1、一、微電子材料概述1、摩爾定律：集成度每3年乘以4，加工工藝的特征線寬每6年下降一半。摩爾定律中提到的減少成本是集成電路最大的吸引力之一，并且隨著技術發展，集成化程度越高，低成本的優點更為明顯。2、3、2010年10月5日，瑞典皇家科學院將2010年的諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學的兩位教授 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，以表彰他們對石墨烯的研究。石墨烯是至今發現的厚度最薄和的強度最高的材料。4、目前全球最主要的晶圓代工廠包括TSMC、三星、臺聯電、GlobalFoundries、IBM、SMIC、華虹宏力等 。 5、特征尺寸繼續縮小所面臨的挑戰包括：

2、1、微細加工光刻技術；2、互連技術銅互連；3、新型器件結構&材料體系高、低K介質、金屬柵電極、 SOI材料等。6、在半導體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，而導體中只有自由電子這一種載流子，這是半導體與導體的不同之處。7、在摻入雜質后，載流子的數目都有相當程度的增加。因而對半導體摻雜是改變半導體導電性能的有效方法。二、硅和鍺的化學制備1、根據物質的導電性,物質可以分為金屬、半導體及絕緣體，人們發現，電子在最高能帶的占有率決定此物質的導電性。2、根據材料的重要性和開發成功的先后順序,半導體材料可以分為三代： 第一代半導體材料-硅(Si)； 第二代半導體材料-砷化鎵(GaAs)； 第三代半

3、導體材料-氮化鎵(GaN)。3、（物理性質）硅的禁帶寬度比鍺大，電阻率也比鍺大4個數量級，因此硅可制作高壓器件且工作溫度比鍺高。但是鍺的遷移率比硅大，可做低壓大電流和高頻器件4、硅的主要來源是石英砂，另外，在許多的礦物中含有大量的硅酸鹽，也是硅的來源之一。 通常把95%-99%純度的硅稱為粗硅或工業硅。5、制備高純硅主要采用兩種方法：三氯氫硅氫還原法和硅烷法，兩種方法各有利弊。其中三氯硅烷法（SiHCl3)F 產量大、質量高、成本低，是目前國內外制取高純硅的主要方法。F 利用了制堿工業中的副產物氯氣和氫氣，成本低，效率高F 三氯硅烷遇水會放出腐蝕性的氯化氫氣體，腐蝕設備，造成Fe、Ni等重金屬

4、污染三氯硅烷而硅烷法（SiH4)F 有效去除雜質硼及其他金屬雜質，無腐蝕性、不需要還原劑、分解溫度低，收率高。F 消耗Mg，硅烷本身易燃、易爆三、區熔提純1、區熔提純是一種物理提純方法，是為了得到半導體級純度（9到10個9）的硅，為進一步晶體生長作準備。2、分凝現象（偏析現象）： 含量少的雜質在晶體和熔體中的濃度不同分凝系數： 用來衡量雜質在固相和液相中濃度的不同3、材料錠條全部熔化后,使其從一端向另一端逐漸凝固,這樣的凝固方式叫正常凝固。 正常凝固過程中存在分凝現象, 所以錠條中雜質分布不均勻。當分凝系數與1相差較大時(小于0.1或大于3)，雜質濃度隨錠長變化較快,雜質向錠的一端集中, 正常

5、凝固有一定的提純作用。4、區熔提純：利用分凝現象將物料局部融化形成狹窄的熔區，并令其沿錠長從一端緩慢地移動到另一端，重復多次使雜質盡量被集中在尾部或頭部，進而達到使中部材料被提純的技術。5、一次區熔后,材料的純度仍然達不到半導體器件的純度要求,所以要進行多次區熔,使得各種雜質盡可能的趕到錠條的兩頭。經過多次區熔提純后,雜質分布狀態達到一個相對穩定且不再改變的狀態,這種極限狀態叫極限分布，影響雜質濃度極限分布的主要因素是雜質的分凝系數和熔區長度。6、區熔法晶體生長，可以分為水平區熔和懸浮區熔，硅單晶生長采用懸浮區熔的原因是：高溫下硅很活潑,易反應； 懸浮區熔可使之不與任何材料接觸； 熔硅表面張力

6、大，而密度小的特點，可使熔區懸浮。四、晶體生長1、晶體生長有三種方法：固相生長，液相生長（溶液中生長，熔體中生長），氣相生長2、晶體生長中的成核階段分為，均勻成核（自發成核）和非均勻成核（非自發成核），其中非均勻成核（非自發成核）是指在體系中存在外來質點(塵埃,固體顆粒,籽晶等), 在外來質點上成核，例如硅單晶生長時籽晶的加入。3、單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法、區熔法和外延法。其中直拉法、區熔法多用于生長單晶硅棒，外延法生長單晶硅薄膜。4、直拉法生長單晶硅和鍺是指在盛有熔硅或鍺的坩堝內，引入籽晶作為非均勻晶核，然后控制溫度場，將籽晶旋轉并緩慢向上提拉，晶體便在籽晶下按籽晶的方向長大。

