电子工业生产技术手册 （6） 半导体与集成电路卷PDF电子书下载

第1章半导体材料的物理和化学性质 1

目录 3

第1篇 3

1.1 晶格结构 3

1.1.1 晶格结构的周期性、晶胞 3

1.1.2晶列、晶面和密勒指数 3

1.1.3密堆集、配位数 4

1.1.4主要半导体的晶格结构 7

1.1.5晶格常数 10

1.2 能带和能级 12

1.2.1布洛赫定理和布里渊区 12

1.2.2主要半导体的能带结构 12

1.2.3能带边及其参数 25

4.4对外延片的质量要求和测量 27

1.2.4半导体中的杂质能级 30

1.3 物理性质和常数 35

1.3.1半导体的物理性质与键特性的关系 35

1.3.2半导体材料的机械和热学性质 36

1.3.3半导体材料的电学性质 42

1.3.4半导体的光学常数 47

1.4物化特性 52

1.4.1杂质分凝效应 52

1.4.3半导体材料的势力学数据 55

1.4.2相平衡和相图 57

1.5 材料的化学性质 71

1.5.1 硅的主要化学性质 71

1.5.2锗的主要化学性质 72

1.5.3碳化硅的主要化学性质 72

1.5.5磷化铟的主要化学性质 73

参考资料 73

1.5.4砷化镓的主要化学性质 73

第2章元素半导体材料的制备 76

2.1 多晶硅制备工艺 76

2.1.1工艺流程 76

2.1.2工业硅的制备 76

2.1.3 S1HCl3的合成 77

2.1.4 S1HCl3的提纯 79

2.1.5 S1HCl氢还原 80

2.2 直拉法制备硅单晶工艺 82

2.2.1结晶原理 82

2.2.2拉晶设备（单晶炉） 84

2.2.3原辅材料 87

2.2.4热场（或温场） 90

2.2.5拉晶工艺 90

2.2.6质量控制 109

2.3 悬浮区熔法制备硅单晶工艺 111

2.3.1区熔原理 111

2.3.2区熔设备 113

2.3.3区熔工艺 116

2.3.4质量控制 119

2.3.5悬浮区熔法的其他形态和应用 120

2.4.2直拉硅单晶的掺杂方法 122

2.4.1掺杂原理 122

2.4掺杂工艺 122

2.4.3区熔硅单晶的掺杂方法 128

2.4.4锗单晶的掺杂计算 132

2.5 非晶硅制备工艺 133

2.5.1基本特性 133

2.5.2生长原理 134

2.5.3非晶硅薄膜的制备方法 136

2.5.4非晶硅掺杂及pn结制备工艺 144

2.5.5微晶硅薄膜 146

2.6锗和硒 150

2.6.1锗 150

2.6.2 硒 154

参考资料 155

3.1.2条件 159

第3章硅片加工工艺 159

3.1.1作用 159

3.1晶体热处理 159

3.2晶锭加工 160

3.2.1晶锭截断 160

3.2.2晶锭研磨 160

3.3定向切割 163

3.3.1原理 163

3.3.2设备 163

3.3.3刀片 165

3.3.4粘结剂 166

3.3.7质量控制 167

3.3.6切割过程 167

3.3.5冷却液 167

3.4硅片研磨 168

3.4.1表面研磨 168

3.3.8锗和化合物半导体材料的切割 168

3.4.2边缘研磨 171

3.4.3化学减薄 172

3.5硅片抛光 172

3.5.1作用 172

3.5.2抛光种类 173

3.5.3二氧化硅抛光原理 173

3.5.4设备 174

3.5.5材料 174

3.5.6抛光工艺过程 178

3.5.8化合物半导体晶片的抛光工艺 179

3.5.7质量控制 179

3.6 抛光硅片的清洗和超净包装 181

3.6.1沾污的来源和种类 181

3.6.2清洗剂 181

3.6.3清洗条件 182

3.6.4清洗程序 182

3.6.5表面质量检测 184

3.6.6超净包装 184

参考资料 184

4.1.2按外延层厚度和电阻率分类 185

4.1 外延工艺分类 185

第4章硅外延工艺 185

4.1.1按结构分类 185

4.2气相外延 186

4.2.1基本原理 186

4.1.3按生长方法分类 186

4.2.2外延生长 194

4.2.3与质量有关的因素 199

4.2.4工艺改进 204

4.2.5几种特殊外延层生长工艺 206

4.3其它硅外延工艺 208

4.3.1 SOS外延 208

4.3.2液相外延 211

4.3.3固相外延 214

4.4.1对外延片的质量要求 217

4.4.2外延层测量 218

