硅及二氧化硅的特性分析

简言之，晶体管以及我们的通信革命，如果没有半导体这一类固体材料所具有的独特优点，就不会存在。没有半导体，就没有晶体管，没有晶体管，也就没有电子学；没有电子学，也就没有通信革命。这一人类活动的领域在历史上称为“微电子学”，其中“微”是“微米”的简称，即1米的百万分之一。目前，微电子学正在迅速地演变成“纳电子学”。纳米是1米的十亿分之一。我把微米和纳米合称为“微纳电子学”，利用半导体生产极微型电子器件，它是被模糊定义的科学领域。

硅是一种特别的半导体，占领了超过全球半导体市场2040亿美元的95%的份额。这绝不是巧合，自然界中所有的建材中，硅十分独特，即使在半导体中也是独一无二的。这使它成为60多年来生产1×1019个晶体管的理想材料！

硅的优点众多，下面叙述一些半导体硅的显著优点。

地球上盛产硅，并且它可以很容易地纯化至极低的本底杂质浓度[杂质浓度很容易低于百万分之一（ppm）]，从而成为地球上最纯净的用来生产晶体管的材料之一。

晶体硅（材料内部的原子规则排列，是建造电子产品的首选形态，正如我们将看到的）可以生长得非常大，而且几乎无缺陷。目前，晶体硅可以长到直径30 cm、约1.8 m长的尺寸，重达数千千克！这种完美的硅晶体（称为“硅刚玉”，像宝石）实际上是地球表面最大的完美晶体。

硅具有优良的热性能，可以有效地去除散发的热量。这很关键，因为即使组成一个微处理器的1000万个晶体管中每一个散发的热量极少（如0.001 W），但加起来就有许多的热量（10000 W=灾难）。如果这些热量不能有效地去除，那么芯片温度的上升就会失控，可靠性和性能就会降低。

硅原子结晶形成“钻石”结构，就像碳晶体（真正的钻石）。这是一种非常稳定和强大的晶体结构，硅的许多优良特性，直接与这一基本的晶体结构有关。

硅无毒且高度稳定，这使得它在许多方面成为最好的“绿色”材料，虽然完成制造过程所需的气体（二硼烷、磷化氢和砷化氢）实际上是“肮脏”的。

硅具有优良的力学性能，使得微纳电子制造过程便于操作。对于一个300 mm直径的硅晶棒，晶片可以被切割到大约0.80 mm的厚度（生产超平“薯片”，在微电子学专业术语中称为“晶片”），这能够使每根硅晶棒切割成的晶片的数目最大化。想想成本。这种力学性能的稳定性也使制造过程中的晶片的翘曲为最小。

也许最重要的是，一个非常高品质的绝缘体（更正式一些可称为“电介质”）可以在硅片上生长，只需简单地在高温下让氧气在晶片表面流过（甚至只需把它放在架子上经过短短几分钟的时间即可）。这种介质——二氧化硅（SiO2，地质学家叫做“石英”），是自然界最完美的绝缘体（1 cm厚的Si可以承受高达1×107V的电压而不会被击穿）之一。其后我们将会看到，SiO2可以创造性地用于晶体管的设计和制造。(www.xing528.com)

这里就要提到一个叫做热氧化的技术。硅IC成功的主要原因就是如上所说，能在硅表面获得性能优良的天然二氧化硅层。该氧化层在MOSFET中被用做栅绝缘层，也可作为器件之间隔离的场氧化层。连接不同器件用的金属互连线可以放置在场氧化层顶部。大多数其他的半导体表面不能形成质量满足器件制造要求的氧化层。

硅在空气中全氧化形成大约厚25 A的天然氧化层。但是，通常的氧化反应都在高温下进行，因为基本工艺需要氧气穿过已经形成的氧化层到达硅表面，然后发生反应。氧气通过扩散过程穿过直接与氧化层茬面相邻的凝滞气体层，然后穿过已有的氧化层到达硅表面，最后在这里与硅反应形成二氧化硅。由于这个反应，表面的硅被消耗了一部分。被消耗的硅占最后形成的氧化层厚度的44%。

而氧化的方法又有两种：湿氧氧化和干氧氧化。湿氧氧化的氧化剂是使用氧和水蒸气的混合物。湿氧氧化具有较高氧化速率，可用于生长厚的氧化层。干氧氧化可获得特性良好的Si-SiO2界面，所以通常用来生长器件的氧化物薄层。硅晶片原材料经过氧化工艺处理后，就会在硅晶片的整个表面形成一层SiO2。

讲到这里，不得不提一提半导体界面研究。半导体界面研究在半导体物理学和器件工艺中占据着很重要的地位。半导体一金属接触是最早为人们所研究的界面。德国人肖特基（Schottky）和英国人莫特（Mott）依据金属和半导体电子功函数不同提出，在半导体一金属界面上存在接触势垒，这一理论能够解释半导体一金属间的整流作用，但不能说明不同金属与半导体接触势垒高度几乎相同。美国人巴丁（Bardeen）进一步提出，半导体表面存在高密度表面，它“锁定”了势垒高度，解释了与金属功函数无关。

半导体-绝缘介质接触在微电子技术中有广泛应用，SiO2/Si是典型的半导体-绝缘介质接触。在SiO2/Si界面存在有：

①由于硅晶格周期性中断而产生的“快表面态”；

②由于在界面处过量硅离子而产生的固定正界面电荷密度QSS。前者可用适当工艺处理降低或消除，而后者则不能从工艺上消除，而且QSS大小与半导体结晶方向密切相关。

稳定的SiO2膜和优质的SiO2/Si界面系统使硅成为应用最广泛的半导体材料。两种不同的半导体材料接触，在界面附近形成半导体异质结，界面上仍保持了晶格的连续性，两种半导体晶格常数的差异导致界面上产生大量的界面态（或悬挂键），它对异质结能带结构和电子输运有很大影响，晶格失配越小，界面态密度越低。异质结在现代半导体器件，尤其在激光器和其他光电器件中具有极重要的应用价值。