半導體基礎知識

1、半導體的物理基礎 1、半導體的定義：半導體是導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。 半導體的主要性能：在半導體中加入微量的某些其他元素的原子，半導體的導電性能能在很大范圍內(nèi)變化。半導體中的雜質(zhì)原子的含量微小但對半導體材料的導電能力卻起了決定性的作用，半導體的導電特性可以通過摻雜來控制是半導體能制成各種器件從而得到廣泛應用的一個重要原因。2、半導體材料的分類：元素半導體和化合物半導體材料，元素半導體材料主要包括硅、鍺等；化合物半導體材料主要包括砷化銦、鋁鎵砷等。3、本征半導體：沒有任何攙雜和缺陷的純凈半導體材料，這時其導電能力取決于材料本身的固有特征，這種半導體稱為本征半導體。SiSiSiSiSi

2、SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4、N型半導體：半導體中的雜質(zhì)如果有五個價電子就會得到如圖所示的晶體結(jié)構(gòu)如圖1。雜質(zhì)將置換晶體中的某些原子，五個價電子中的四個與周圍原子形成共價鍵而第五個價電子則不受任何約束，他起載流子的作用，這類雜志提供了電子載體，故稱他們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或N型雜質(zhì)。如果半導體中N型雜質(zhì)居多，則稱該半導體為N型半導體。 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP5、P型半導體：若將三價元素摻入本征半導體，只有三個共價鍵能添滿，第四個共價鍵的空位置上則構(gòu)成了一個孔穴如圖1。這類雜質(zhì)提供了有實際意義的正載流子，因為它們產(chǎn)生了可接納電子的孔穴。這類雜質(zhì)

3、成為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，以P型雜質(zhì)為主的半導體稱為P型半導體。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSi6、PN結(jié)：通過某種方法使半導體中一部分區(qū)域為P型，另一部分為N型，則在其交界面就形成了PN結(jié)。PN結(jié)最大的電學特點就是具有單向?qū)щ娦?。如圖2PN圖27、二極管：由一個PN結(jié)制作成的器件稱為二極管。二極管能在一個方向上允許電流通過，而另一個方向上阻礙電流通過。PN圖28、雙極晶體管：雙極晶體管是有兩個PN結(jié)構(gòu)成，雙極晶體管也叫三極管。如圖3所示。它共有三個電極，分別是發(fā)射極（e極）、基極（b極）和集電極（c極）。它的主要作用是對電流的放大作用，放大電路如圖，特性曲線如圖。

4、從圖中可以看出，隨基極電流的增大，集電極電流成倍增大。可見三極管對電流有增大作用。 PPN發(fā)射極基極集電極PNP型晶體管NNP發(fā)射極基極集電極NPN型晶體管圖3發(fā)射極基極集電極9、MOS晶體管：它是只用一種載流子進行工作的晶體管，也叫單極晶體管，它的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。它有三個電極，源極（S極）、漏極（D極）和柵極（G極）組成。對于NMOS是在硅片內(nèi)摻入了N型導電的小島。整個晶體覆蓋了二氧化硅層，并留出用于接源極和漏極的兩個窗口。如果我們在源極和漏極上加正電壓，沒有電流流過，如果加負電壓，也沒有電流流過。如果我們在柵極上加相對于源極和基片正電壓，這時在臨近的二氧化硅層就會聚集負電荷，而二氧化硅

5、的另一側(cè)由于電中性的緣故會有正電荷，因此，硅表面就會聚集電子，電子使P型襯底變成N型溝道，這溝道使兩N型島之間形成導電溝道。改變柵極電壓，溝道內(nèi)電子數(shù)量跟這變化，這樣，我們就可以通過改變柵極電壓來控制源漏之間的電流。 NMOSGDSGDPMOSNMOS和PMOS圖4sP-N+N+N-P+P+N-SiO2P+P+ + + + +二、生產(chǎn)中主要的工序：1、光刻工序 利用光敏的抗蝕涂層發(fā)生光化學反應，結(jié)合刻蝕方法在各種薄膜（二氧化硅等絕緣膜和各種金屬膜）制備出合乎要求的圖形，以實現(xiàn)選擇攙雜、形成金屬電極布線或表面鈍化的目的。目前光刻工藝能刻蝕出多細的線條已成為影響超大規(guī)模集成電路可達到集成度從而限制

6、其規(guī)模的關鍵工藝之一。 清潔處理： 使二氧化硅表面清潔干燥，保證光刻膠與二氧化硅表面有良好的沾附。通常是用800下烘焙或涂增粘劑。 涂敷光刻膠： 光刻膠是一種光敏有機化合物。受特定波長的光線照射后，它的化學結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。如果光刻膠受光照的區(qū)域在顯影時容易被去除，稱之為正膠，反之如果在顯影中暴過光的膠被保留，則稱為負膠。如圖5、圖6，涂敷時光刻膠滴在硅片上，然后使硅片高速旋轉(zhuǎn)，在離心力和表面張力共同作用下，在表面形成一層厚度一定且均勻的膠層。 前烘：將光刻膠用紅外線加熱或熱板的方法使光刻膠中的溶劑充分揮發(fā)掉。 曝光：將光刻板放在光刻膠層上，然后用一定波長的紫外光照射，使光刻膠發(fā)生化學反應。 顯

