第2章　從硅石到晶圓

2.1 半導(dǎo)體硅材料

2.1.1 硅是目前最重要的半導(dǎo)體材料

作為半導(dǎo)體材料，使用最多的是硅(Si)，其在地球表面的元素中儲(chǔ)量?jī)H次于氧，排行第二。在路邊隨手撿起一塊石頭，里面就含有相當(dāng)量的硅。可惜的是，這種硅并不是硅單質(zhì)，而是與氧結(jié)合在一起而存在的。要想用于半導(dǎo)體，首先應(yīng)使二者分離，制成單質(zhì)硅。

所謂單晶，是指原子在三維空間中呈規(guī)則有序排列的結(jié)構(gòu)，其中體積最小且對(duì)稱性高的最小重復(fù)單元稱為晶胞。換句話說(shuō)，單晶是由晶胞在三維空間中周期性堆砌而成的。

圖1給出Si原子的核外電子排布、結(jié)合鍵以及載流子遷移率等參數(shù)。單晶硅與金剛石(C)、鍺(Ge)都具有 “金剛石結(jié)構(gòu)”（圖2），每個(gè)晶胞中含有8個(gè)原子。硅單晶中，每個(gè)硅原子與其周圍的4個(gè)硅原子構(gòu)成4個(gè)共價(jià)鍵，因此晶體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。

硅原子會(huì)形成4個(gè)共價(jià)鍵，這是由硅的化學(xué)本性，或說(shuō)在周期表中的位置決定的。硅的原子序數(shù)是14，在元素周期表中位于第Ⅳ族，硅原子有14個(gè)電子，最外殼層有4個(gè)電子。因此，硅在與其他元素形成共價(jià)鍵時(shí)，表現(xiàn)為4價(jià)，這便是硅穩(wěn)定性的原因。硅通過(guò)摻雜3價(jià)的B可以形成p型半導(dǎo)體，通過(guò)摻雜5價(jià)的P可以形成n型半導(dǎo)體。特別是硅可以通過(guò)簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行氧化得到的氧化硅膜具有良好的絕緣性。

地殼中含硅量約為27.72%。這種“不稀罕的元素”在集成電路中卻大有用武之地，真可謂“天賜之物”！自半導(dǎo)體集成電路發(fā)明以來(lái)，硅作為不可替代材料的基礎(chǔ)地位一直未發(fā)生動(dòng)搖，今后也不會(huì)發(fā)生動(dòng)搖。近年來(lái)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的興起，進(jìn)一步凸顯了硅材料的重要性。

2.1.2 單晶硅中的晶體缺陷

即使在規(guī)則排列的單晶硅中，源于石英坩堝的氧及碳等雜質(zhì)，在實(shí)際的單晶中，仍然存在著這樣或那樣的不規(guī)則性，稱其為晶格缺陷。晶格缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。

點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中包括由外部進(jìn)入晶格的金屬雜質(zhì)原子，由規(guī)則格點(diǎn)失去原子而形成的空位，由于離位原子進(jìn)入晶格間隙而形成的晶格間隙原子等。在CZ法拉制的單晶中，由于溶入來(lái)源于高溫狀態(tài)石英坩堝中的氧，在單晶拉制后的冷卻過(guò)程中成為過(guò)飽和狀態(tài)而殘存于晶體內(nèi)，并變?yōu)辄c(diǎn)缺陷。這種硅單晶內(nèi)的點(diǎn)缺陷的種類如圖（d）所示。

對(duì)器件特性產(chǎn)生重大影響的晶格缺陷是位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)。位錯(cuò)是一種線缺陷，是由外加應(yīng)力作用下，某些晶面上下的兩部分晶體發(fā)生局部相對(duì)滑移而產(chǎn)生的。根據(jù)局部滑移方向與位錯(cuò)線之間的關(guān)系，位錯(cuò)有刃型、螺型及混合型位錯(cuò)之分。

面缺陷中有孿晶界面和堆垛層錯(cuò)等。特別是堆垛層錯(cuò)，屬于在氧化和熱處理等過(guò)程中發(fā)生的缺陷，表現(xiàn)為最密排的（111）面堆垛中插入或抽出一層，由于密排面的堆垛次序發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不連續(xù)性。即使是高品質(zhì)的晶圓，在初期階段或器件制造過(guò)程中也都會(huì)發(fā)生各種各樣的缺陷。

例如，在三極管的制作過(guò)程中，必須要對(duì)晶圓進(jìn)行各種熱處理。對(duì)于厚度極薄而面積很大的晶圓來(lái)說(shuō)，溫度分布的些許偏差和受力的不均勻（即使自重也會(huì)使然）都會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及翹曲等。在高溫下，這些應(yīng)力、應(yīng)變會(huì)使晶圓發(fā)生局部滑移，產(chǎn)生位錯(cuò)等。

