电子科学与技业专业英语第三章大部分翻译

电子科学与技术专业英语第三章大部分翻译（P139）3.1晶界生长与外延正如前面第一章所讨论的那样，在分立器件和集成电路中最重要的两种半导体是硅和砷化镓，在这一章我们叙述这两种半导体的常用的单晶生长技术，基本的工艺流程是从原料到抛光晶片，原料经过化学处理做成一个用来生长单晶的高纯多晶半导体。

单晶硅锭铸形，以定义材料的直径，这些晶片经过腐蚀和抛光来提供一个光滑的特定的且器件将做在上面的表面。

一种和单晶生长密切相关的技术包含一个单晶半导体层在一个单晶半导体衬底的生长，这叫外延，它是从希腊语epi和taxis得来的，外延工艺提供了一种重要的控制掺杂形貌的技术，以至于器件和电流性能可以被优化。

例如，一个掺杂浓度相称低的半导体层可以在一个同型掺杂而浓度很高的衬底外延生长，通过这种方式和衬底相关联的体电阻将被充分地减少，许多新的器件结构，特别是微波和光学器件，可以通过外延工艺制得。

在这章的后面我们将考虑讨论一些重要外延生长技术。

（p140）3.2从熔体生长单晶从熔体生长单晶有两种基本方法，直拉法和布里奇曼法，用于半导体行业的充足百分比的硅单晶是通过直拉法制备的，实际上所有的用于集成电路制造的硅都是用这方法制备的。

大部份的砷化镓，在另一方面，是通过布里奇曼法生长的。

然而，直拉法在生长大直径的砷化镓方面变得越来越流行。

3.2.1原始材料硅的起始材料是一种相当纯的叫做石英的沙子形式。

它和各种形式的碳被置于炉中，当很多反应在炉中发生时，总的反应式是SI+SIO2=这种工艺生产出纯度98%的冶金及的硅。

下一步，硅被磨碎和氯化氢反应生成三氯氢硅（SIHCL3）SI + 2HCL三氯氢硅在温室下是液体，液体分馏除去不要的杂质，净化过后的SIHCL3用于与氢气反应。

制备电子级的硅（EGS）：SIHCL3+这个反应在包括为硅的沉积提供晶体成核点的电阻加热硅棒的反应堆中发生，纯度为电子级别的硅，也就是一个高纯的多晶硅材料，是用于制备器件级质量的单晶硅的未加工材料。

纯ECS的杂质浓度一般在十亿分之一的范围。

砷化镓的起始材料是自然地化学方式形成的纯镓和砷，是用于多晶砷化镓的合成。

因为砷化镓是两种材料的化合物，它的性质和单质比如硅有很大不同。

这种化合物的性质可以用相图来描述。

相是一种材料存在的状态。

相图显示出两种成分之间的随温度变化的关系。

不像硅，在熔点时有相当低的蒸气压，镓和砷在砷化镓的熔点处有高得多的蒸气压，气相时，砷的主要形式是AS2和AS4.气体压力曲线是砷化镓熔体的，固体曲线是富镓熔液的，更多的砷将会从富砷熔体中蒸发出来，因而形成一个高的气压。

一个相似的讨论可以解释在镓的熔化态下镓的高蒸气压。

注重到远在熔点到达之前，液态砷化镓的表面层会分解成镓和砷，既然砷和镓的蒸气压有很大不同，将会有更多挥发性砷多损失，液体中变成富镓形式。

一种排泄式的密封的石英管系统被用来合成砷化镓。

高纯砷被放在一个石墨舟加热到610到620°C。

而高纯镓被放在另一个石英舟并加热到比砷化镓熔点高一点的温度。

在这些条件下，砷过压态被建立，一是以引起砷蒸气运输到熔态镓，二是阻止当砷化镓在炉中形成后分解，当熔体冷却，一个高纯多晶砷化镓就形成了，这作为材料生长单晶砷化镓。

(p142)3.2.2直拉法硅单晶生长直拉法使用一个直拉装置，正如图3-1所示，直拉装置有三种主要组成部分：（1）包含有SiO2坩埚的炉，石墨感应器，旋转装置，加热元件，电源；(2)拉单晶机构，包括籽晶和旋转装置（逆时针）；(3)环境控制器，包括气源（例如氧气），流量控制仪和一个抽气系统。