7、其生長設備示意圖如圖所示。籽晶與熔體表面接觸，并旋轉，旋轉方向與坩鍋的旋轉方向相反。直拉法的兩個主要參數：拉伸速率，晶體旋轉速率。5、直拉法(CZ)的工藝過程：1）.籽晶熔接: 加大加熱功率，使多晶硅完全熔化，并揮發一定時間后，將籽晶下降與液面接近，使籽晶預熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發性雜質同時可減少熱沖擊2）.引晶和縮頸：當溫度穩定時，可將籽晶與熔體接觸。此時要控制好溫度，當籽晶與熔體液面接觸，浸潤良好時，可開始緩慢提拉，隨著籽晶上升硅在籽晶頭部結晶，這一步驟叫“引晶”，又稱“下種”。“縮頸”是指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細的部分。其目的是排除接觸不良引起的多

8、晶和盡量消除籽晶內原有位錯的延伸。頸一般要長于20mm。3）.放肩：縮頸工藝完成后，略降低溫度，讓晶體逐漸長大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。4）.等徑生長：當晶體直徑到達所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長。此時要嚴格控制溫度和拉速不變。5）.收晶：晶體生長所需長度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面五、硅、鍺晶體中的雜質和缺陷1、單晶生長時，雜質分布不均勻會造成橫向和縱向電阻率不均勻。可以采用變速拉晶法（先用大拉速，再用小拉速）控制直拉法單晶縱向電阻率的均勻性。2、為了獲得徑向（橫向）電阻率均勻的單晶，

9、必須調平固液界面。3、硅鍺單晶中位錯產生的原因：P籽晶體內原有位錯P籽晶表面損傷P由于外界的振動、外加應力、熱起伏等而使籽晶或單晶中位錯倍增。P固液交界面過冷4、硅、鍺晶體生長時雜質的摻雜分為共熔法（不易揮發的雜質材料）和投雜法（容易揮發的雜質材料）5、硅鍺單晶中有害雜質包括：金屬雜質、氧污染、硅中的碳。其中金屬雜質會引入載流子，且能引入深能級，導致器件性能降低，甚至失效。通常采用化學腐蝕去除表面金屬雜質。氧是直拉（Cz）硅中含量最高雜質，它在硅中行為也很復雜。總的說來，硅中氧既有益也有害。氧雜質可增加晶體的機械強度，避免硅片在器件工藝的熱過程中發生型變（如彎曲翹曲等）。但是它會形成熱施主，引

10、起硅單晶電阻率變化，還會發生析出生成氧成淀。碳在硅中不引入電活性缺陷，不影響單晶硅的載流子濃度。但是當碳濃度超過其固溶度時，會有微小的碳沉淀生成，影響器件的擊穿電壓和漏電流。六、硅的外延生長1、根據根據外延層性質，可將外延分為同質外延（外延層與襯底同種材料）和異質外延（外延層與襯底不同材料）；根據外延生長方法，可分為直接外延（是用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長.如真空淀積，濺射，升華等）和間接外延（是利用化學反應在襯底表面上沉積生長外延層，廣義上稱為化學氣相淀積（chemical vapor deposition,CVD）。CVD生

11、長的薄膜未必是單晶，所以嚴格講只有生長的薄膜是單晶的CVD才是外延生長；根據相變過程，可分為氣相外延（對于硅外延，應用最廣泛）、液相外延、固相外延2、外延層中雜質來源很多，總的載流子濃度N總可以表示為： N總N襯底±N氣±N鄰片±N擴散±N基座±N系統N襯底：襯底中揮發出來的雜質摻入外延層中的雜質濃度分量N氣：外延層中來自混合氣體的雜質濃度分量N鄰片：外延層中來自相鄰襯底的雜質濃度分量N擴散：襯底中雜質經固相擴散進入外延層的雜質濃度分量N基座：來自基座的雜質濃度分量N系統：除上述因素外整個生長系統引入的雜質濃度分量N氣，N基座，N系統，雜質不是來源襯底片，因此稱為外摻雜N擴散，N襯底，N鄰片的雜質來源于襯底片，通稱為自摻雜3、自摻雜效應：襯底中的雜質進入氣相中再摻入外延層4、硅外延層的缺陷分類： 1、表面缺陷，也叫宏觀缺陷 如云霧，劃道，亮點，塌邊，角錐，滑移線等 2、內部結構缺陷，也叫微觀缺陷 如層錯，位錯七、1、當電子從價帶轉換到導帶時，不需要動量轉換。這類半導體稱為直接帶隙半導體。 如：砷化鎵；當電子從硅的價帶頂部轉換到導帶最低點時，不僅需要能量轉換(Eg),也需要動量轉換(pC)。這類半導體稱為