對(duì)上述這些晶體缺陷的控制極為重要，基于長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)誤的總結(jié)，是各個(gè)廠商的高度的技術(shù)秘密。

2.1.3 pn結(jié)中雜質(zhì)的能級(jí)

宏觀半導(dǎo)體材料中，自由載流子的數(shù)目是相當(dāng)大的，因而通常可以用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的定律來(lái)描述。考慮泡利（Pauli）不相容原理，熱平衡時(shí)電子的分布滿足費(fèi)米-狄拉克（Fermi-Dirac)分布。其中E_f為費(fèi)米能級(jí)，是一個(gè)參考能級(jí)。該分布函數(shù)描述能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的概率。而整個(gè)系統(tǒng)中的費(fèi)米能量必須具有統(tǒng)一的值，以保證熱平衡時(shí)電子傳輸要求達(dá)到平衡。

未摻雜的本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央。當(dāng)摻入施主雜質(zhì)或者受主雜質(zhì)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的位置發(fā)生變化，費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置與摻雜濃度有關(guān)。n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)E_fn，更靠近導(dǎo)帶E_c。p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)E_fp，更靠近價(jià)帶E_v。當(dāng)兩種不同摻雜類型的半導(dǎo)體相接觸時(shí)，兩部分半導(dǎo)體整體的費(fèi)米能級(jí)趨于一致，而遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)域的部分各個(gè)能級(jí)相對(duì)位置保持不變，與原有摻雜情況下的能級(jí)分布保持一致，因?yàn)榻麕挾葹槌?shù)E_g，所以在過(guò)渡區(qū)附近導(dǎo)帶和價(jià)帶隨位置變化而發(fā)生變化（圖1）。由于導(dǎo)帶與價(jià)帶隨位置的變化，電場(chǎng)強(qiáng)度為電勢(shì)對(duì)位置的微分，由此產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)，其方向?yàn)橛蒼型半導(dǎo)體指向p型半導(dǎo)體。載流子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，直到新的電荷分布使系統(tǒng)達(dá)到平衡。

表1給出了主要半導(dǎo)體的物性值。

2.1.4 按電阻對(duì)絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的分類

“半導(dǎo)體”這個(gè)詞現(xiàn)在似乎無(wú)人不知、無(wú)人不曉，但仔細(xì)琢磨一下，其中卻大有文章。銅導(dǎo)線等能順利導(dǎo)電的物質(zhì)稱為“導(dǎo)體”；相反，玻璃杯等不導(dǎo)電的物質(zhì)稱為“絕緣體”；性質(zhì)介于二者之間的稱為“半導(dǎo)體”。

物質(zhì)不同，通過(guò)電流的難易程度之所以存在差別，在于物質(zhì)的“電阻的大小”不同。電阻越大，電流越難通過(guò)；電阻越小，電流越容易順利通過(guò)。

粗略地講，根據(jù)各種物質(zhì)電阻大小的不同可將其分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。應(yīng)該指出的是，兩塊相同的材料，做成不同形狀其電阻會(huì)有很大差別。因此，若用電阻率而非電阻進(jìn)行考查，則電阻率僅由材料本身決定。

如圖1中所看到的，同屬于半導(dǎo)體，但其電阻率卻分布在10¹³倍的寬廣范圍內(nèi)，這是半導(dǎo)體材料的主要特征之一。

為什么半導(dǎo)體的電阻率存在如此之大的差別呢？

這是因?yàn)椋词雇瑸榘雽?dǎo)體，其所處的狀態(tài)不同，電阻率會(huì)發(fā)生很大的變化。例如，在幾乎完全不含雜質(zhì)(本征半導(dǎo)體)、原子呈規(guī)則排列的單晶狀態(tài)下，電阻率就會(huì)相當(dāng)高。也就是說(shuō)，電流幾乎不能通過(guò)。

然而，在相同的半導(dǎo)體物質(zhì)中，哪怕是添加極微量的雜質(zhì)(摻雜半導(dǎo)體)，其原有的高電阻率也會(huì)急劇下降。由此，電流會(huì)較方便地通過(guò)其中。

除了是否含有雜質(zhì)之外，在半導(dǎo)體中還有由單一元素構(gòu)成的“元素半導(dǎo)體”，由兩種以上元素的化合物構(gòu)成的“化合物半導(dǎo)體”，以及由某些金屬氧化物構(gòu)成的“氧化物半導(dǎo)體”等各種類型（見圖1、圖2）。

認(rèn)為“半導(dǎo)體就是硅”的人恐怕不少。實(shí)際上半導(dǎo)體材料有很多種類，可按不同的使用要求，合理選擇。