第2章　從硅石到晶圓

2.1 半導體硅材料

2.1.1 硅是目前最重要的半導體材料

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

所謂單晶，是指原子在三維空間中呈規則有序排列的結構，其中體積最小且對稱性高的最小重復單元稱為晶胞。換句話說，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、結合鍵以及載流子遷移率等參數。單晶硅與金剛石(C)、鍺(Ge)都具有 “金剛石結構”（圖2），每個晶胞中含有8個原子。硅單晶中，每個硅原子與其周圍的4個硅原子構成4個共價鍵，因此晶體結構十分穩定。

硅原子會形成4個共價鍵，這是由硅的化學本性，或說在周期表中的位置決定的。硅的原子序數是14，在元素周期表中位于第Ⅳ族，硅原子有14個電子，最外殼層有4個電子。因此，硅在與其他元素形成共價鍵時，表現為4價，這便是硅穩定性的原因。硅通過摻雜3價的B可以形成p型半導體，通過摻雜5價的P可以形成n型半導體。特別是硅可以通過簡單的方法進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”！自半導體集成電路發明以來，硅作為不可替代材料的基礎地位一直未發生動搖，今后也不會發生動搖。近年來光伏發電產業的興起，進一步凸顯了硅材料的重要性。

2.1.2 單晶硅中的晶體缺陷

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

點缺陷結構簡單，其中包括由外部進入晶格的金屬雜質原子，由規則格點失去原子而形成的空位，由于離位原子進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，由于溶入來源于高溫狀態石英坩堝中的氧，在單晶拉制后的冷卻過程中成為過飽和狀態而殘存于晶體內，并變為點缺陷。這種硅單晶內的點缺陷的種類如圖（d）所示。

對器件特性產生重大影響的晶格缺陷是位錯和堆垛層錯。位錯是一種線缺陷，是由外加應力作用下，某些晶面上下的兩部分晶體發生局部相對滑移而產生的。根據局部滑移方向與位錯線之間的關系，位錯有刃型、螺型及混合型位錯之分。

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

例如，在三極管的制作過程中，必須要對晶圓進行各種熱處理。對于厚度極薄而面積很大的晶圓來說，溫度分布的些許偏差和受力的不均勻（即使自重也會使然）都會產生熱應力、彎曲應力及翹曲等。在高溫下，這些應力、應變會使晶圓發生局部滑移，產生位錯等。

對上述這些晶體缺陷的控制極為重要，基于長期實踐經驗的積累和現場錯誤的總結，是各個廠商的高度的技術秘密。

2.1.3 pn結中雜質的能級

宏觀半導體材料中，自由載流子的數目是相當大的，因而通常可以用統計力學的定律來描述。考慮泡利（Pauli）不相容原理，熱平衡時電子的分布滿足費米-狄拉克（Fermi-Dirac)分布。其中E_f為費米能級，是一個參考能級。該分布函數描述能量為E的能級被電子占據的概率。而整個系統中的費米能量必須具有統一的值，以保證熱平衡時電子傳輸要求達到平衡。

未摻雜的本征半導體的費米能級位于禁帶中央。當摻入施主雜質或者受主雜質時，費米能級的位置發生變化，費米能級相對于導帶和價帶的位置與摻雜濃度有關。n型半導體的費米能級E_fn，更靠近導帶E_c。p型半導體的費米能級E_fp，更靠近價帶E_v。當兩種不同摻雜類型的半導體相接觸時，兩部分半導體整體的費米能級趨于一致，而遠離過渡區域的部分各個能級相對位置保持不變，與原有摻雜情況下的能級分布保持一致，因為禁帶寬度為常數E_g，所以在過渡區附近導帶和價帶隨位置變化而發生變化（圖1）。由于導帶與價帶隨位置的變化，電場強度為電勢對位置的微分，由此產生內建電場，其方向為由n型半導體指向p型半導體。載流子在電場的作用下運動，直到新的電荷分布使系統達到平衡。

表1給出了主要半導體的物性值。

2.1.4 按電阻對絕緣體、半導體、導體的分類

“半導體”這個詞現在似乎無人不知、無人不曉，但仔細琢磨一下，其中卻大有文章。銅導線等能順利導電的物質稱為“導體”；相反，玻璃杯等不導電的物質稱為“絕緣體”；性質介于二者之間的稱為“半導體”。

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

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

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

為什么半導體的電阻率存在如此之大的差別呢？

這是因為，即使同為半導體，其所處的狀態不同，電阻率會發生很大的變化。例如，在幾乎完全不含雜質(本征半導體)、原子呈規則排列的單晶狀態下，電阻率就會相當高。也就是說，電流幾乎不能通過。

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

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

認為“半導體就是硅”的人恐怕不少。實際上半導體材料有很多種類，可按不同的使用要求，合理選擇。