微电子制造工艺Ch-2.ppt

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1、Chapter2：PropertiesofSemiconductorMaterials主要内容多种常见半导体材料的基本特性和用途常见材料的基本物理和化学性质主要材料的基本结构参数及测量2.1常见的半导体材料及其物理和化学性质2.1.1常见的半导体材料Se，最早期的半导体之一，硒整流器，硒光电池、光敏硒鼓;(已经很少用）Ge,早期的半导体，射线探测器；（昂贵）Si,最重要的半导体，除发光以外的所有半导体器件，（IC，分离器件，敏感器件，MEMS）a-Si（amorphous），太阳能电池，应用薄膜PorousSi，发光C（金

2、刚石）,潜在的高温、高频、高压、大功率器件材料C60纳米碳管GaAs，高频、微波器件、发光InP,高频、微波器件、发光GaP，发光Ge1-xSix，高频异质结材料SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料GaN，ZnO,蓝光材料和深紫外探测AlxGa1-xAs，发光HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测各种超晶格材料，（能带工程）磁性、超导、有机半导体和生物半导体自旋半导体(MnxGa1-xAs)PhysicalPropertiesRelatedtotheDevices禁带宽度、最高工作温度、击穿（临界）电场、饱和漂移速度（

3、电子/空穴）、迁移率（电子/空穴）、热导率p型n型自建电场=VD/(Xp+Xn)，VD为pn结接触电势耗尽区宽度：Xp、Xn非均匀分布导致扩散，并形成扩散电流Id。受主和施主离子形成自建电场；电场阻止载流子扩散（载流子在电场中形成与扩散电流相反的漂移电流），最后达到动态平衡，总电流为0。在正向偏置VF时，耗尽区（势垒区）电场减小，扩散电流大于漂移电流而形成净的正向电流；当VF>VD时，扩散电流与漂移电流同方向正向电流加大，pn结导通。反向偏置VR时，耗尽区宽度（势垒）加大，扩散被阻止，耗尽区无载流子即无漂移电流。事实：IR=

4、I漏=I产生+I场发射XpXn扩散→复合正偏反偏如何选择材料？-1（双极器件）频率!电压!因而有频率—电流!频率—功率!如何选择材料？-2（材料品质因子）Johnson因子F1=ECVSE.O.Johnson,RCAReview,26(6),1965,163-177此外还有对双极开关器件的Keyes因子为热导率；低频单极器件的Baliga因子高频单极器件的Baliga因子R.W.Keyes,Proc.IEEE,60(2),1972,225;B.J.Baliga,IEEEElectronDeviceLett.,EDL-2,1

5、981,162-164如何选择材料？-3(热品质因子）工作温度！如何选材？能带结构！材料可生长性！缺陷（含界面）的可控性！可氧化性！可掺杂性！半导体材料的主要物理参数固有物理参数：晶体结构（类型、晶格常数等）能带结构（直接/间接、子能谷等）熔点、膨胀系数介电常数、临界电场、饱和漂移速率等迁移率（晶格散射）可变物理参数：导电类型与电阻率迁移率（电离散射）少数载流子寿命半导体工业常用的其它材料(硅器件)：结构材料：二氧化硅、多晶硅等参杂材料（施主/受主、复合中心）：磷、硼、砷、金等接触与连线材料（肖特基接触、欧姆接触、复合接触、

6、连线）：铝、金、镍、铜、钛、钨及其氧化物等与器件工艺有关的化学特性Si:常温下：1)一般不溶于各种酸2)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+H23)Si+4HNO3SIO2+4NO2+2H2OSiO2+6HFH2[SiF6]+2H2O即：Si+4HNO3+6HFH2[SiF6]+4NO2+4H2O3）与Cu+2,Cr+2等金属离子发生置换反应（抛光工艺）高温下：1）Si+2Cl2=====SiCl4Si+HCl4SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+…+SiH42)Si+O2========SiO23

7、)Si+H2O========SiO2+H2GaAs:1）GaAs====Ga+As2)在室温下一般不与HCl、H2SO4、HF3）与热HCl、H2SO4反应与浓HNO3反应H2SO4+H2O2是常用的GaAs腐蚀液4)与卤素Cl2、Br2或I2（在甲醇等有机溶剂中）反应1200°C1050~1150°C1050~1150°C600°C通常关心的化学性质:1）热稳定性（thermalstability)（物理过程）2)腐蚀液?（无机、有机）Forcleaningandetching!（腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度和缓冲剂的重要性）

8、（腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性）我们需要掌握所有用到的材料的化学性质（腐蚀、抗腐蚀）和热稳定性（组分稳定、扩散、热膨胀）！2.2半导体材料的晶体结构2.2.1.Si,GaAs,SiC的晶体结构Si金刚石结构GaAs闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌SiC200余种同质多构体-Si