半導(dǎo)體硅材料特性

硅為周期表中Ⅳ族元素。在地殼中主要以二氧化硅和硅酸鹽形式存在。豐度為27.7%，僅次于氧。硅的原子量為28.05，25℃下密度為2.329g/cm3，具有灰色金屬光澤，較脆，硬度6.5Mohs，稍低于石英。熔點(diǎn)1410℃，在熔點(diǎn)時(shí)體積收縮率9.5%。常溫下硅表面覆蓋一層極薄氧化層，化學(xué)性質(zhì)不活潑。

高溫下與氧反應(yīng)生成無定形二氧化硅層，在器件工藝中常用半作掩蔽層和隔離層。硅不溶于酸，但溶于HNO3。和HF的混合溶液中，常用這種溶液作腐蝕液。硅稍溶于加溫的堿溶液中，還可采用等離子腐蝕技術(shù)來腐蝕硅。硅有結(jié)晶態(tài)和非晶。常溫下硅單晶介電系數(shù)11.7，對(duì)光具有高的折射率(n=3.42)，反射損失較大，涂以適當(dāng)減反射膜可大大提高透過率。硅中的雜質(zhì)會(huì)引起光的吸收，氧和碳的吸收帶在室溫下分別位于1107和607cm-1處。

結(jié)晶態(tài)硅材料的制備方法通常是先將硅石(SiO2)在電爐中高溫還原為冶金級(jí)硅(純度95%~99%)，然后將其變?yōu)楣璧柠u化物或氫化物，經(jīng)提純，以制備純度很高的硅多晶。包括硅多晶的西門子法制備、硅多晶的硅烷法制備。在制造大多數(shù)半導(dǎo)體器件時(shí)，用的硅材料不是硅多晶，而是高完整性的硅單晶。通常用直拉法或區(qū)熔法由硅多晶制得硅單晶。

世界上直拉硅單晶和區(qū)熔硅單晶的用量約為9:1，直拉硅主要用于集成電路和晶體管，其中用于集成電路的直拉硅單晶由于其有明確的規(guī)格，且其技術(shù)要求嚴(yán)格，成為單獨(dú)一類稱集成電路用硅單晶。區(qū)熔硅主要用于制作電力電子元件，純度極高的區(qū)熔硅還用于射線探測(cè)器。硅單晶多年來一直圍繞著純度、物理性質(zhì)的均勻性、結(jié)構(gòu)完整性及降低成本這些問題而進(jìn)行研究與開發(fā)。

材料的純度主要取決于硅多晶的制備工藝，同時(shí)與后續(xù)工序的玷污也有密切關(guān)系。材料的均勻性主要涉及摻雜劑，特別是氧、碳含量的分布及其行為，在直拉生長工藝中采用磁場(chǎng)(見磁控直拉法單晶生長)計(jì)算機(jī)控制或連續(xù)送料，使均勻性得到很大改善;對(duì)區(qū)熔單晶采用中子嬗變摻雜技術(shù)，大大改善了均勻性。在結(jié)構(gòu)完整性方面，直拉硅單晶早已采用無位錯(cuò)拉晶工藝，目前工作主要放在氧施主、氧沉淀及其誘生缺陷與雜質(zhì)的相互作用上。

氧在熱處理中的行為非常復(fù)雜。直拉單晶經(jīng)300~500℃熱處理會(huì)產(chǎn)生熱施主，而經(jīng)650℃以上熱處理可消除熱施主，同時(shí)產(chǎn)生氧沉淀成核中心，在更高溫度下處理會(huì)產(chǎn)生氧沉淀，形成層錯(cuò)和位錯(cuò)等誘生缺陷，利用這些誘生缺陷能吸收硅中有害金屬雜質(zhì)和過飽和熱點(diǎn)缺陷的特性，發(fā)展成使器件由源區(qū)變成"潔凈區(qū)"的吸除工藝，能有效地提高器件的成品率。

對(duì)硅單晶錠需經(jīng)切片、研磨或拋光(見半導(dǎo)體晶片加工)后，提供給器件生產(chǎn)者使用。

某些器件還要求在拋光片上生長一層硅外延層，此種材料稱硅外延片。

非晶硅材料具有連續(xù)無規(guī)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，最近鄰原子配位數(shù)和結(jié)晶硅一樣，仍為4，為共價(jià)鍵合，具有短程有序，但是，鍵角和鍵長在一定范圍內(nèi)變化。由于非晶硅也具有分開的價(jià)帶和導(dǎo)帶，因而有典型的半導(dǎo)體特性，非晶硅從一晶胞到另一晶胞不具有平移對(duì)稱性，即具有長程無序性，造成帶邊的定域態(tài)和帶隙中央的擴(kuò)展態(tài)，非晶硅屬亞穩(wěn)態(tài)，具有某些不穩(wěn)定性。其制備方法有輝光放電分解法等(見太陽電池材料)。