1、半导体基础知识和半导体器件工艺第一章 半导体基础知识;h je)xl6Cw通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl 水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素 Ge 锗、Si 硅等，三、五族元素的化合物 GaAs 砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长 1 厘米、截面积为1 平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆* 厘米。电阻率越小说明该物质的导电
2、性能越好。通常导体的电阻率在 10-4 欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在 109欧姆* 厘米以上。半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质：(1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如 Si 在 200时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。J+Z
3、;%PR R/z(2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。(3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为 5*1022/cm3的硅中掺进大约 5X1015/cm3磷原子，比例为 10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。
4、当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。-将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的 4 个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫 N 型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的 4 个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫 p 型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、
5、铟、硼等。电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示，迁移率愈大，截流子运动速度愈快。假如把一些电洞注入到一块 N 型半导体中，N 型就多出一部分少数载子电洞，但由于 N 型半导体中有大量的电子存在，当电洞和电子碰在一起时，会发生作用，正负电中和，这种现象称为复合。单个 N 型半导体或 P 型半导体是没有什么用途的。但使一块完整的半导体的一部分是 N 型，另一部分为 P 型，并在两端加上电压，我们会发现有很奇怪的现象。如果将 P 型半导体接电源的正极，N 型半导体接电源的负极，然后缓慢地加电压。当电压很小时，一般小于0.7V 时基
6、本没有电流流过，但大于 0.7V 以后，随电压的增加电流增加很快，当电压增加到一定值后电流几乎就不变化了。这样的连接方法为正向连接，所加的电压称为正向电压。将 N 型半导体接电源的正极，P 型半导体接电源的负极，当电压逐渐增大时，电流开始会有少量的增加，但达到一定值后电流就保持不变，并且电流值很小，这个电流叫反向饱和电流、反向漏电流。当电压继续加到一定程度时，电流会迅速增加，这时的电压称为反向击穿电压。这是由于载子（电子和电洞）的扩散作用，在 P 型和 N 型半导体的交界面附近，由于电子和电洞的扩散形成了一个薄层（阻挡层），这个薄层称作 PN 接面。在没有外加电压时，PN 接面本身建立起一个电
7、场，电场的方向是由 N 区指向 P 区，从而阻止了电子和电洞的继续扩散。当外加正电压时，削弱了原来存在于 PN接面中的电场，在外加电场的作用下，N 区的电子不断地走向 P 区，P 区的电洞不断地走向 N 区，使电流流通。当外加反向电压时，加强了电场阻止电子和电洞流通的作用，因此电流很难通过。这就是 PN 接面的单向导电性。0? S;pd.1U,mA;7U.HWX(w3p.F7D:l9wC7%b.Sc Zw/ tD#G GlP( kc5p | np4wl3ee6IOv+kV h-p$kZ;nf$aax“?/B0o#$ v6K*Sq U:_,M)jtYm半导体二极管是由一个 PN 接面组成，而三极
