微纳制造工艺2半导体材料与制备.ppt

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1、第四章 微纳制造工艺半导体材料与制备1 结合键结合键原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥力的合力结果。根据不同的原子结合结合方式，结合键可分为以下几类：l1：离子键离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-N

2、a+Cl-l2：共价键共价键共价键的实质就是两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。CCCCCCCCCCCCCCCCCarbon:4 valence electronsl3：金属键金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受

3、力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Positive ion coreselectronsl4：范德华键范德华键属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少12个数量级。主要由静电力、诱导力和色散力组成。5：氢键氢键 它它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（，等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。OHH+-Oxygen:6 valen

4、ce electronsHydrogen:1 valence electronsHydrogenbond与四种键型相联系的物理性质和结构性质性质离子键共价键金属键范德华力结构无方向性、得到高配位数的结构有空间分布方向性和配位数的限制，得到低配位、低密度的结构无方向性、得到很高的配位数和高密度的结构形式上类似于金属键力学强、得到硬晶体强、得到硬晶体可变强度、常发生滑移弱、得到软晶体热学熔点相当高，膨胀系数小，熔融态是离子熔点高，膨胀系数小，熔融态是分子熔点可以变化，液态区间长熔点低，膨胀系数大电学中等的绝缘体，在熔融态由离子导电固态和熔融态都是绝缘体导电，由电子流动导电绝缘体光学和磁学吸收，其他

5、性质主要是个别离子的性质，与溶液中性质相似高折射指数，光的吸收与在溶液中或气态时的吸收很不相同不透明，和液态的性质相似各种性质来源于独立的分子，与液态或气态的性质相似结合键类型实例结合能ev/mol 主要特征离子键LiClNaClKClRbCl8.637.947.206.90无方向性，高配位数，低温不导电，高温离子导电共价键金刚石SiGeSn1.371.683.873.11方向性，低配位数，纯金属低温导电率很小金属键LiNaKRb1.631.110.9310.852无方向性，高配位数，密度高，导电性高，塑性好分子键(范德华键)NeAr0.0200.078低熔点、沸点压缩系数大，保留分子性质氢键

6、H2OHF0.520.30结合力高于无氢键分子 锗（Ge）：）：1947-1958，但耐高温和抗辐，但耐高温和抗辐射性能较差。射性能较差。硅（Si）：）：1962-砷化镓（GaAs）：）：1970-宽带材料：ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996)高分子材料？稀土材料？无定形材料？2.半导体材料半导体材料根据各自所具有的原子有序的大小，可分为三类：单晶单晶：几乎所有的原子都占据着安排良好的规则的位置，即晶格位置；有源器件的衬底 非晶：非晶：如SiO2,原子不具有长程有序，其中的化学键，键长和方向在一定的范围内变化；多晶：多晶：是彼此间随机取向的小单晶的聚

7、集体，在工艺过程中，小单晶的晶胞大小和取向会时常发生变化，有时在电路工作期间也发生变化。单晶非晶多晶半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导体：金属（Ag,Au,Al,etc),10-61-cm;绝缘体：陶瓷（石英，氧化铝等），107-cm;半导体：Si,Ge等，10-2106-cm.欧姆定律：RL/A,=1/半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。力明显变化。往纯净

8、的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。*元素半导体*化合物半导体：IV-IV,III-V,II-VI3.晶体和晶格晶体和晶格晶格 If a solid has atoms in periodic positions then it can be described by a set of vectors These vectors can then be used to build an array describing the position of every atom in a perfect crystal In 2

9、-dimensions the lattice can be described by two vectorsOriginab基矢Gives the number and positions of the atoms INSIDE the repeating unit cell.2D examples shown below.e.g.Basis of 1Each atom has basis vector of 0 0e.g.Basis of 2Green atom at 0 0Red atom at 0.5 0.53D 基矢If we take a face centred cubic la

