半導體基礎知識和半導體器件工藝

第一章 半導體基礎知識

  　通常物質根據其導電性能不同可分成三類。第一類爲導體，它可以很好的傳導電流，如：金屬類，銅、銀、鋁、金等；電解液類：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物體。第二類爲絕緣體，電流不能通過，如橡膠、玻璃、陶瓷、木板等。第三類爲半導體，其導電能力介於導體和絕緣體之間，如四族元素Ge鍺、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化鎵等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。
    物體的導電能力可以用電阻率來表示。電阻率定義爲長1釐米、截面積爲1平方釐米的物質的電阻值，單位爲歐姆*釐米。電阻率越小說明該物質的導電性能越好。通常導體的電阻率在10-4歐姆*釐米以下，絕緣體的電阻率在109歐姆*釐米以上。
    半導體的性質既不象一般的導體，也不同于普通的絕緣體，同時也不僅僅由於它的導電能力介於導體和絕緣體之間，而是由於半導體具有以下的特殊性質：
(1) 溫度的變化能顯著的改變半導體的導電能力。當溫度升高時，電阻率會降低。比如Si在200℃時電阻率比室溫時的電阻率低幾千倍。可以利用半導體的這個特性製成自動控制用的熱敏元件（如熱敏電阻等），但是由於半導體的這一特性，容易引起熱不穩定性，在製作半導體器件時需要考慮器件自身産生的熱量，需要考慮器件使用環境的溫度等，考慮如何散熱，否則將導致器件失效、報廢。
(2) 半導體在受到外界光照的作用是導電能力大大提高。如硫化鎘受到光照後導電能力可提高幾十到幾百倍，利用這一特點，可製成光敏三極管、光敏電阻等。
(3) 在純淨的半導體中加入微量（千萬分之一）的其他元素（這個過程我們稱爲摻雜），可使他的導電能力提高百萬倍。這是半導體的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中摻進大約5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千萬分之一），矽的導電能力提高了幾十萬倍。
  物質是由原子構成的，而原子是由原子核和圍繞它運動的電子組成的。電子很輕、很小，帶負電，在一定的軌道上運轉；原子核帶正電，電荷量與電子的總電荷量相同，兩者相互吸引。當原子的外層電子缺少後，整個原子呈現正電，缺少電子的地方産生一個空位，帶正電，成爲電洞。物體導電通常是由電子和電洞導電。
  前面提到摻雜其他元素能改變半導體的導電能力，而參與導電的又分爲電子和電洞，這樣摻雜的元素（即雜質）可分爲兩種：施主雜質與受主雜質。
  將施主雜質加到矽半導體中後，他與鄰近的4個矽原子作用，産生許多自由電子參與導電，而雜質本身失去電子形成正離子，但不是電洞，不能接受電子。這時的半導體叫N型半導體。施主雜質主要爲五族元素：銻、磷、砷等。
將施主雜質加到半導體中後，他與鄰近的4個矽原子作用，産生許多電洞參與導電，這時的半導體叫p型半導體。受主雜質主要爲三族元素：鋁、鎵、銦、硼等。
電洞和電子都是載子，在相同大小的電場作用下，電子導電的速度比電洞快。電洞和電子運動速度的大小用遷移率來表示，遷移率愈大，截流子運動速度愈快。\
假如把一些電洞注入到一塊N型半導體中，N型就多出一部分少數載子――電洞，但由於N型半導體中有大量的電子存在，當電洞和電子碰在一起時，會發生作用，正負電中和，這種現象稱爲複合。
單個N型半導體或P型半導體是沒有什麽用途的。但使一塊完整的半導體的一部分是N型，另一部分爲P型，並在兩端加上電壓，我們會發現有很奇怪的現象。如果將P型半導體接電源的正極，N型半導體接電源的負極，然後緩慢地加電壓。當電壓很小時，一般小於0.7V時基本沒有電流流過，但大於0.7V以後，隨電壓的增加電流增加很快，當電壓增加到一定值後電流幾乎就不變化了。這樣的連接方法爲正向連接，所加的電壓稱爲正向電壓。將N型半導體接電源的正極，P型半導體接電源的負極，當電壓逐漸增大時，電流開始會有少量的增加，但達到一定值後電流就保持不變，並且電流值很小，這個電流叫反向飽和電流、反向漏電流。當電壓繼續加到一定程度時，電流會迅速增加，這時的電壓稱爲反向擊穿電壓。這是由於載子（電子和電洞）的擴散作用，在P型和N型半導體的交界面附近，由於電子和電洞的擴散形成了一個薄層（阻擋層），這個薄層稱作PN接面。在沒有外加電壓時，PN接面本身建立起一個電場，電場的方向是由N區指向P區，從而阻止了電子和電洞的繼續擴散。當外加正電壓時，削弱了原來存在於PN接面中的電場，在外加電場的作用下，N        區的電子不斷地走向P區，P區的電洞不斷地走向N區，使電流流通。當外加反向電壓時，加強了電場阻止電子和電洞流通的作用，因此電流很難通過。這就是PN接面的單向導電性。

