chǎng)等方法使生長(zhǎng)的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長(zhǎng).如真空淀積，濺射，升華等）和間接外延（是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長(zhǎng)外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相淀積（chemical vapor deposition,CVD）。CVD生

11、長(zhǎng)的薄膜未必是單晶，所以嚴(yán)格講只有生長(zhǎng)的薄膜是單晶的CVD才是外延生長(zhǎng)；根據(jù)相變過(guò)程，可分為氣相外延（對(duì)于硅外延，應(yīng)用最廣泛）、液相外延、固相外延2、外延層中雜質(zhì)來(lái)源很多，總的載流子濃度N總可以表示為： N總N襯底±N氣±N鄰片±N擴(kuò)散±N基座±N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度分量N氣：外延層中來(lái)自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量N鄰片：外延層中來(lái)自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量N擴(kuò)散：襯底中雜質(zhì)經(jīng)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層的雜質(zhì)濃度分量N基座：來(lái)自基座的雜質(zhì)濃度分量N系統(tǒng)：除上述因素外整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯底片，因此稱為外摻雜N擴(kuò)散，N襯底，N鄰片的雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，通稱為自摻雜3、自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層4、硅外延層的缺陷分類： 1、表面缺陷，也叫宏觀缺陷 如云霧，劃道，亮點(diǎn)，塌邊，角錐，滑移線等 2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷 如層錯(cuò)，位錯(cuò)七、1、當(dāng)電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，不需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。這類半導(dǎo)體稱為直接帶隙半導(dǎo)體。 如：砷化鎵；當(dāng)電子從硅的價(jià)帶頂部轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶最低點(diǎn)時(shí)，不僅需要能量轉(zhuǎn)換(Eg),也需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換(pC)。這類半導(dǎo)體稱為