参考资料 219

第5章化合物半导体单晶制备 220

5.1 GaAs水平单晶制备工艺 220

5.1.1水平法单晶生长工艺 220

5.1.2掺杂无位错单晶生长 223

5.1.3半绝缘GaAs单晶生长 225

5.2 GaAs直拉单晶制备工艺 227

5.2.1 低压合成的LEC法（LP-LEC法） 227

5.2.2高压原位合成的液封直拉法（HP-LEC法） 229

5.2.4半绝缘GaAs单晶制备和质量检验 230

5.2.3低阻GaAs单晶制备 230

5.2.5影响单晶质量的因素及其控制 232

5.2.6制备GaAs单晶的各种方法的比较 234

5.3 GaP和InP单晶制备工艺 235

5.3.1 GaP单晶制备 235

5.3.2 InP单晶制备 237

5.4其它Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体制备工艺 243

5.4.1 GaSb单晶制备工艺 243

5.4.2 InSb单晶制备工艺 247

5.4.3 InAs单晶制备工艺 250

5.4.4 GaxIn1-xAs单晶制备工艺 253

5.4.5四元合金的制备 255

5.5.1 Hg1-xCdxTe单晶制备 257

5.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺 257

5.5.2其它Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体单晶的制备 265

5.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物单晶制备工艺 267

5.6.1铅－硫族化合物的制备 267

5.6.2Ⅳ-Ⅵ族三元系晶体的制备 267

5.7 化合物单晶质量要求 276

5.7.1 GaAs单晶质量要求 276

5.7.2 InP单晶质量要求 280

5.7.3 GaP单晶质量要求 280

5.7.4 CdTe单晶质量要求 281

5.7.5 Hgl-xCdxTe晶体质量要求 281

5.7.6 Pbl-xSnxTe晶体质量要求 281

参考资料 283

第6章化合物半导体外延 284

6.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物气相外延 284

6.1.1工艺基本原理 284

6.1.2外延装置与系统 287

6.1.3外延工艺 289

6.1.4 GaAs外延 296

6.1.5 InP外延 298

6.1.6多元Ⅲ-Ⅴ族化合物外延 299

6.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物液相外延 300

6.2.1工艺基本原理 300

6.2.2外延装置与系统 306

6.2.3外延工艺 308

6.2.4 GaAs、InP外延 314

6.2.5 多元化合物GaAlAs、GaInAs、Ga-InAsP外延生长 316

6.3 金属有机化学气相淀积法 324

6.3.1工艺基本原理 325

6.3.2外延装置与系统 326

6.3.3外延工艺 328

6.3.4 GaAs及有关化合物外延 329

6.3.5 InP及有关化合物外延 334

6.3.6工艺中的注意事项 338

6.4分子束外延 338

6.4.1工艺基本原理 339

6.4.2外延装置与系统 340

6.4.3外延工艺 344

6.4.4 GaAs外延 348

6.4.5多元Ⅲ-Ⅴ族化合物异质结外延 349

6.4.6选择分子束外延 356

6.5 Ⅱ-Ⅵ族化合物HgCdTe外延 357

6.5.1 HgCdTe外延方法 357

6.5.2衬底的选择与制备 358

6.5.3 HgCdTe气相外延生长 359

6.5.4滑块式液相外延 362

6.5.5分子束外延（MBE） 365

6.6 Ⅳ-Ⅵ族化合物PbSnTe外延 366

6.6.1开管气相外延 366

6.6.2液相外延 367

6.7 化合物外延质量要求 369

6.7.1微波器件用GaAs外延片 370

6.7.2光电器件用GaAs、GaP外延片 371

参考资料 373

第7章缺陷与杂质 375

7.1基本缺陷 375

7.1.1点缺陷 375

7.1.2线缺陷——位错 383

7.1.3面缺陷 387

7.1.4体缺陷 391

7.2微缺陷 392

7.2.1生长微缺陷 392

