芯片制造-半导体工艺教程
半导体材料在其本征状态是不能用于固态元件的。但是通过一种叫做掺杂的工艺，可以把特定的元素引入到本征半导体材料中。这些元素可以提高本征本导体的导电性。掺杂的材料表现出两种独特的特性，它们是固态器件的基础。这两种特性是：
1.通过掺杂精确控制电阻率 2.电子和空穴导电
掺杂半导体的电阻率
金属导电率的范围在每欧姆厘米104到106之间，该范围的含义可通过对如图2.5所示的电阻进行测试得到。如果固定体积的金属的电阻率确定，改变电阻的唯一方法是改变金属的形状。而在有半导体特性的材料中，电阻率可以改变，从而在电阻的设计中增加了又一个====度。半导体就是这样的材料，其电阻率的范围可以通过掺杂扩展到10-3到103之间。
半导体材料可以掺杂一些元素以达到一个有用的电阻率范围，材料或者多电子（N型）或者多空穴（P型）。
图2.7显示出掺杂程度与硅的电阻率之间的关系。X轴标为载流子是因为材料中的电子或空穴叫做载流子。注意有两条曲线：N型与P型。这是因为在材料中移动一个电子或空穴所需的能量是不同的。如曲线所示，在硅中要达到指定的电阻率Ｎ型所需掺杂的浓度要比P型小。另一种方法来表示这种现象就是移动一个电子比移动一个空穴的能量要小。
横轴为电阻率，纵轴为载流子浓度，其中P为硼掺杂，N为磷掺杂 图2.7 硅的电阻率与掺杂（载流子）的浓度。
只需0.000001%到0.1%的掺杂物就可以使半导体达到有用电阻率范围。半导体的特性允许在材料中创建出非常精确电阻率的区域。
电子和空穴传导
金属传导的另一个限制就是它只能通过电子的移动来导电。金属永远是N型的。通过掺杂特定的掺杂元素，半导体可以成为N型或者P型。N型和P型半导体可以用电子或者空穴来导电。在了解传导机理之前，了解在半导体结构中====（多余）的电子或空穴的形成是有益的。
为理解N型半导体，如图2.8所示将很少量的砷（As）掺入硅（Si）中。假定即使混合后每一个砷原子也被硅原子所包围。使用2.3.2节的规则，原子试图通过在外层有八个电子来达到稳定，砷原子表现为与其邻近的硅原子共享四个电子。但是，砷来自第五族外层有五个电子，直接的结果是其中的四个与硅中的电子配对，最后一个留下来。这一个可以用来电子传导。
考虑到硅晶体中每立方厘米中有百万个原子，从而也就有很多电子可以用来导电。在硅中，掺杂元素砷，磷和锑会形成N型硅。 对P型材料的理解的方法是相同的。不同之处在于使用来自元素周期表第三族的硼来形成P型硅。当混入硅中，它也与硅原子共享电子。不过，硼只有三个外层
17
芯片制造-半导体工艺教程
电子，所以在外层会有一个无电子填充的位置。这个未填充的位置就叫做空穴。
多出的电子
图2.8 用砷来做N型掺杂的硅 空穴
图2.9 用硼来做P型掺杂的硅
在掺杂的半导体材料中有很多的活动：电子和空穴不停地形成。电子会被吸引入未填充的空穴，从而留下一个未填充的位置，也就是另一个空穴。
如图2.10解释了空穴是怎样导电的。当电压加在一段导电或半导电材料上时，负电子就移向电压的正极，就象电池一样。
在P型材料（图2.11），电子会沿t1的方向跃入一个空穴而移向正极。当然当它离开它的位置时，它也留下一个新的空穴。当它继续向正极移动时，它会形成连续的空穴。这种效果对于用电流表来衡量这个过程的人来说就是该材料支持正电流，而实际上它是负电流移向相反的方向。这种现象叫做空穴流（hole flow），是半导体材料所独有的。
图2.10 N型半导体材料中的电子传导 电子方向；空穴方向
图2.11 P型半导体材料中的空穴传导
在半导体材料中形成P型导电的掺杂剂叫做受主（acceptors）。在半导体材料中形成N型导电的掺杂剂叫做授主（donors）。记住这些术语一个简单的方法就是在受主中有一个p而授主中有一个n。
在图2.12中总结了导体，绝缘体和半导体的电特性。在图2.13中总结了掺杂半导体的特性。
使用特定的掺杂元素在锗和化合物半导体中也可形成N型和P型半导体。 [转贴]第二章 半导体材料和工艺化学品---3 by r53858
载流子迁移率
在2.5.6节提到过，在半导体材料中移动一个电子比空穴要容易。在电路中，我们对载流子（空穴和电子）移动所需能量和其移动的速度都感兴趣。移动的速度叫做载流子迁移率，空穴比电子迁移率低。在为电路选择特定半导体材料时，这是个非常值得考虑的重要因素 。
分类 电子 例子 导电率
1．导体 ====移动 金、铜、银 2．绝缘体 无法移动 玻璃、塑料
3．半导体a．本征的 有些可以移动 锗、硅、3到5族元素 B．掺杂的 受控的部分可以移动 N型半导体P型半导体
18
芯片制造-半导体工艺教程
图2.12 材料的电分类 N型 P型
1．导电 电子 空穴 2．极性 负 正
3．掺杂术语 授主 受主
4．在硅中掺杂 砷、磷、锑 硼
图2.13 掺杂半导体的性质