8、管由两个 PN 接面组成：射极接面和集极接面。这两个接面把晶体管分成三个区域：发射区、基区和集电区。由于这三个区域的电类型不同，又可分为 PNP 晶体管和 NPN 晶体管。PNP 晶体管和 NPN 晶体管虽然形式不同，但工作原理是一样的，都可以用 PN 接面论来说明。)W,G.gL/? |-U第二章 半导体器件和工艺- X U/P(_fd:g B第一节 半导体器件的发展过程1947 年发明了晶体管，有了最简单的点接触电晶体和接面型晶体管。五十年代初期才开始出现市售的晶体管产品。在 1959 年世界上第一块集成电路问世，由于当时工艺手段的缺乏，例如采用化学方法选择的腐蚀台面、蒸发时采用金属掩模板
9、来形成引线，使得线宽限制在 100um 左右，集成度很低。在 1961 年出现了硅平面工艺后，利用氧化、扩散、光刻、外延、蒸发等平面工艺，在一块硅片上集成多个组件，因而诞生了平面型集成电路。六十年代初，实现了平面集成电路的商品化，这时的集成电路是由二极管、三极管和电阻互连所组成的简单逻辑门电路。随后在 1964 年出现 MOS 集成电路，从此双极型和 MOS型集成电路并行发展，集成电路也由最初的小规模集成电路发展到中规模集成、大规模集成甚至于超大规模集成电路。AI F ,v第二节 半导体器件的分类Q6AP R0i2z大多数半导体器件可以分成四组：双极器件、单极器件、微波器件和光子器件。“E#g
10、:n|f双极器件可分成 PN 接面二极管、双极晶体管即三极管、晶体闸流管（又称晶闸管、可控硅）。单极器件可分成接面型场效应晶体管（JFET）、金属半导体场效应晶体管（MESFET）、MIS 、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。微波器件和光子器件各方面要求比较高，生产比较困难。目前本公司主要生产双极器件（三极管和集成电路），另外还有少量的单极器件（场效应晶体管）和可控硅、芯片等。IP6Hv3|T(6n%p:_Dy Sg v第三节 半导体器件生产工艺概述半导体器件制造技术是一门新兴的电子工业技术，它是发展电子计算机、宇航、通讯、工业自动化和家用电器等电子技术的基础。半导体技术的发展是与
11、半导体器件的发展紧密相连的。如用合金技术制成的合金管，然后又相继出现了合金扩散管、台面管等。1960 年左右硅平面工艺和外延技术的诞生，半导体器件的制造工艺获得了重大突破，使得半导体器件向微型化、低功耗和高可靠性方向发展。平面晶体管具有许多优点：YIy,_$rcV(一) 由于平面管在整个制造过程中硅片表面及最后的管芯表面都覆盖有一层二氧化硅薄膜。使 PN 结面始终不直接裸露在外面，因此一方面可减少生产过程中受到污染，同时也可避免在管子制成后环境中水汽、各种离子和气体分子对 PN 接面状态的影响，从而有效地提高了平面管的可靠性和稳定性。(二) 提高了晶体管的参数性能，主要是三项： 1.噪音低。晶
12、体管的低频噪音与接面状态关系非常密切，而平面管 PN 结面有二氧化硅保护，表面非常稳定，所以比其它类型的晶体管都要小。2.反向电流特别小。由于二氧化硅的保护，使接面比较洁净，因此表面漏电流非常小，使得反向电流特别小。3.高频大功率特性好。通过光刻和选择扩散可以得到电极图形十分精致复杂的晶体管，使晶体管的高频大功率性能有了很大的提高。(三)特别适合于大量的成批生产且参数一致性好。平面管管芯是用选择扩散、蒸发电极等工艺制成，在硅片上可同时生产许多管芯，而且平面工艺比较稳定，重复性好，所以一致性也比其它类型的晶体管好。第四节 硅外延平面管制造工艺以 NPN 管为例硅外延平面管的结构如图其主要工艺流程
13、如下所示：SIO2 E B.p“tes0s.j5、 热氧化层错。产生的原因有：（1 ）硅片本身的微缺陷。（2 ）磨抛或离子注入造成的表面损伤，表面玷污。（3）高温氧化中产生的热缺陷和热应力。l7BClT四、厚度的检查nDp“_黄褐 300p_t N0S蓝 800 YWI紫 1000 2750 4650 6500深蓝 1500 3000 4900 6800u Uh绿 1850 3300 5600 7200黄 2100 3700 5600 7500 橙 2250 4000 6000红 2500 4350 6250 g_ pW NM We B O Yu,zS第八节 扩散工艺扩散技术是在高温条件下，将