7.2.2热诱生微缺陷 398

7.2.3雾缺陷 402

7.3 辐射损伤缺陷 403

7.3.1辐射损伤 404

7.3.2电子辐照 405

7.3.3离子辐照损伤 406

7.3.4中子辐照损伤 406

7.4硅中的杂质 406

7.4.1硅中的氧 406

7.4.2硅中的碳 413

7.4.3硅中的氮 415

7.4.4硅中的金属杂质 416

7.5 化合物半导体中杂质 417

7.5.1砷化镓中的杂质 417

7.5.3磷化铟中的杂质 419

7.5.2磷化镓中的杂质 419

7.5.4其他化合物中的杂质 420

7.6缺陷、杂质的影响、控制和利用 420

7.6.1缺陷、杂质的影响 420

7.6.2缺陷的控制和利用 422

参考资料 427

第8章半导体电学参数测量 429

8.1导电型号 429

8.1.1热探针法 429

8.1.2冷探针法 430

8.1.3整流法 431

8.1.4霍尔效应法 432

8.2.1两探针法 433

8.2 电阻率 433

8.2.2四探针法 435

8.2.3扩展电阻法 438

8.2.4范德堡法 444

8.2.5涡流法 448

8.2.6光电压法 449

8.3 载流子浓度 451

8.3.1三探针击穿电压法 452

8.3.2微分电容法 454

8.3.3二次谐波法 456

8.3.4红外等离子反射光谱法 457

8.3.5红外吸收法 459

8.4迁移率 460

8.4.1漂移迁移率测量 461

8.4.2电导迁移率 464

8.4.3霍尔迁移率 464

8.4.4磁阻迁移率 469

8.5补偿度 471

8.5.1 载流子浓度与温度关系分析法 472

8.5.2迁移率分析法 476

8.5.3经验曲线 478

8.6 载流子寿命 480

8.6.1直流光电导衰退法 481

8.6.2高频光电导衰退法 483

8.6.3微波光电导衰退法 484

8.6.4表面光电压法 484

8.6.5光电流法 487

8.6.6电子束感生电流法 488

8.6.7 MOS电容法（测量硅的产生寿命和表面产生速度） 490

8.7禁带宽度 493

8.7.1霍尔效应或电阻率法 493

8.7.2吸收光谱法 494

8.7.3光声光谱法 495

8.7.4表面光电压谱法 496

8.8能级参数 496

8.8.1光吸收法 497

8.8.2 ？能级瞬态谱（DLTS）法 498

8.8.3光电容法 503

8.8.4光电流瞬态谱（PITS）法 506

8.8.5定值杂质光电导法 508

8.8.6光致发光法 510

8.9附录 522

参考资料 522

第9章半导体材料晶向、晶体缺陷、光学常数和几何尺寸的测量 522

9.1 晶向的测定 525

9.1.1光图法 525

9.1.2单色X射线法 527

9.1.3解理法 528

9.1.4从晶体外形和腐蚀坑判别晶向 528

9.2 光学常数的测定 530

9.2.1测量原理 530

9.2.3样品制备 532

9.2.2测量仪器 532

9.2.4测量步骤 533

9.2.5傅里叶红外光谱仪测定透过率和反射率 537

9.3 腐蚀金相法观测晶体中的缺陷 539

9.3.1测量原理 539

9.3.2测量仪器 540

9.3.3样品制备 540

9.3.4缺陷观测 544

9.4厚度测量 544

9.4.1晶片厚度测量 544

9.4.2外延层厚度的测量 546

9.5.1 测量原理 548

9.5 电容微感法测量晶片的翘曲度 548

9.5.2测量仪器 549

9.5.3样品制备 549

9.5.4测量步骤 549

9.6 光干涉法测量晶片的平整度 549

9.6.1测量原理 549

9.6.2测量仪器 550

9.6.3样品制备 550

9.6.4测量步骤 550

9.7 硅片切磨损伤层的测定 551

9.7.1测量原理 551

9.7.2测量装置和步骤 552

9.7.3计算 552

9.8.2测量装置 553

9.8.1测量原理 553

9.8 抛光硅片边缘轮廓的测量 553

9.8.3样品制备 554

9.8.4测量步骤 554

9.9 附录 晶体缺陷图 554

参考资料 558

第10章结构及表面分析 559

10.1概述 559

10.2 X射线衍射形貌法 560

10.2.1衬度形成原理简述 560

10.2.2实验技术 560

10.2.3在半导体材料分析中的应用 570

