半导体信息功能材料

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1、半导体信息功能材料11级材料化学陈天炜01162033历史发展表明，半导体信息功能材料和器件是信息科学技术发展的物质基础和先导。晶体管的发明、硅单晶材料和硅集成电路(ICs)的研制成功，导致了电子工业大革命；光导纤维材料和以砷化镓为基础的半导体激光器的发明，超晶格、量子阱微结构材料和高速器件的研制成功，使人类进入到光纤通信、移动通信和高速、宽带信息网络的时代。纳米科学技术的发展和应用，极有可能触发新的技术革命，必将彻底地改变人类的生产和生活方式。信息技术涉及到信息的获取、发射、传输、接收、存储、显示和处理等方方面面。一.半导体信息功能材料与器件研究现状1.半导体硅

2、材料半导体硅材料(semiconductorsilicon)是最主要的元素半导体材料，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。制备结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO2)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度95%～99%)，然后将其变为硅的卤化物或氢化物，经提纯，以制备纯度很高的硅多晶。包括硅多晶的西门子法制备、硅多晶的硅烷法制备。在制造大多数半导体器件时，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅单晶。通常用直拉法或区熔法由硅多晶制得硅单晶。目前世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量约为9：1，直拉硅主要用于集成电路和晶体管

3、，其中用于集成电路的直拉硅单晶由于其有明确的规格，且其技术要求严格，成为单独一类称集成电路用硅单晶。区熔硅主要用于制作电力电子元件，纯度极高的区熔硅还用于射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。材料的纯度主要取决于硅多晶的制备工艺，同时与后续工序的玷污也有密切关系。材料的均匀性主要涉及掺杂剂，特别是氧、碳含量的分布及其行为，在直拉生长工艺中采用磁场(见磁控直拉法单晶生长)计算机控制或连续送料，使均匀性得到很大改善；对区熔单晶采用中子嬗变掺杂技术，大大改善了均匀性。在结构完整性方面，直拉硅单晶早已采用无

4、位错拉晶工艺，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其诱生缺陷与杂质的相互作用上。氧在热处理中的行为非常复杂。直拉单晶经300～500℃热处理会产生热施主，而经650℃以上热处理可消除热施主，同时产生氧沉淀成核中心，在更高温度下处理会产生氧沉淀，形成层错和位错等诱生缺陷，利用这些诱生缺陷能吸收硅中有害金属杂质和过饱和热点缺陷的特性，发展成使器件由源区变成“洁净区”的吸除工艺，能有效地提高器件的成品率。对硅单晶锭需经切片、研磨或抛光(见半导体晶片加工)后，提供给器件生产者使用。某些器件还要求在抛光片上生长一层硅外延层，此种材料称硅外延片。非晶硅材料具有连续无规的网格结构，

5、最近邻原子配位数和结晶硅一样，仍为4，为共价键合，具有短程有序，但是，键角和键长在一定范围内变化。由于非晶硅也具有分开的价带和导带，因而有典型的半导体特性，非晶硅从一晶胞到另一晶胞不具有平移对称性，即具有长程无序性，造成带边的定域态和带隙中央的扩展态，非晶硅属亚稳态，具有某些不稳定性。其制备方法有辉光放电分解法等(见太阳电池材料)。半导体硅材料与集成电路硅是当前微电子技术的基础材料，预计到本世纪中叶都不会改变。从提高硅ICs成品率、性能和降低成本来看，增大直拉硅单晶的直径，解决硅片直径增大导致的缺陷密度增加和均匀性变差等问题，仍是今后硅单晶发展的大趋势。预计由8英

6、寸向12英寸过渡的硅ICs工艺将在近年内完成，到2015年后，12英寸硅片将成为主流产品；随着极大规模硅ICs向更小线宽发展，是否需要研制更大直径的硅单晶材料，虽存争议，但更大直径的硅单晶(如18英寸等)研制也在筹划中。从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片将会成为硅材料发展的另一个主要方向。根据2007年版“国际半导体技术发展路线图”的预测，集成电路的特征线宽，2013年将进入32纳米技术代，晶体管物理栅长将是13nm，并于2016年进入到22纳米技术代，晶体管物理栅长将是9nln；到202

7、2年，那时的晶体管物理栅长将是4．5nln。这时硅CMOS技术将接近或达到它的“极限”，摩尔定律将受到物理(短沟场效应、绝缘氧化物量子隧穿效应、沟道掺杂原子统计涨落、功耗等)、技术(寄生电阻和电容、互连延迟、光刻技术等)和经济三方面(制造成本昂贵)的挑战。为克服上述器件物理和互连技术限制，人们一方面正在开发诸如高K栅介质、金属栅、双栅／多栅器件、应变沟道和高迁移率材料、铜互连技术(扩散阻挡层)、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和三维铜互连等；另一方面，在电路设计与制造方面，采用硅基微／纳器件混合电路、光电混合集成和系统集成芯片(SOC)技术等，来进一步提高硅ICs

8、的速度和功