10、ttice,with a basis of 1 we can describe a material such as copper.+2 atom basis at 0 0 0 and 元胞=描述四面体结构如硅简立方结构In this case,the positions are simply represented by atoms at each corner of a cube.This is the most basic structure and is generally used for understanding the basics of crystallography.Onl

11、y one element,Polonium(Po)adopts this structure.aa is known as the lattice constant and represents the length of each side of the cube.The lattice constant for Po is 3.35.Units of angstroms(1=110-10m)are used extensively in crystallography.Hexagonal Close PackedEach layer consists of atoms arranged

12、in a hexagonal arrangement.The next layer sits in the three-fold hollow sites of the layer below.The third layer then sits in sites directly above the first layer.If each layer is labelled by a letter,then the HCP structure is said to show an ABABABAB stacking sequence.This structure is found in mat

13、erials such as cobalt(Co),magnesium(Mg)and zinc(Zn).Face Centred CubicThe fcc arrangement can be represented by a cube with an atom at each corner and an atom at the centre of each face of the cube.Elements adopting this structure include copper(Cu),nickel(Ni),silver(Ag)and aluminium(Al).Face Centre

14、d Cubic 2Can consider the fcc structure as a stacking of hexagonal planes.It has a different stacking sequence to the hcp structure,leading to a different layering.The fcc sequence is ABCABCABC as the third layer does not now lie directly above the first layer,but instead sits in the alternative thr

15、ee fold hollows of the second layer.Clear Layer 1Grey Layer 2Red Layer 3Body Centred CubicAgain this structure is based on a cube.In this case,the structure is made by placing an atom at each corner and then one at the centre of the cube.Elements adopting this structure include iron(Fe),sodium(Na),t

16、ungsten(W)and chromium(Cr).元胞The unit cell is any representation of the structure that when systematically stacked together will yield the position of every atom.For structures such as the fcc lattice,the traditional view is based on a cube with atoms at the corners and face centres.It is equally va

17、lid to represent the structure by the greyed section,the primitive unit cell.金刚石晶格硅Vector Notationa1a3a2Right hand axesVectors give components for each direction and by convention are written in square brackets 1 0 0 direction 0 1 0 direction 0 0 1 direction 1 1 0 direction 1 1 1 direction晶向指数密勒指数a1

18、a3a2ua1wa3va2Using a right hand set of axes,a plane is characterised by its intersections with the principal axes.In the figure to the left the intersections occurs at ua1,va2 and wa3.The reciprocal values of these intersections are then taken;1/u,1/v and 1/w and reduced to their simplest integer se

19、t,labelled h,k and l.The plane is then denoted by these Miller indices in round brackets(h k l).密勒指数 2 In a cubic system,a vector h k l is always perpendicular to the plane with a set of Miller indices(h k l).Using geometry it can be shown that the spacing between the planes of Miller indices h k l

20、is given by:where a is the lattice constant of the unit cell.a1a3a2e.g.0 0 1 direction red arrow and(0 0 1)plane-green晶体平面a1a3a2(1 0 0)plane(0 1 0)plane(0 0 1)(0 0 1)planeplaneBy convention round brackets are used to represent planes(h k l)晶体平面 2a1a3a2(1 1 0)plane(0 1 1)plane(1 0 1)planeFamilies of

21、planes h,k,l represented by curly brackets h k l晶体平面 3a1a3a2(1 1 1)plane晶体平面40 0 0(1-1-1)planes conventionally written as(1 1 1)a1a3a2晶体平面 5a1a3a2The plane shown here runs parallel to the a1 and a3 direction and intercepts a2It is therefore the(0 2 0)planeThis is related to the(0 1 0)plane in that i

22、t runs parallel to it,but the separation of the planes is half that of the(0 1 0)plane.周期表Hexagonalclosedpacked(hcp)face-centeredcubic(fcc)body-centeredcubic(bcc)CrystalLattices硅的晶体结构晶体缺陷晶体缺陷点缺陷：影响掺杂和扩散；线缺陷：影响热处理；面缺陷和体缺陷：影响成品率点缺陷(0-dimensional)An avenue for atomic motion within the lattice,in respon

