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1、晶體生長(zhǎng)和外延現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30晶體生長(zhǎng)與外延對(duì)分立器件而言，最重要的半導(dǎo)體是硅和砷化鎵。本小節(jié)主要討論這兩種半導(dǎo)體單晶最常用的技術(shù)。一種是單晶生長(zhǎng)，獲得高質(zhì)量的襯底材料；另外一種時(shí)“外延生長(zhǎng)”，即在單晶襯底上生長(zhǎng)另一層單晶半導(dǎo)體（同質(zhì)或異質(zhì)材料）。起始材料多晶半導(dǎo)體單晶晶片SiSiO2GaAsGa，As蒸餾與還原合成晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)研磨、切割拋光研磨、切割拋光從原料到磨光晶片的制造流程CZ法生長(zhǎng)單晶硅－起始材料高純度的硅砂與
2、不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入爐中，產(chǎn)生反應(yīng)此步驟獲得冶金級(jí)硅，純度98%，然后與HCl反應(yīng)SiHCl3沸點(diǎn)32度，分餾提純，得到電子級(jí)硅Cz直拉法摻雜物質(zhì)的分布由于晶體是從融體中拉出來(lái)的，混合在晶體中（固態(tài)）的摻雜濃度通常和在界面出的融體（液體）中的是不同的，此兩種狀態(tài)下的摻雜濃度的比例定義為平衡分凝系數(shù)Cs和Cl分別是在固態(tài)和液體界面附近的平衡摻雜濃度。(1)融體的初始重量為M0，初始摻雜濃度為C0（每克的融體中摻雜的重量）。生長(zhǎng)過(guò)程中，當(dāng)已生長(zhǎng)晶體的重量為M時(shí)，留在融體中的摻雜數(shù)量（重量）為S。當(dāng)晶體增加dM的重量，融體相對(duì)應(yīng)減少的摻
3、雜（－dS）為Cs為晶體中的摻雜濃度（重量表示）。此時(shí)液體中剩下的重量為M0－M，液體中的摻雜濃度Cl(2)(3)結(jié)合（2）、（3），將（1）代入可得若初始摻雜重量為C0M0，積分（4）可得(4)(5)解出（5）式，且結(jié)合（3）式可得(6)有效分凝系數(shù)當(dāng)晶體生長(zhǎng)時(shí)，摻雜劑會(huì)持續(xù)不斷地被排斥而留在融體中(K0<1)。如果排斥率比參雜的擴(kuò)散或攪動(dòng)而產(chǎn)生的傳送率高時(shí)，在界面的地方會(huì)有濃度梯度產(chǎn)生，如圖所示。其分凝系數(shù)為定義一有效分凝系數(shù)考慮一小段寬度為δ幾乎粘滯的融體層，層內(nèi)只有因拉出需要補(bǔ)充融體而產(chǎn)生的流動(dòng)。層外參雜濃度為常數(shù)Cl，層內(nèi)參雜濃度可用
4、第3章的連續(xù)性方程式來(lái)表示。在穩(wěn)態(tài)式，右邊第二項(xiàng)、第三項(xiàng)是有意義的(C代替np，v代替μnE)解為第一個(gè)邊界條件是在x＝0時(shí)，C＝Cl(0)；第二個(gè)邊界條件式所有摻雜總數(shù)守恒，即流經(jīng)界面的摻雜流量和必須等于零?？紤]摻雜原子在融體中的擴(kuò)散（忽略在固體中的擴(kuò)散），可以得到將邊界條件代入且在x＝δ時(shí)C＝Cl，可以得到因此在晶體內(nèi)的均勻摻雜分布（ke→1），可由高的拉晶速率和低的旋轉(zhuǎn)速率獲得。另外一種獲得均勻分布的方法是持續(xù)不斷的加入高純度的多晶硅于融體中，使初始的摻雜濃度維持不變。懸浮區(qū)熔法懸浮區(qū)熔法（float-zone）可以生長(zhǎng)比一般Cz法生長(zhǎng)單
5、晶所含有的更低雜質(zhì)濃度的硅。生長(zhǎng)的晶體主要用于高電阻率材料的器件，如高功率、高壓等器件。雜質(zhì)濃度為C0，L是熔融帶沿著x方向的長(zhǎng)度，A是晶棒的截面積，ρd是硅的密度，S式熔融帶中所存在的摻雜劑總量。當(dāng)此帶移動(dòng)距離dx，前進(jìn)端增加的摻雜數(shù)量為C0ρdAdx，然而從再結(jié)晶出所移除的摻雜劑數(shù)量為ke(Sdx/L)，因此有：而且S0＝C0ρdAL是當(dāng)帶的前進(jìn)端形成時(shí)的摻雜劑數(shù)量。從積分式可得或因?yàn)?，因此如果需要的是摻雜而非提純時(shí)，摻雜劑引入第一個(gè)熔區(qū)中S0＝ClAρdL，且初始濃度C0小到幾乎可以忽略，由前面的積分式可得因?yàn)?，從上式可得因此，如果Kex
6、/L很小，則除了在最后凝固的尾端外，Cs在整個(gè)距離中幾乎維持定值。對(duì)某些開(kāi)關(guān)器件而言，如高壓可控硅。必須用到大面積芯片，對(duì)均與度要求較高。采用中子輻照工藝。此過(guò)程中部分硅嬗變成為磷而得到n型摻雜的硅砷化鎵晶體的生長(zhǎng)技術(shù)－起始材料砷化鎵的起始材料是以物理特性和化學(xué)特性均很純的砷和鎵元素和合成的多晶砷化鎵。因?yàn)樯榛壥怯蓛煞N材料所組成，所以它的性質(zhì)和硅這種單元素材料有極大的不同?？梢杂谩跋鄨D”來(lái)描述。不像硅可以在熔點(diǎn)時(shí)有相對(duì)較低的蒸汽壓（1412℃時(shí)約為10-1Pa），砷在砷化鎵的熔點(diǎn)（1240℃）時(shí)有高出許多的蒸汽壓。在氣相中砷以?xún)煞N主要形式存在
7、：As2及As4。砷化鎵生長(zhǎng)工藝合成砷化鎵通常在真空密閉的石英管系統(tǒng)中進(jìn)行，此管有2個(gè)溫度區(qū)。高純度的砷放置在石墨舟中加熱到601-620℃；而高純度的鎵放置在另一個(gè)石墨舟中，加熱到稍高于砷化鎵熔點(diǎn)（1240-1260℃）的溫度。此情形下，會(huì)形成過(guò)多的砷蒸汽壓，一來(lái)會(huì)使砷蒸汽壓輸送到鎵的熔融態(tài)進(jìn)而轉(zhuǎn)變成砷化鎵。二來(lái)可以防止在爐管形成的砷化鎵再次分解。當(dāng)熔融態(tài)冷卻時(shí)，就可以產(chǎn)生高純度的多晶砷化鎵。有兩種技術(shù)可以生長(zhǎng)砷化鎵：Cz法和布理吉曼法。Cz法與硅生長(zhǎng)類(lèi)似，同時(shí)它采用了液體密封技術(shù)防止在長(zhǎng)晶時(shí)融體產(chǎn)生熱分解。一般用液體氧化硼（B2O3）將融體
8、密封起來(lái)。氧化硼會(huì)溶解二氧化硅，所以用石墨坩堝代替凝硅土坩堝。在生長(zhǎng)砷化鎵晶體時(shí)，為了獲得所需的摻雜濃度，鎘和鋅常被用來(lái)作為P型摻雜劑，而硒、硅和銻用