14、杂质原子以一定的可控量掺入到半导体中，以改变半导体基片（或已扩散过的区域）的导电类型或表面杂质浓度。p5YC3oF?9A.m一、 扩散工艺的优点*zW:W“Jmc H?扩散工艺具有以下几方面的优越性：（1）可以通过对温度、时间等工艺条件的准确调节，来控制 PN 接面的深度和晶体管的基区宽度，并能获得均匀平坦的接面。（2 ）可以通过对扩散工艺条件的调节与选择，来控制扩散层表面的杂质浓度及其杂质分布，以满足不同器件的要求。UKUd1P y9x#E/G（3）与氧化、光刻和真空镀膜等技术相组合形成的硅平面工艺有利于改善晶体管和集成电路的性能。（4）重复性好，均匀性好，适合与大批量生产。二、 扩散方法在
15、晶体管和集成电路的制造中，虽然采用的扩散工艺各不同，但是可分成一步法扩散和两步法扩散。两步法扩散分预淀积和再分布两步进行。一步法与两步法中的预淀积一样属于恒定表面源扩散，而两步法中的再分布属于限定表面源扩散。由于恒定源和限定源两者的边界和初始条件不同，杂质在硅中的分布状况也各不相同。S.b8M/C9p9Fg E在恒定源扩散过程中，硅片表面与浓度始终不变的杂质（气体或固体）相接触，即在整个扩散过程中硅片表面浓度 NS 不变，但与扩散杂质的种类、杂质在硅中的固溶度和扩散温度有关。硅片内部的杂质浓度随时间的增加而增加，随离硅片表面距离的增加而减少。在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，没有外
16、来杂质的补充，只依靠淀积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子，向硅片体内继续进行扩散，在扩散温度恒定时，随扩散时间的增加，一方面硅片表面的杂质浓度将不断地下降。三、扩散参数;u1P qQ&-R -&w I!s扩散工序不论是预淀积还是再扩散，至少需要两个参数来进行检测：（1）薄层电阻 RS（/ ）； (2) 扩散结深 X j（um ）。:HQ&kq*z0h u 薄层电阻 Rs 又称方块电阻 R，它表示表面为正方形的扩散薄层在电流方向( 电流方向平行于正方形的边)上所呈现的电阻。薄层电阻的大小与薄层的长度无关，而与薄层的平均电导率成反比，与薄层厚度（即接面深度）成反比。扩散接面 Xj 就是 PN
17、 接面所在的几何位置，也可以说是 P 型杂质浓度与 N 型衬底杂质相等的地方到硅片表面的距离（或者 N 型杂质浓度与 P 型衬底杂质相等的地方到硅片表面的距离）。四、扩散常见的质量问题 r A vF |(1) 合金点和破坏点：在扩散后有时可观察到扩散窗口的硅片表面上有一层白雾状的东西或有些小的突起，用显微镜观察时前者是一些黑色的小圆点，后者是一些黄亮点、透明的突起，小圆点称为合金点，透明突起称为破坏点。杂质在这些缺陷处的扩散速度特别快，造成结平面不平坦，PN 接面低击穿或分段击穿。(2) 表面玻璃层。硼和磷扩散之后，往往在硅片表面形成一层硼硅玻璃或磷硅玻璃，这是由于扩散温度过高或扩散时间过长产
18、生的，此玻璃层与光刻胶的粘附性极差，光刻腐蚀时容易脱胶或产生钻蚀，而且该玻璃层不易腐蚀。(3) 白雾。这种现象在固一固扩散及液态源磷扩散经常发生。主要原因是淀积二氧化硅层（含杂质源）时就产生了，或在磷扩散时磷杂质浓度过高以及石英管中偏磷酸产生大量的烟雾喷射在硅片表面，在快速冷却过程中产生。光刻时容易造成脱胶或钻蚀。“Yq E2mZrt3aay(4) 方块电阻偏大或偏小。方块电阻的变化反映了扩散到硅中的杂质总量的多少，容易造成管芯数不易控制。“_ Xm -E第九节 光刻工艺/E8mL mv 光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的就是按照器件设计的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上面，刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。光刻工艺流程一般分为涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶等步骤。4S5 (D-GK |光刻质量要求：（1）刻蚀的图形完整、尺寸准确、边缘整齐、线条陡直。（2）图形内无小凸起、无针孔、不染色、刻蚀干净。（3）硅片表面清洁、发花、没有残留的被腐蚀物质。（4 ）图形套合十分准确。
