第2章　从硅石到晶圆

2.1 半导体硅材料

2.1.1 硅是目前最重要的半导体材料

作为半导体材料，使用最多的是硅(Si)，其在地球表面的元素中储量仅次于氧，排行第二。在路边随手捡起一块石头，里面就含有相当量的硅。可惜的是，这种硅并不是硅单质，而是与氧结合在一起而存在的。要想用于半导体，首先应使二者分离，制成单质硅。

所谓单晶，是指原子在三维空间中呈规则有序排列的结构，其中体积最小且对称性高的最小重复单元称为晶胞。换句话说，单晶是由晶胞在三维空间中周期性堆砌而成的。

图1给出Si原子的核外电子排布、结合键以及载流子迁移率等参数。单晶硅与金刚石(C)、锗(Ge)都具有 “金刚石结构”（图2），每个晶胞中含有8个原子。硅单晶中，每个硅原子与其周围的4个硅原子构成4个共价键，因此晶体结构十分稳定。

硅原子会形成4个共价键，这是由硅的化学本性，或说在周期表中的位置决定的。硅的原子序数是14，在元素周期表中位于第Ⅳ族，硅原子有14个电子，最外壳层有4个电子。因此，硅在与其他元素形成共价键时，表现为4价，这便是硅稳定性的原因。硅通过掺杂3价的B可以形成p型半导体，通过掺杂5价的P可以形成n型半导体。特别是硅可以通过简单的方法进行氧化得到的氧化硅膜具有良好的绝缘性。

地壳中含硅量约为27.72%。这种“不稀罕的元素”在集成电路中却大有用武之地，真可谓“天赐之物”！自半导体集成电路发明以来，硅作为不可替代材料的基础地位一直未发生动摇，今后也不会发生动摇。近年来光伏发电产业的兴起，进一步凸显了硅材料的重要性。

2.1.2 单晶硅中的晶体缺陷

即使在规则排列的单晶硅中，源于石英坩埚的氧及碳等杂质，在实际的单晶中，仍然存在着这样或那样的不规则性，称其为晶格缺陷。晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。

点缺陷结构简单，其中包括由外部进入晶格的金属杂质原子，由规则格点失去原子而形成的空位，由于离位原子进入晶格间隙而形成的晶格间隙原子等。在CZ法拉制的单晶中，由于溶入来源于高温状态石英坩埚中的氧，在单晶拉制后的冷却过程中成为过饱和状态而残存于晶体内，并变为点缺陷。这种硅单晶内的点缺陷的种类如图（d）所示。

对器件特性产生重大影响的晶格缺陷是位错和堆垛层错。位错是一种线缺陷，是由外加应力作用下，某些晶面上下的两部分晶体发生局部相对滑移而产生的。根据局部滑移方向与位错线之间的关系，位错有刃型、螺型及混合型位错之分。

面缺陷中有孪晶界面和堆垛层错等。特别是堆垛层错，属于在氧化和热处理等过程中发生的缺陷，表现为最密排的（111）面堆垛中插入或抽出一层，由于密排面的堆垛次序发生变化，从而产生不连续性。即使是高品质的晶圆，在初期阶段或器件制造过程中也都会发生各种各样的缺陷。

例如，在三极管的制作过程中，必须要对晶圆进行各种热处理。对于厚度极薄而面积很大的晶圆来说，温度分布的些许偏差和受力的不均匀（即使自重也会使然）都会产生热应力、弯曲应力及翘曲等。在高温下，这些应力、应变会使晶圆发生局部滑移，产生位错等。

对上述这些晶体缺陷的控制极为重要，基于长期实践经验的积累和现场错误的总结，是各个厂商的高度的技术秘密。

2.1.3 pn结中杂质的能级

宏观半导体材料中，自由载流子的数目是相当大的，因而通常可以用统计力学的定律来描述。考虑泡利（Pauli）不相容原理，热平衡时电子的分布满足费米-狄拉克（Fermi-Dirac)分布。其中E_f为费米能级，是一个参考能级。该分布函数描述能量为E的能级被电子占据的概率。而整个系统中的费米能量必须具有统一的值，以保证热平衡时电子传输要求达到平衡。

未掺杂的本征半导体的费米能级位于禁带中央。当掺入施主杂质或者受主杂质时，费米能级的位置发生变化，费米能级相对于导带和价带的位置与掺杂浓度有关。n型半导体的费米能级E_fn，更靠近导带E_c。p型半导体的费米能级E_fp，更靠近价带E_v。当两种不同掺杂类型的半导体相接触时，两部分半导体整体的费米能级趋于一致，而远离过渡区域的部分各个能级相对位置保持不变，与原有掺杂情况下的能级分布保持一致，因为禁带宽度为常数E_g，所以在过渡区附近导带和价带随位置变化而发生变化（图1）。由于导带与价带随位置的变化，电场强度为电势对位置的微分，由此产生内建电场，其方向为由n型半导体指向p型半导体。载流子在电场的作用下运动，直到新的电荷分布使系统达到平衡。

表1给出了主要半导体的物性值。

2.1.4 按电阻对绝缘体、半导体、导体的分类

“半导体”这个词现在似乎无人不知、无人不晓，但仔细琢磨一下，其中却大有文章。铜导线等能顺利导电的物质称为“导体”；相反，玻璃杯等不导电的物质称为“绝缘体”；性质介于二者之间的称为“半导体”。

物质不同，通过电流的难易程度之所以存在差别，在于物质的“电阻的大小”不同。电阻越大，电流越难通过；电阻越小，电流越容易顺利通过。

粗略地讲，根据各种物质电阻大小的不同可将其分为导体、半导体和绝缘体。应该指出的是，两块相同的材料，做成不同形状其电阻会有很大差别。因此，若用电阻率而非电阻进行考查，则电阻率仅由材料本身决定。

如图1中所看到的，同属于半导体，但其电阻率却分布在10¹³倍的宽广范围内，这是半导体材料的主要特征之一。

为什么半导体的电阻率存在如此之大的差别呢？

这是因为，即使同为半导体，其所处的状态不同，电阻率会发生很大的变化。例如，在几乎完全不含杂质(本征半导体)、原子呈规则排列的单晶状态下，电阻率就会相当高。也就是说，电流几乎不能通过。

然而，在相同的半导体物质中，哪怕是添加极微量的杂质(掺杂半导体)，其原有的高电阻率也会急剧下降。由此，电流会较方便地通过其中。

除了是否含有杂质之外，在半导体中还有由单一元素构成的“元素半导体”，由两种以上元素的化合物构成的“化合物半导体”，以及由某些金属氧化物构成的“氧化物半导体”等各种类型（见图1、图2）。

认为“半导体就是硅”的人恐怕不少。实际上半导体材料有很多种类，可按不同的使用要求，合理选择。