半導體基礎知識和半導體器件工藝

半導體二極體是由一個PN接面組成，而三極管由兩個PN接面組成：射極接面和集極接面。這兩個接面把電晶體分成三個區域：發射區、基區和集電區。由於這三個區域的電類型不同，又可分爲PNP電晶體和NPN電晶體。PNP電晶體和NPN電晶體雖然形式不同，但工作原理是一樣的，都可以用PN接面論來說明。

第二章         半導體器件和工藝
第一節 半導體器件的發展過程

1947年發明了電晶體，有了最簡單的點接觸電晶體和接面型電晶體。五十年代初期才開始出現市售的電晶體産品。在1959年世界上第一塊積體電路問世，由於當時工藝手段的缺乏，例如採用化學方法選擇的腐蝕臺面、蒸發時採用金屬掩模板來形成引線，使得線寬限制在100um左右，集成度很低。在1961年出現了矽平面工藝後，利用氧化、擴散、光刻、外延、蒸發等平面工藝，在一塊矽片上集成多個元件，因而誕生了平面型積體電路。六十年代初，實現了平面積體電路的商品化，這時的積體電路是由二極體、三極管和電阻互連所組成的簡單邏輯門電路。隨後在1964年出現MOS積體電路，從此雙極型和MOS型積體電路並行發展，積體電路也由最初的小規模積體電路發展到中規模集成、大規模集成甚至於超大型積體電路。

第二節 半導體器件的分類

大多數半導體器件可以分成四組：雙極器件、單極器件、微波器件和光子器件。
雙極器件可分成PN接面二極體、雙極電晶體即三極管、晶體閘流管（又稱晶閘管、可控硅）。單極器件可分成接面型場效應電晶體（JFET）、金屬—半導體場效應電晶體（MESFET）、MIS、金屬—氧化物—半導體場效應電晶體（MOSFET）。
微波器件和光子器件各方面要求比較高，生産比較困難。目前本公司主要生産雙極器件（三極管和積體電路），另外還有少量的單極器件（場效應電晶體）和可控硅、芯片等。