10.3.1结构及原理简述 576

10.3 扫描电子显微分析法 576

10.3.2二次电子像及其应用 577

10.3.3背散射电子像及其应用 578

10.3.4电子束感生电势像及其应用 579

10.3.5阴极荧光及其应用 580

10.3.6特征X射线及其应用 581

10.3.7电子通道花样及其应用 584

10.4 透射电子显微分析法 585

10.4.1原理简述 585

10.4.2分析技术 586

10.4.3在半导体缺陷分析中的应用 592

10.5 红外显微技术 599

10.5.1红外显微镜的原理和结构 599

10.5.2半导体材料的光谱特性及有效工作通带 600

10.5.3红外显微技术的应用 601

10.6 微分干涉衬度（N-DIC）显微术 602

10.6.1 N-DIC法原理 602

10.6.2 N-DIC法在半导体缺陷观测中的应用 605

10.7 光电子能谱分析法 608

10.7.1原理简述 608

10.7.2分析技术 609

10.7.3光电子能谱分析在半导体材料中的应用 611

10.8 奥格能谱（AES）分析法 619

10.8.1奥格能谱简述 619

10.8.2分析技术 621

10.8.3奥格能谱分析在半导体材料中的应用 623

第11章半导体材料的成份分析 625

参考资料 625

11.1 主要分析方法及其比较 626

11.2 发射光谱分析法（AES） 626

11.2.1原理和仪器 626

11.2.2方法与条件 628

11.2.3硅及其化合物的分析 630

11.2.4砷化镓及其原材料的分析 632

11.2.5磷化铟及其原材料的分析 634

11.2.6其它半导体原材料的分析 635

11.3 红外吸收光谱分析（IR） 636

11.3.1原理和仪器 636

11.3.2红外吸收法测定硅中氧的含量 639

11.3.3红外吸收法测定硅中碳的含量 641

11.3.4低温红外吸收法测定硅中硼磷含量 642

11.4 原子吸收光谱分析（AAS） 643

11.4.1原理和仪器 643

11.4.2测定条件及检测限 644

11.4.3干扰及其消除 645

11.4.4应用 646

11.5 光致发光分析（PL） 648

11.5.1原理 648

11.5.2测量装置 648

11.5.3分析方法 649

11.5.4应用 649

11.6.1原理和仪器 651

11.6 火花源质谱分析（SSMS） 651

11.6.2质谱线的种类和识别方法 652

11.6.3半定量分析方法 653

11.6.4定量分析方法 653

11.6.5应用 654

11.7二次离子质谱分析（SIMS） 655

11.7.1原理和仪器 655

11.7.2分析方法 658

11.7.3应用 660

11.8 X射线荧光光谱分析（XRF） 662

11.8.1原理和仪器 662

11.8.2分析方法 663

11.8.3应用 664

11.9.1原理和特点 665

11.9活化分析（AA） 665

11.9.2 中子活化分析法（简称NAA） 666

11.9.3带电粒子活化分析法 669

11.9.4 γ射线照射活化分析法 672

11.10半导体材料分析中主要试剂的纯化 673

11.10.1超纯水的制取 673

11.10.2常用试剂的纯化方法 673

11.10.3气体纯化方法 674

附表11-1 化学元素的天然同位素的原子量和丰度 675

附表11-2 中子活化分析法的检测限和使用的基本数据 678

参考资料 681

第12章半导体材料工艺的发展趋势 681

12.1硅材料 682

12.1.1直拉硅生长新工艺 683

12.1.2区熔硅研究新工艺 684

12.1.3硅外延材料动向 684

12.1.4硅材料的物性研究 685

12.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料 687

12.2.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物体材料研究 687

12.2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物外延材料研究 690

12.3 Ⅱ-Ⅵ及Ⅳ-Ⅵ族等化合物材料 694

12.4非晶态半导体 694

12.5有机半导体 695

12.6材料评价技术 695

参考资料 696