半导体产品材料 锗和硅
锗和硅是两种重要的半导体，在最初固态器件时代，第一个晶体管是由锗制造的。但是锗在工艺和器件性能上有问题。它的937摄氏度熔点限制了高温工艺，更重要的是，它表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电。 硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路漏电问题，使得电路表面轮廓更平坦并且硅的1415摄氏度的熔点允许更高温的工艺。因此，世界上超过了90%的生产用晶圆的材料都是硅。
半导体化合物
有很多半导体化合物由元素周期表中第三族和第四族，第二族和第六族的元素形成。在这些化合物中，商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）和磷砷化镓（GaAsP），磷化铟（InP），砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）。1这些化合物有特定的性能。2当电流激活时，由砷化镓和磷砷化镓做成的二极管会发出可见的激光。这些材料用于电子面板中的发光二极管（LED‘s）。 砷化镓的一个重要特性就是其载流子的高迁移率。这种特性使得在通讯系统中砷化镓器件比硅器件更快地响应高频微波并有效地把他们转变为电流。 这种载流子的高迁移率也是对砷化镓晶体管和集成电路的兴趣所在。砷化镓器件会同类硅器件快上两到三倍，应用于超高速计算机和实时控制电路如飞机控制。 砷化镓本身就对辐射所造成的漏电具有抵抗性。辐射比如宇宙射线会在半导体材料中形成空穴和电子，它会升高不想要的电流，从而造成器件或电路工作不正常或停止工作。可以在辐射环境下工作的器件叫做辐射硬化。砷化镓是天然辐射硬化。
砷化镓也是半绝缘的。这种特性使邻近器件的漏电最小化，允许更高的封装密度，进而由于空穴和电子移动的距离更短，电路的速度更快了。在硅电路中，必须建立在表面建立特殊的绝缘结构来控制表面漏电。这些结构使用了不少空间并且减少了电路的密度。 尽管有这么多的优点，砷化镓也不会取代硅成为主流的半导体材料。其原因在于性能和制造难度之间的权衡。虽然砷化镓电路非常快，但是大多数的电子产品不需要那么快的速度。在性能方面，砷化镓如同锗一样没有天然的氧化物。为了补偿，必须在砷化镓上淀积多层绝缘体。这样就会导致更长的工艺时间和更低的产量。而且在砷化镓中半数的原子是砷，对人类是很危险的。不幸的是，在正常的工艺温度下砷会蒸发，这就额外需要抑制层或者加压的工艺反应室。这些步骤延长了工艺时间，增加了成本。在晶体生长阶段蒸发也会发生，导致晶体和晶圆不
19
芯片制造-半导体工艺教程
平整。这种不均匀性造成晶圆在工艺中容易折断，而且也导致了大直径的砷化镓生产比硅落后（参照第三章）。
尽管有这些问题，砷化镓仍是一种重要的半导体材料，其应用也将继续增多，而且在未来对计算机的性能可能有很大影响。
锗化硅
与砷化镓有竞争性的材料是锗化硅。这样的结合把晶体管的速度提高到可以应用于超高速的对讲机和个人通讯设施当中。3器件和集成电路的结构特色是用超高真空／化学气象沉积法（UHV/CVD）来淀积锗层。4双极晶体管就形成在锗层上，不同于硅技术中所形成的简单晶体管，锗化硅需要晶体管具有异质结构（hetrostructures）和异质结（heterojunctions）。这些结构有好几层和特定的掺杂等级从而允许高频的运行（参照第十六章）。
主要的半导体材料和二氧化硅之间的比较列在图2.14中。
铁电材料
在对更快和更可靠的存储器研究中，铁电体成为一种可行的方案。一个存储器单元必须用两种状态中的一种（开／关，高／低，0／1）存储信息，能够快速响应（读写）和可靠地改变状态。铁电材料电容如PbZr1-xTxO3(PZT)和
SrBi2Ta2O9(SBT)正好表现出这些特性。它们并入SiCMOS（参考第十六章）存储电路叫做铁电随机存储器（FeRAM）。５
Ge Si GaAs SiO2 原子质量
每立方厘米原子数或摩尔 晶体结构 单位晶格 密度 能隙
绝缘系数 熔点
击穿电压
热膨胀线性系数
图2.14 半导体材料的物理性能
工艺化学品 很明显，需要很多工艺来将原始半导体材料转变为有用的器件，大部份的工艺使用化学品。芯片制造首要是一种化学工艺，或者更准确地说是一系列化学工艺，高达20%工艺步骤是清洗和晶圆表面的准备。６
半导体工厂消耗大量的酸，碱，溶剂和水。为达到精确和洁净的工艺，部分成本是由于化学品需要非常高的纯度和特殊的反应机理。晶圆越大，洁净度要求越高，相应就需要更多的自动清洗位置，清洗所用化学品的成本也就跟着升高。当把芯片的制造成本加在一起，其中化学品占总制造成本可达40%。 对半导体工艺化学品洁净度的要求在第四章介绍。在工艺章节会详细介绍特定化
20