第三節　半導體器件生産工藝概述

半導體器件製造技術是一門新興的電子工業技術，它是發展電子電腦、宇航、通訊、工業自動化和家用電器等電子技術的基礎。半導體技術的發展是與半導體器件的發展緊密相連的。如用合金技術製成的合金管，然後又相繼出現了合金擴散管、臺面管等。1960年左右矽平面工藝和外延技術的誕生，半導體器件的製造工藝獲得了重大突破，使得半導體器件向微型化、低功耗和高可靠性方向發展。
平面電晶體具有許多優點：
(一) 由于平面管在整個製造過程中硅片表面及最後的管芯表面都覆蓋有一層二氧化矽薄膜。使P—N結面始終不直接裸露在外面，因此一方面可減少生産過程中受到污染，同時也可避免在管子製成後環境中水汽、各種離子和氣體分子對P—N接面狀態的影響，從而有效地提高了平面管的可靠性和穩定性。
(二) 提高了電晶體的參數性能，主要是三項：1.噪音低。電晶體的低頻噪音與接面狀態關係非常密切，而平面管P—N結面有二氧化矽保護，表面非常穩定，所以比其他類型的電晶體都要小。2.反向電流特別小。由於二氧化矽的保護，使接面比較潔淨，因此表面漏電流非常小，使得反向電流特別小。3.高頻大功率特性好。通過光刻和選擇擴散可以得到電極圖形十分精致複雜的電晶體，使電晶體的高頻大功率性能有了很大的提高。
(三)特別適合於大量的成批生産且參數一致性好。平面管管芯是用選擇擴散、蒸發電極等工藝製成，在矽片上可同時生産許多管芯，而且平面工藝比較穩定，重復性好，所以一致性也比其他類型的電晶體好。

半導體基礎知識和半導體器件工藝
第四節　矽外延平面管製造工藝

以NPN管爲例矽外延平面管的結構如圖其主要工藝流程如下所示：
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第六節 外延工藝

在一定的條件下，在一塊經過仔細製備的單晶襯底上沿著原來的結晶軸方向，生長出一層導電類型、電阻率、厚度和晶格結構、完整性等都符合要求的新單晶層的過程，稱爲外延。這層單晶層叫做外延層。
由於許多半導體器件是直接製作在外延層上的，外延層質量的好壞，將直接影響器件的性能。外延層的質量通常是應滿足下列要求：完整性的晶體結構、精確而均勻的電阻率，均勻的外延層厚度、表面應光潔、無氧化、無雲霧、表面無缺陷（一般指角錐體、亮點和星型缺陷等）和體內缺陷（一般指位錯、層錯和滑移線等）要少，對於積體電路的隱埋層還要求無圖形畸變現象等。
目前在生産中常見的外延質量有角錐體，常說的矽渣，嚴重影響光刻質量，影響産品的合格率；電阻率不均勻，影響産品參數的控制，很容易導致參數不合格報廢。需要外延前注意矽片表面的清洗，減少缺陷，控制好外延的均勻性不是特別的好，所以串片很容易導致參數不合格。