另外，有一套基于微处理器控制的系统对提拉装置进行全面控制，可控诸如温度，晶体直径，牵拉速度，旋转速率等，同时可对工艺过程进行编程控制。

还有，各种的传感器和反馈系统都使得控制系统能够自动化控制，从而减少人工的错误。

在晶体生长的过程中，多晶硅是放在坩埚和火炉中，被加热到硅的熔点以上。

一个适当的晶向的子晶（例如）被悬挂在坩埚的籽晶载具上，籽晶是插入到溶液上的。

部分籽晶熔化了，但是籽晶的尖端仍旧接触着液体的表面。

接着慢慢的提取。

在固液界面进一部凝固就会产生一个大的单晶。

一个典型的速率是一分钟几个毫米。

对于砷化镓的提拉长生，它的基本拉提装置是跟提拉硅一样的。

不过，为了防止在单晶生长过程中熔体分解，一个叫液体密封的方法被使用了，液体密封就是使用大约1cm厚熔化的B2O3层。

熔化的B2O3 是对在生长温度的砷化镓不起反应的。

那覆盖层就似乎一顶盖在熔体表面的帽子一样盖在砷化镓的表面。

即使砷化镓表面的压力达到一个大气压，覆盖层也能够保护砷化镓不被分解。

因为B2O3会溶于SiO2所以熔融的SiO2坩埚由石墨坩埚代替。

(p144)3.3 Vapor-Phase Epitaxy(气相外延)在一个外延工艺中，衬底晶片可看作是籽晶。

外延工艺与熔体生长工艺的不同在于外延层可以在明显低于熔点的温度下生长（通常是30％到50％）。

在各种外延工艺中，气相外延对硅器件是最重要的（by far修饰比较级、最高级）。

VPE对砷化镓也重要，但是其它的外延工艺可为砷化镓的外延生长提供一些VPE不具有的长处。

留意到基座的几何图形为反应装置提供了名称：水平的，扁平的和桶状的基座，它们都用石墨块做成。

在外延反应装置中，基座都类似于单晶生长炉中的坩锅。

它们不仅机械地支撑晶片，同时在反应加热装置中作为反应的热源。

气相外延生长中用到四个硅源，它们分别是：SiCl4SiH2Cl2SiHCl3SiH4。

其中硅烷的研究最深入同时在工业中应用最广。

反应温度一般在1200℃。

使用其它的硅源是为了降低反应温度，因为硅烷中的每一个Cl被H原子取代都会使反应的温度下降50℃左右。

上述硅烷反应可生长出一层Si，反应如下：SiC14(gas) + 2H2(gas)=Si(solid) + 4HCl(gas) (3-4)上述的反应同时会伴随如下副反应：SiCl4(gas) + Si(solid)=2SiCl2(solid) (3- 5)因此，如果硅烷的浓度过高，将发生刻蚀而非硅层的生长。

