半导体材料导论1

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1、半导体材料徐桂英材料学院无机非金属材料系第5章：半导体材料的制备第5章：半导体材料的制备为了满足第四章所提出的要求，以保证半导体器件的需要，发展了一系列的半导体材料制备工艺，其中大部分已在工业规模范围内得到实现。这些工艺大体可分为提纯、合成、单晶制备、晶片加工、外延生长等。每种工艺都有相应的分析检测方法以进行质量控制。不同的器件所要求的加工深度、质量参数也不尽相同。图5.1示出了大多数半导体材料的制备工艺与顺序以及在哪一步可提供制作器件的产品。图5.1半导体材料制备原则流程图原料高纯物质提纯单晶制备制作器件外延片外延生长磨

2、片切片抛光片晶片加工单晶棒高纯化合物多晶合成元素半导体多晶5.5.1纯度的概念材料的纯度可分为目的纯度与整体纯度两种。目的纯度是指对某种（些）特定杂质的含量要严格低于某些数值，而对其他杂质的含量则要求较宽的情况下的纯度。例如核工业用的石墨和金属锆等，前者的特定杂质为硼，后者为铪。整体纯度是指要控制材料中所有的或绝大部分杂质的情况。对半导体材料而言，多要求整体纯度或在整体纯度很高的前提下，对某些杂质提出更为严格的要求，例如对多晶硅中的硼含量。5.1提纯如何表征整体纯度是至今尚未完全解决的问题。一般用（1-SXi）×100%来

3、表示，其中Xi为分析所得各杂质的含量。得到的结果可简化为若干个”9”，因为“9“的英文是nine,”9”常用”N“来表示。例如杂质总含量为0.00035%，用上式计算得99.99965，称为5个“9”或5N纯度。这种表征方法的缺点是，对同一个对象而言，分析的杂质种类愈多，则SXi的值愈大，其表征纯度愈低，如果漏掉一个含量高的杂质，那它的表征数值不能确切地反映其真实的纯度。为了弥补这一缺点，常常在用上述方法标出其纯度的同时，说明分析了哪些元素及其含量。用一些物理的方法，例如用剩余电阻率比值，RRR=r300/r4.2，其中r

4、300为300K的电阻率，r4.2为液氦下电阻率，可以表征金属材料的整体纯度，但不能表明主要有哪些杂质以及它们的各自的含量是多少。因此要较全面地表征一些高纯元素，既要标出各种杂质的分析结果，即几个“9”，又要列出其RRR值。5.1.2提纯方法用于半导体材料的提纯方法较多，可分为两大类：一类是有其他物质参加化学反应的，称为化学提纯；另一类是不改变其化学主成分而直接进行提纯的，称为物理提纯。化学提纯的方法有电解法、萃取法、化合物精馏法、络合物法、化学吸附法等；物理提纯的方法有真空蒸发法、区熔法、直拉单晶法等。现将提纯的主要方法

5、的特征与应用列入表5.1。表5.1主要提纯方法的特征与应用从表中可以看出，每种方法都有自己的提纯原理，正因为如此，所以每种方法不是对所有的主体物质、所有的杂质都有效。而半导体材料所要求的又是很高的整体纯度，因此通常的作法是用两种或两种以上的方法组成工艺流程，这样就可通过方法间的相互补充以达到所需的纯度。例如区熔法可将锗提纯到很高的纯度，但此法要求原料有较高的纯度（>6N)，且去除杂质砷的效果不佳，为此，先将锗进行萃取或精馏，将整体纯度提高并有效地除去砷，再进行区熔提纯，就可达到很高的纯度。当材料提纯到较高的纯度时，污染就成

6、为能否进一步提纯的制约因素。污染来自容器、试剂、大气、人体等。减少与消除污染的措施有：选择不污染的容器材质、使用纯度高的试剂、使用超纯气体、设立超净厂房、使用专门的工作服与采取净化措施等。在工艺流程的选择方面，要把提纯效果最佳而污染最小的方法放在最后的工序。5.1.3化学提纯在半导体材料的提纯工艺流程中，一般说来，化学提纯在先，物理提纯在后。其原因一方面是化学提纯可以从低纯度的原料开始，而物理提纯则必须使用具有较高纯度的原料；另一方面是化学提纯难免引入化学试剂的污染，而物理提纯则没有这些污染。化学提纯要针对不同对象取不同的

7、方法，根据实践，在半导体材料的制备中，化学提纯基本有如下三种基本类型：（1）电解，例如Ga、In提纯；（2）氯化→萃取或（和）精馏→氢还原，例如GeCl4，SiHCl3；（3）氢化→精馏→热分解，例如SiH4，AsH4；为了便于叙述，我们以目前产量最大的SiHCl3氯还原法为例，来介绍半导体材料的化学提纯。它的工艺流程见图5.2。基本可分为如下3个步骤。（1）用金属硅粉与合成的HCl气体相作用。Si+3HCl350oC→SiHCl3+H2（5-1）所得粗SiHCl3经冷凝成液体。（2）粗SiHCl3经精馏提纯得高纯SiHC

8、l3（3）高纯氢与高纯SiHCl3在高温的硅芯上还原得高纯硅，其反应为SiHCl3+H2（1050~1150oC）→Si+3HCl（5-2）图5.2SiHCl3氯还原法制备硅多晶示意图SiHCl3HClH2过滤贮藏SiSiHCl3精馏塔H2还原炉多晶硅IIIIII因为硅的熔点高（1420oC），而且在熔