常用半导体材料的晶体生长方向有几种

常用半导体材料的晶体生长方向有几种

什么是导体、绝缘体、半导体？

容易导电的物质叫导体，如：金属、石墨、人体、大地以及各种酸、碱、盐

的水溶液等都是导体。

不容易导电的物质叫做绝缘体，如：橡胶、塑料、玻璃、云母、陶瓷、纯水、

油、空气等都是绝缘体。

所谓半导体是指导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。如：硅、锗、砷化

镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅等。半导体大体上可以分为两类，即本征半导体和

杂质半导体。

本征半导体是指纯净的半导体，

这里的纯净包括两个意思，

一是指

半导体材料中只含有一种元素的原子；

二是指原子与原子之间的排列是有一定规

律的。本征半导体的特点是导电能力极弱，且随温度变化导电能力有显著变化。

杂质半导体是指人为地在本征半导体中掺入微量其他元素

（称杂质）

所形成的半

导体。杂质半导体有两类：

N

型半导体和

P

型半导体。

外延(Epitaxy, 简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM &RP Epi)等等。本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。 外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。硅及锗硅外延工艺在现代集成电路制造中应用十分广泛，概括起来主要包括：1．硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。2．异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数β。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率fT (Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。 3．CMOS源(source)漏(drain)区选择性Si/SiGe外延：进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术 (SEG)以增厚源漏极(elevated source/drain)来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer) (图2)，从而降低串联电阻，有报道称这项技术导致了饱和电流(Idsat)有15％的增加。 而对于正在研发中的65/45nm技术工艺，有人采用对PMOS源漏极刻蚀后外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress) (图3)，以提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，据报道称实现了饱和电流(Idsat)35％的增加。 应变硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe层上面外延一层单晶Si，由于Si跟SiGe晶格常数失配而导致Si单晶层受到下面SiGe层的拉伸应力(tensile stress)而使得电子的迁移率(mobility)得到提升(图4)，这就使得NMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味着器件响应速度的提高，这项技术正成为各国研究热点。一般而言，一项完整的外延工艺包括3个环节：首先，根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity)，片与片间的重复性(repeatability)，杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)；在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ)，对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地，对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布，对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题，一般而言，常常出现的有四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能有很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min)，片内工艺温度分布是否均匀，承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化，以满足特定器件的工艺要求。硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。

中文别名：硅单晶

英文名： Monocrystalline silicon

分子式： Si

分子量：28.086

CAS 号：7440-21-3

硅是地球上储藏最丰富的材料之一，从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后，它几乎改变了一切，甚至人类的思维。

直到上世纪60年代开始，硅材料就取代了原有锗材料。

硅材料――因其具有耐高温和抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件的特性而成为应用最多的一种半导体材料，目前的集成电路半导体器件大多数是用硅材料制造的。

硅的单晶体。

具有基本完整的点阵结构的晶体。

不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。

纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。

用于制造半导体器件、太阳能电池等。

用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。

单晶硅熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。

超纯的单晶硅是本征半导体。

在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素，如硼可提高其导电的程度，而形成p型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素，如磷或砷也可提高导电程度，形成n型硅半导体。

单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶硅主要用于制作半导体元件。

用途： 是制造半导体硅器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等

现在，我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用，晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。

熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。

单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。

单晶硅棒是生产单晶硅片的原材料，随着国内和国际市场对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。

直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成本也就越低。

但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。

单晶硅按晶体伸长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。

直拉法、区熔法伸长单晶硅棒材，外延法伸长单晶硅薄膜。

直拉法伸长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

目前晶体直径可控制在Φ3~8英寸。

区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、节能灯、电视机等系列产品。

目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。

外延片主要用于集成电路领域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。

在IC工业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。

存储器电路通常使用CZ抛光片，因成本较低。

逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。

硅片直径越大，技术要求越高，越有市场前景，价值也就越高。

日本、美国和德国是主要的硅材料生产国。

中国硅材料工业与日本同时起步，但总体而言，生产技术水平仍然相对较低，而且大部分为2.5、3、4、5英寸硅锭和小直径硅片。

中国消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。

但我国科技人员正迎头赶上，于1998年成功地制造出了12英寸单晶硅，标志着我国单晶硅生产进入了新的发展时期。

目前，全世界单晶硅的产能为1万吨/年，年消耗量约为6000吨～7000吨。

未来几年中，世界单晶硅材料发展将呈现以下发展趋势：

1，单晶硅产品向300mm过渡，大直径化趋势明显：

随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。

目前，硅片主流产品是200mm，逐渐向300mm过渡，研制水平达到400mm～450mm。

据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右，150mm占20%左右，其余占20%左右。

Gartner发布的对硅片需求的5年预测表明，全球300mm硅片将从2000年的1.3%增加到2006年的21.1%。

日、美、韩等国家都已经在1999年开始逐步扩大300mm硅片产量。

据不完全统计，全球目前已建、在建和计划建的300mm硅器件生产线约有40余条，主要分布在美国和我国台湾等，仅我国台湾就有20多条生产线，其次是日、韩、新及欧洲。

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世界半导体设备及材料协会（SEMI）的调查显示，2004年和2005年，在所有的硅片生产设备中，投资在300mm生产线上的比例将分别为55%和62%，投资额也分别达到130.3亿美元和184.1亿美元，发展十分迅猛。

而在1996年时，这一比重还仅仅是零。

2、硅材料工业发展日趋国际化，集团化，生产高度集中：

研发及建厂成本的日渐增高，加上现有行销与品牌的优势，使得硅材料产业形成“大者恒大”的局面，少数集约化的大型集团公司垄断材料市场。

上世纪90年代末，日本、德国和韩国（主要是日、德两国）资本控制的8大硅片公司的销量占世界硅片销量的90%以上。

根据SEMI提供的2002年世界硅材料生产商的市场份额显示，Shisu、SUMCO、Wacker、MEMC、Komatsu等5家公司占市场总额的比重达到89%，垄断地位已经形成。

3、硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向：

随着光电子和通信产业的发展，硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向。

硅基材料是在常规硅材料上制作的，是常规硅材料的发展和延续，其器件工艺与硅工艺相容。

主要的硅基材料包括SOI（绝缘体上硅）、GeSi和应力硅。

目前SOI技术已开始在世界上被广泛使用，SOI材料约占整个半导体材料市场的30%左右，预计到2010年将占到50%左右的市场。

Soitec公司（世界最大的SOI生产商）的2000年～2010年SOI市场预测以及2005年各尺寸SOI硅片比重预测了产业的发展前景。

4、硅片制造技术进一步升级：半导体,芯片,集成电路,设计,版图,芯片,制造,工艺目前世界普遍采用先进的切、磨、抛和洁净封装工艺，使制片技术取得明显进展。

在日本，Φ200mm硅片已有50%采用线切割机进行切片，不但能提高硅片质量，而且可使切割损失减少10%。

日本大型半导体厂家已经向300mm硅片转型，并向0.13μm以下的微细化发展。

另外，最新尖端技术的导入，SOI等高功能晶片的试制开发也进入批量生产阶段。

对此，硅片生产厂家也增加了对300mm硅片的设备投资，针对设计规则的进一步微细化，还开发了高平坦度硅片和无缺陷硅片等，并对设备进行了改进。

硅是地壳中赋存最高的固态元素，其含量为地壳的四分之一，但在自然界不存在单体硅，多呈氧化物或硅酸盐状态。

硅的原子价主要为4价，其次为2价；在常温下它的化学性质稳定，不溶于单一的强酸，易溶于碱；在高温下化学性质活泼，能与许多元素化合。

硅材料资源丰富，又是无毒的单质半导体材料，较易制作大直径无位错低微缺陷单晶。

晶体力学性能优越，易于实现产业化，仍将成为半导体的主体材料。

多晶硅材料是以工业硅为原料经一系列的物理化学反应提纯后达到一定纯度的电子材料，是硅产品产业链中的一个极为重要的中间产品，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料，是信息产业和新能源产业最基础的原材料。

[编辑本段]单晶硅市场发展概况

2007年，中国市场上有各类硅单晶生长设备1500余台，分布在70余家生产企业。

2007年5月24日，国家“863”计划超大规模集成电路（IC）配套材料重大专项总体组在北京组织专家对西安理工大学和北京有色金属研究总院承担的“TDR-150型单晶炉（12英寸MCZ综合系统）”完成了验收。

这标志着拥有自主知识产权的大尺寸集成电路与太阳能用硅单晶生长设备，在我国首次研制成功。

这项产品使中国能够开发具有自主知识产权的关键制造技术与单晶炉生产设备，填补了国内空白，初步改变了在晶体生长设备领域研发制造受制于人的局面。

硅材料市场前景广阔，中国硅单晶的产量、销售收入近几年递增较快，以中小尺寸为主的硅片生产已成为国际公认的事实，为世界和中国集成电路、半导体分立器件和光伏太阳能电池产业的发展做出了较大的贡献。

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