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半导体硅材料

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半导体硅材料(semiconductor silicon)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。

特性

硅为周期表中Ⅳ族元素。在地壳中主要以二氧化硅和硅酸盐形式存在。丰度为27.7%,仅次于氧。硅的原子量为28.05,25℃下密度为2.329g/cm3,具有灰色金属光泽,较脆,硬度6.5Mohs,稍低于石英。熔点1410℃,在熔点时体积收缩率9.5%。常温下硅表面覆盖一层极薄氧化层,化学性质不活泼。

高温下与氧反应生成无定形二氧化硅层,在器件工艺中常用半作掩蔽层和隔离层。硅不溶于酸,但溶于HNO3。和HF的混合溶液中,常用这种溶液作腐蚀液。硅稍溶于加温的碱溶液中,还可采用等离子腐蚀技术来腐蚀硅。硅有结晶态和非晶。常温下硅单晶介电系数11.7,对光具有高的折射率(n=3.42),反射损失较大,涂以适当减反射膜可大大提高透过率。硅中的杂质会引起光的吸收,氧和碳的吸收带在室温下分别位于1107和607cm-1处。

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。

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,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,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)。

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