第七節 氧化工藝

一、        化工藝的種類
在半導體生産中有許多種氧化工藝，比較常用的氧化工藝爲熱氧化。
矽的熱氧化按下面化學反應式進行
氣體種類        反應式        速度
O2（乾）        Si+O2→SiO2        慢
H2O或(H2+O2)        Si+2H2O→SiO2+2H2        快
在氧化過程中要消耗一定量的矽生成一定厚度的二氧化矽。乾氧氧化的速度比較慢適合生長比較薄的氧化層。濕氧氧化速度比較快適合生長比較厚的氧化膜，但氧化層緻密性不好，光刻容易産生浮膠現象，因此在做濕氧氧化工藝時，通常採用乾氧—濕氧—乾氧的氧化工藝方法生長二氧化矽薄膜。
二、        氧化矽薄膜的作用
二氧化矽薄膜最重要的應用是作爲雜質選擇擴散的掩蔽膜，因此需要一定的厚度來阻擋雜質擴散到矽中。二氧化矽還有一個作用是對器件表面保護和鈍化。二氧化矽薄膜還可作爲某些器件的組成部分：（1）用作器件的電絕緣和隔離。（2）用作電容器的介質材料。（3）用作MOS電晶體的絕緣柵介質。
三、氧化矽薄膜常見的問題
1、        厚度均勻性問題。造成不均勻的主要原因是氧化反應管中的氧氣和水汽的蒸汽壓不均勻，此　外氧化爐溫度不穩定、恒溫區太短、水溫變化或矽片表面狀態不良等也會造成氧化膜厚度不均　勻。膜厚不均勻會影響氧化膜對擴散雜質的掩蔽作用和絕緣作用，而且在光刻腐蝕時容易造成局　部鑽蝕。
2、        表面斑點。造成斑點的原因有：（1）氧化前表面處理不好。（2）氧化石英管長期處於高溫下，産生一些白色薄膜落在矽片表面上。（3）水蒸汽凝聚在管口形成水珠濺在矽片表面上或水浴瓶中的水太滿造成水珠射入石英管內，或清洗殘留的水迹。出現斑點後斑點處的薄膜對雜質的掩蔽能力比較低，從而造成器件性能變壞，突出的大斑點會影響光刻的對準精度。
3、        氧化膜針孔。當矽片存在位錯和層錯時就會形成針孔，它能使擴散雜質在該處穿透，使掩蔽失效，引起漏電流增大，耐壓降低，甚至穿透，還能造成金屬電極引線和氧化膜下面的區域短路造成失效。
4、        反型現象。由於表面玷污，氧化膜中存在大量的可移動的正電荷，如鈉離子、氫離子、氧空位等使P型矽一側感應出負電荷，從而出現了反型。
5、        熱氧化層錯。産生的原因有：（1）矽片本身的微缺陷。（2）磨抛或離子注入造成的表面損傷，表面玷污。（3）高溫氧化中産生的熱缺陷和熱應力。
四、厚度的檢查
測量厚度的方法很多，有雙光干涉法、電容—壓電法、橢圓偏振光法、腐蝕法和比色法等。在精度不高時，可用比色法來簡單判斷厚度。比色法是利用不同厚度的氧化膜在白光垂直照射下會呈現出不同顔色的干涉條紋，從而大致判斷氧化層的厚度。
顔色                  氧化膜厚度（埃）
灰        100
黃褐      300
藍        800
紫        1000      2750     4650      6500
深藍      1500      3000     4900      6800
綠        1850      3300     5600      7200
黃        2100      3700     5600      7500  
橙        2250      4000     6000
紅        2500      4350     6250
   
第八節　擴散工藝

擴散技術是在高溫條件下，將雜質原子以一定的可控量摻入到半導體中，以改變半導體基片（或已擴散過的區域）的導電類型或表面雜質濃度。
一、        擴散工藝的優點
擴散工藝具有以下幾方面的優越性：
（1）可以通過對溫度、時間等工藝條件的準確調節，來控制PN接面的深度和電晶體的基區寬度，並能獲得均勻平坦的接面。
（2）可以通過對擴散工藝條件的調節與選擇，來控制擴散層表面的雜質濃度及其雜質分佈，以滿足不同器件的要求。
（3）與氧化、光刻和真空鍍膜等技術相組合形成的矽平面工藝有利於改善電晶體和積體電路的性能。
（4）重復性好，均勻性好，適合與大批量生産。
二、        擴散方法
在電晶體和積體電路的製造中，雖然採用的擴散工藝各不同，但是可分成一步法擴散和兩步法擴散。兩步法擴散分預澱積和再分佈兩步進行。一步法與兩步法中的預澱積一樣屬於恒定表面源擴散，而兩步法中的再分佈屬於限定表面源擴散。由於恒定源和限定源兩者的邊界和初始條件不同，雜質在矽中的分佈狀況也各不相同。
  　　　　 　在恒定源擴散過程中，矽片表面與濃度始終不變的雜質（氣體或固體）相接觸，即在整個擴散過程中矽片表面濃度NS不變，但與擴散雜質的種類、雜質在矽中的固溶度和擴散溫度有關。矽片內部的雜質濃度隨時間的增加而增加，隨離矽片表面距離的增加而減少。
在限定源擴散過程中，矽片內的雜質總量保持不變，沒有外來雜質的補充，只依靠澱積在矽片表面上的那一層數量有限的雜質原子，向矽片體內繼續進行擴散，在擴散溫度恒定時，隨擴散時間的增加，一方面矽片表面的雜質濃度將不斷地下降。
三、擴散參數
擴散工序不論是預澱積還是再擴散，至少需要兩個參數來進行檢測：（1）薄層電阻RS（

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