外延生长GaAs总的反应式是：As4 +4GaCl3 +6H2——4GaAs+12HCl 。

As4是由AsH3热分解生成的：4AsH3 ——As4+6H2 。

和GaCl3是由6HCl+2Ga——GaCl3+3H2 反应生成的。

反应物和载气体（例如H2）被引入反应装置中。

GaAs晶片被典型地保持在650到850℃温度范围之内。

As必须有足够的过大压力来防止衬底和生长层的热分解。

另一种方法是金属有机物化学气相沉积，这种方法是用金属有机化合物的，例如Ga（CH3）3 .Ga（CH3）3 是一种用来制造Ga元件的。

两种化学药品能够蒸发成气体从反应装置中排出。

总的反应式是：As4+ Ga（CH3）3——GaAs+CH4在外延生长的过程中GaAs的参杂是由引进气体状态的参杂剂完成的。

硫的氢化物和硒或者四甲基锡被用来n型的参杂。

二乙基鋅或二乙基镉被用来p型的参杂。

铬酰氯被用来把铬参杂在GaAs里面来形成半绝缘层。

由于Si外延生长，外延生长之前要在原位上蚀刻去除传染物。

(p147)3.4氧化和膜沉积要制造封闭的元器件和集成电路，我们可以用很多不同的薄膜。

我们可将薄膜分为四类：热氧化层，介电质层（绝缘层），多晶硅层，金属薄膜层。

图3 -2示意了传统的使用了四类层的硅N沟道金属氧化物半导体场效应管。

在热氧化层中最重要的薄膜层是在其之下有利于源极和漏极之间沟道形成的栅极氧化层。

另一个相关的层是场氧化层，其用来提供一个器件与另一个器件结构上的隔绝。

栅极氧化层和场氧化层基本都由热氧化加工处理生成，因为只有热氧化工艺可以提供高质量的，具有最低界面缺陷密度的氧化层。

“Dielectric layers～shallow junctions.”书196页有。

金属薄膜层中像铝和硅化物是用来做低阻互联，或与n＋，p＋和多晶硅层形成欧姆接触，或调整金属与半导体接触的势垒。

当一层薄膜形成后（通过氧化或化学气相沉积），其图形的属性基本上由光刻和刻蚀的工序决定。

每一薄层必须体现它原先设计的功能和与全部的工序顺序相协调好，这所指的是，该薄层必须经受得住必要的化学处理和热循环而且它的结构仍能保持稳定。

本章我们将谈论这些薄层的形成和特性。

(P149)在进行氧化工艺的过程中，硅和二氧化硅界面会向硅里面移动。

这样就形成了一个新的界面区域，是原来硅表面的传染物留在氧化层表面，硅和二氧化硅之间密度和分子质量的差别可以用下面一个例子来说明：生长一个单位厚度的二氧化硅消耗0.44单位厚度的硅。

(P150)3.4.2 多晶硅的淀积在MOS器件中用多晶硅作为栅电极被认为是MOS电路技术中的一个非常有意义的创新，一个重要的原因就是多晶硅电极比铝电极更加可靠。

非凡是在栅极氧化层很薄的时候，多晶硅电极体现出来的各方面性能会精彩得多。

多晶硅也常常用作掺杂源来形成浅结，以使他能和单晶硅形成欧姆接触。

另外，多晶硅还用来制作导体和高阻电阻。

从下面的反应可知，淀积多晶硅是用在600到650摄氏度的低压环境下热分解硅烷的方法来实现的。

这里有两种最常用的低压工艺：一种是在0.2到0.1 torr压力下100%的硅烷做源，第二种是在同样的压力下用20%到30%的用氮稀释过的硅烷做源。

两种工艺都每次可以在一百多块晶片上淀积多晶硅。

并且都很好的一致性（如：厚度差不超过5%）在硅烷分压比较低的情况下，沉积速率与硅烷压力成比例。

在硅烷压力比较高的时候，沉积速率就会达到一个饱和状态不再改变。

在低压下沉积速率往往会受到温度的限制。

（600-650度）.在这个温度范围生长速率是随着exp(-Ea/kT)变化式中激活能Ea=1.7eV在反应器中激活能基本与总的压力是没有关系在更高的温度气相反应造成了粗糙.粘贴的沉淀物是严峻的同时发生硅烷损耗.导致均匀性差在温度远低于600℃时，沉积速率太慢不实用的。

影响多晶硅结构的工艺参数是：沉积温度、掺杂剂和沉积之后的热循环。

柱状结构的原因是当温度在600－650℃时沉积多晶硅。

这种结构是在择优晶面（1，1，0）由多晶硅的晶粒尺寸范围在0.03－0.3um组成。

当磷在950℃被扩散时，这种结构变成晶状，晶粒的尺寸增加到0.5和1.0um之间的一个平均值。

在氧化过程中，当温度被增加到1050℃，晶粒达到最终尺寸是1－3um，然而当沉积出现在600℃以下，初始的沉积膜出现非晶态，类似在掺杂和加热后观察到的生长特性。

多晶硅能通过扩散、离子注入或在沉积过程中外加掺杂气态进行掺杂，掺杂气态被称为原位掺杂。

由于离子注入方法的工艺温度比较低，故最常用。

图19呈现了多晶硅的薄膜电阻是用离子注入的方法掺杂磷和锑。

注入的剂量、退火的温度和退火的时间都影响到注入多晶硅的方块电阻。