半導體材料的工藝流程

導體材料特性參數的大小與存在于材料中的雜質原子和晶體缺陷有很大關系。例如電阻率因雜質原子的類型和數量的不同而可能作大范圍的變化，而載流子遷移率和非平衡載流子壽命一般隨雜質原子和晶體缺陷的增加而減小。

另一方面，半導體材料的各種半導體性質又離不開各種雜質原子的作用。而對于晶體缺陷，除了在一般情況下要盡可能減少和消除外，有的情況下也希望控制在一定的水平，甚至當已經存在缺陷時可以經過適當的處理而加以利用。

為了要達到對半導體材料的雜質原子和晶體缺陷這種既要限制又要利用的目的，需要發展一套制備合乎要求的半導體材料的方法，即所謂半導體材料工藝。這些工藝大致可概括為提純、單晶制備和雜質與缺陷控制。

半導體材料的提純“主要是除去材料中的雜質。提純方法可分化學法和物理法。

化學提純是把材料制成某種中間化合物以便系統地除去某些雜質，最后再把材料（元素）從某種容易分解的化合物中分離出來。物理提純常用的是區域熔煉技術，即將半導體材料鑄成錠條，從錠條的一端開始形成一定長度的熔化區域。利用雜質在凝固過程中的分凝現象，當此熔區從一端至另一端重復移動多次后，雜質富集于錠條的兩端。去掉兩端的材料，剩下的即為具有較高純度的材料（見區熔法晶體生長）。此外還有真空蒸發、真空蒸餾等物理方法。鍺、硅是能夠得到的純度最高的半導體材料，其主要雜質原子所占比例可以小于百億分之一。

半導體材料的單晶制備：為了消除多晶材料中各小晶體之間的晶粒間界對半導體材料特性參量的巨大影響，半導體器件的基體材料一般采用單晶體。單晶制備一般可分大體積單晶(即體單晶)制備和薄膜單晶的制備。體單晶的產量高，利用率高，比較經濟。但很多的器件結構要求厚度為微米量級的薄層單晶。由于制備薄層單晶所需的溫度較低，往往可以得到質量較好的單晶。

具體的制備方法有：

①從熔體中拉制單晶：用與熔體相同材料的小單晶體作為籽晶，當籽晶與熔體接觸并向上提拉時，熔體依靠表面張力也被拉出液面，同時結晶出與籽晶具有相同晶體取向的單晶體。
②區域熔煉法制備單晶：用一籽晶與半導體錠條在頭部熔接，隨著熔區的移動則結晶部分即成單晶。

③從溶液中再結晶。

④從汽相中生長單晶。前兩種方法用來生長體單晶，用提拉法已經能制備直徑為200毫米,長度為1～2米的鍺、硅單晶體。后兩種方法主要用來生長薄層單晶。這種薄層單晶的生長一般稱外延生長，薄層材料就生長在另一單晶材料上。

這另一單晶材料稱為襯底，一方面作為薄層材料的附著體，另一方面即為單晶生長所需的籽晶。襯底與外延層可以是同一種材料(同質外延)，也可以是不同材料（異質外延）。采用從溶液中再結晶原理的外延生長方法稱液相外延；采用從汽相中生長單晶原理的稱汽相外延。液相外延就是將所需的外延層材料(作為溶質，例如GaAs)，溶于某一溶劑（例如液態鎵）成飽和溶液，然后將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質從過飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結晶出單晶薄層

。汽相外延生長可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過分解或還原等化學反應淀積于襯底上，也可以用所需材料為源材料，然后通過真空蒸發、濺射等物理過程使源材料變為氣態，再在襯底上凝聚。

分子束外延是一種經過改進的真空蒸發工藝。利用這種方法可以精確控制射向襯底的蒸氣速率，能獲得厚度只有幾個原子厚的超薄單晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交疊的多層外延材料。非晶態半導體雖然沒有單晶制備的問題，但制備工藝與上述方法相似，一般常用的方法是從汽相中生長薄膜非晶材料。

硅半導體材料中雜質和缺陷的控制：雜質控制的方法大多數是在晶體生長過程中同時摻入一定類型一定數量的雜質原子。這些雜質原子最終在晶體中的分布，除了決定于生長方法本身以外，還決定于生長條件的選擇。例如用提拉法生長時雜質分布除了受雜質分凝規律的影響外，還受到熔體中不規則對流的影響而產生雜質分布的起伏。

此外,無論采用哪種晶體生長方法,生長過程中容器、加熱器、環境氣氛甚至襯底等都會引入雜質，這種情況稱自摻雜。晶體缺陷控制也是通過控制晶體生長條件（例如晶體周圍熱場對稱性、溫度起伏、環境壓力、生長速率等）來實現的。

隨著器件尺寸的日益縮小，對晶體中雜質分布的微區不均勻和尺寸為原子數量級的微小缺陷也要有所限制。因此如何精心設計，嚴格控制生長條件以滿足對半導體材料中雜質、缺陷的各種要求是半導體材料工藝中的一個中心問題。