23、se to an external mechanical or electrical loadIn stainless steel,carbon,which makes it a steel,is an interstitial impurity in the iron lattice(and chromium,which makes it stainless,is a substitutional impurity)In semiconductors,substitutional impurities are called dopants,and control the amount of

24、charge carriers Intrinsic(vacancies)Extrinsic(interstitial and substitutional impurity atoms)Alter the mechanical properties(by affecting slip and dislocation motion),electronic properties(doping in semiconductors),etc.GrainBoundaries,Microstructure&Macrostructure:planardefects(2-dimensional)During

25、solidification Boundary between two different phases or materials,or between two crystallites of the same material but oriented wrt each other Affects mechanical properties by affecting point and line defect motion Other defects:voids,porosity,precipitates,secondary inclusions位错:线缺陷(1-dimensional)Ex

26、tra“half-plane”ofatomsinacrystalDislocationsmakeslip1000timeseasier,whichiswhymetalsdeformeasilySlipofatomplanesovereachotherduetodeformationoccursoneatomrowatatime,analogoustocaterpillarmotionormovingapileofbricksoneatatimemediates 4.本征半导体和掺杂半导体本征半导体和掺杂半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

27、本征半导体半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动电子：电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子对应于导带中占据的电子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚，带正电的导

28、电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位应于价带中的电子空位本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复 合：合：合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成对消失的过程。成对消失的过程。漂漂漂漂 移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。两种载流子两种载流子

29、电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。w 硅在 300K,ni 1.6 X 1010 电子/cm3温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性

30、导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂半导体的某种载流子浓度大大增加。掺杂半

31、导体掺杂半导体P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子

32、几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。N 型半导体型半导体硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多

33、数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为所以称为受

34、主原子受主原子。P 型半导体型半导体空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子P型硅表示型硅表示SiSiSiB硅原子硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动可以移动杂质半导体的导电作用杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP5.晶体制备晶体制备主流技术:直拉生长法：直拉生长法：Czochralski发明，用于从熔融金属中拉制细灯丝。Teal在1950s用于半导体晶体的生长。ccwcwmeltcrystalRfcoilseedGraphitesusceptorFusedquartzsilicai

35、nterfaceArgonFlowCzochralskiProcessProcessControlTemperatureCCWRateCWRatePullRateGasFlowExternalMagFieldDopingConc.PuritySizeOrientationDefectDensityGrowthRateDopingProfilesCzochralskiProcessControlSingle CrystalWaferGrind Ingot to defined diameterSaw off Ingot ends using a diamond sawSaw ingot into

36、 wafers(0.5mm 0.75mm)Edge Grind wafersLap wafers flaten and ensure faces are parallelWet Etch to remove surface damagePolish remove residues and planarise locallyFinal Wet Clean 硅的电阻测量硅的电阻测量lPolysilicon(多晶硅)-MEMS中基本的结构材料生长方法：LPCVD（高于晶化温度）特性：压阻,热阻应用：微机械结构（微梁，横隔膜）,p-n结二极管，加速度计，l非晶硅生长方法：LPCVD（低于晶化温度）特性

37、：压阻,光敏，气敏应用：太阳能电池、气敏传感器、光传感器等l多孔硅生长方法：电化学特性：易腐蚀应用：牺牲层其他材料其他材料 lSiliconoxideandnitride-SiO2生长方法：CVD，溅射绝热，绝缘材料，掩膜材料（碱性溶液湿法腐蚀Si），支撑结构lPolymers-Polyimides,photoresist,epoxyresin，BCBlGlassandquartzsubstrateThinmetalfilmslSiliconcarbideanddiamond具有压阻特性lGaAs,AlGaAs,GaN光电子器件lShape-memoryalloysactuatorslCarbonnanotubes