半导体基础知识和半导体器件工艺.docx

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 r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。

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5X10i5/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、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一一电洞，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接面的单向导电性射極接面 集極接面發射極射極接面 集極接面發射極半导体二极管是由一个PN接面组成，而三极管由两个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接面论来说明第二章 半导体器件和工艺第一节 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来形成引线，使得线宽限制在lOOum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第二节 半导体器件的分类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）、金属一半导体场效应晶体管（MESFET）、MIS、 金属一氧化物一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。

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：（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 P—N 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P—N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.噪音低晶体管的低频噪音与接面状态关系 非常密切，而平面管P—N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如下所示SIO2 E B3外延层衬底图 5-2 硅外延平面管结构(1) 切、磨、抛衬底(2)外延(3)一次氧化(4)基区光刻(5)硼扩散/硼注入、退火(6)发 射区光刻(7)磷扩散(磷再扩)(8)低氧(9)刻引线孔(10)蒸铝(11)铝反刻(12)合金化 (13) CVD (14)压点光刻(15)烘焙(16)机减(17)抛光(18)蒸金(19)金合金(20)中 测下面对上述各工序进行简单说明1) 切、磨、抛：根据管子的性能选择相应的单晶硅，按要求的厚度沿( 111)面进行切割， 然后用金刚砂进行研磨，最后用抛光粉进行抛光，使表面光亮，无伤痕2) 外延：在低电阻率的硅片上外延生长一层电阻率较高的硅单晶，这样高电阻率的外延层可 提高集电极的击穿电压，低电阻率的衬底硅片可降低集电极的串联电阻，减少饱和压降3) 一次氧化(基区氧化)：将硅片放在高温炉中进行氧化使表面生长一层一定厚度的二氧化 硅薄膜。

4) 一次光刻(基区光刻)：在二氧化硅层上，按器件要求的基区图形刻出窗口，使杂质只能 通过此窗口进入硅片，而不能进入有二氧化硅覆盖的硅片其它区域基区光刻要求窗口、边缘平 整，无小凸起和针孔5) 硼扩散/硼注入、退火：采用扩散或注入的方法在N型的外延层中形成P型的导电区一基 区采用注入的方法需使用退火来恢复注入对晶格的破坏以及激活注入进的硼原子6) 发射区光刻：为发射区磷扩散刻出一定图形的窗口要求同基区光刻7) 磷扩散(磷再扩)：形成发射区的过程改变再扩条件来改变参数P值和BVce°的值8) 低氧：在整个硅片上生长一层氧化层以进行引线光刻，同时也可进行放大系数0的微调9) 引线孔光刻：刻出电极引线接触窗口要求引线孔不刻偏，减少针孔10) 蒸铝：用真空蒸发的方法将铝蒸发到硅片表面11) 反刻铝：刻蚀掉电极引线以外的铝层，留下电极窗口处的铝作为电极内引线12) 合金化：蒸发在硅表面的铝和硅之间的接触不是欧姆接触，必须通过合金化使其变成欧 姆接触13) CVD :在硅片表面淀积一层二氧化硅，作为布线的最后钝化层，作为电极间绝缘，消除 有害缺陷14) 压点光刻:刻蚀出压焊点15) 烘焙:改变硅片的表面状况，减小小电流不好。

16) 机减:根据硅片功率耗散的要求，减薄至所要求的厚度17) 抛光:使减薄后的表面更加平整18) 蒸金:在硅片背面蒸上一薄层高纯度金，提高电路的开关速度，而且便于以后芯片烧结19) 金合金:使金与硅形成更好的接触，防止在烧结时金脱落20) 中测:将参数不合格的管芯剔除半导体集成电路制造工艺基本与平面晶体管差不多具体流程如下:(1)衬底制备 (2)埋层 氧化 (3)埋层光刻 (4)埋层扩散 (5)外延 (6)隔离氧化 (7) 隔离光刻 (8)隔离扩散 (9)基区氧化 (10)基区光刻 (11)硼扩散/硼注入、退火 (12)发射区光刻(13)磷扩散(磷再扩) (14)低氧 (15)刻引线 孔 (16)蒸铝 (17)铝反刻 (18)合金化 (19)CVD (20)压点光刻 (21)烘培 (22)中测集成电路制造工艺所特有的工艺:(1) 埋层扩散：在衬底上形成高浓度的N+扩散区这是由于集成电路是各晶体管的集电极引 出线是从硅片正面引出的，这样从集电极到发射极的电流必须从高阻的外延层流过，这相当于串 联了一个很大的电阻，使晶。