7、影：經(jīng)過曝光后的光刻膠中受到光照的部分因發(fā)生光化學反應，大大地改變了這部分光刻膠在顯影液中的溶解度。對采用負性膠的情況，未受光照的那部分光刻膠在顯影中被溶解掉，如圖5、圖6 堅膜：去除顯影后留在膠層中的溶劑，增強光刻膠的耐腐蝕性。 腐蝕：由于在二氧化硅層上面留下的膠膜有抗腐蝕性能，所以腐蝕時只是將沒有膠膜保護的二氧化硅部分腐蝕掉。如圖5、圖6l 濕法腐蝕：將硅片放在專門配置的腐蝕液中進行腐 蝕。根據(jù)被腐蝕層中材料的不同（二氧化硅、不同金屬等），已相應配置不同配方的腐蝕液，此法的突出優(yōu)點是操作方便，生產(chǎn)效率高。l 干法腐蝕：由于濕法腐蝕有一些明顯的缺點。例如存在側(cè)向腐蝕的問題，且腐蝕液一般具有毒

8、性和腐蝕性。腐蝕后要立即進行漂洗和去膠兩步底效率的手工操作等等。干法腐蝕具有分辨率高各向異性腐蝕能力強（如圖7）、均勻、重復性好、易于實現(xiàn)自動連續(xù)操作等優(yōu)點。因此干法腐蝕已經(jīng)成為繼承電路標準腐蝕技術。干法腐蝕常采用等離子體腐蝕方法。等離子體腐蝕是依靠高頻輝光放電形成的化學性游離基與被腐蝕材料發(fā)生化學反應實現(xiàn)選擇性腐蝕的方法。去膠：腐蝕后，就在膜上刻蝕出了需要的圖形，這時就要去除光刻膠。去膠也分濕法和干法兩種。 濕法對于非金屬膜上面的膠，一般用硫酸去除；金屬膜上面的膠用專門的有機溶劑去除。 干法與干法腐蝕原理相同，只是所用的氣體不同。2、擴散工序： 氧化：主要是在高溫氧化氣氛下生長二氧化硅。二氧

9、化硅有阻止雜質(zhì)想硅內(nèi)擴散的作用。二氧化硅的生長方法主要有干氧氧化、濕氧氧化和氫氧合成氧化。干氧氧化是使氧氣在高溫下與硅直接反應；濕氧氧化是使氧氣先經(jīng)過熱水，鼓泡后將水汽一起帶入爐內(nèi)，再在高溫下與硅反應；氫氧合成氧化是在常壓下分別將氫氣和氧氣直接通入爐內(nèi)，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下與硅反應生成二氧化硅。一般干氧氧化生成的二氧化硅致密、干燥。光刻時與光刻膠接觸良好，但生長速度慢。濕氧氧化生成的二氧化硅質(zhì)量差，但生長速度快。氫氧合成氧化質(zhì)量高、生長速度快。 擴散：就是將雜質(zhì)擴散到半導體材料中改變某個部分的導電性或改變某個部分的導電類型。如圖8，當硅表面有大量的雜質(zhì)且溫度又很高時雜質(zhì)就會擴

10、散到硅中。 CVD：就是用一種或多種氣體，經(jīng)過化學反應生成的固體物質(zhì)直接淀積在硅片表面的一種技術。它主要是淀積二氧化硅、多晶硅等。CVD生長的二氧化硅與熱氧化不同，它不需要與襯底硅反應。 濺射：在真空中充入一定的惰性氣體，在高壓下由于氣體放電形成離子，受強電場加速轟擊靶源使其原子逸出，高速濺射到歸片表面淀積為需要的薄膜。一般用濺射形成各種金屬薄膜。 注入：就是將含有需要雜質(zhì)的離子經(jīng)過加速后直接打進半導體內(nèi)的一種技術。這種摻雜方法的好處是，可以在低溫下進行，并且均勻、數(shù)量可控。四、晶體管的一般工藝1、氧化，生長二氧化硅2、光刻，刻基極區(qū)域3、B擴散及氧化，形成基區(qū)及下次光刻掩膜.4、光刻，刻發(fā)射

11、區(qū)5、P擴散及氧化，形成發(fā)射區(qū)及下次光刻掩膜 6、光刻，刻引線孔7、濺射，濺射鋁8、光刻，形成電極9、背面金屬化發(fā)射極基極集電極五、P阱CMOS一般工藝NMOSPMOSGDSGDSP-N+N+N-P+P+SiO2AL1、氧化生長二氧化硅N-SiO22、光刻，刻P阱區(qū)N-SiO23、硼離子注入N-SiO2B4、推結(jié)及氧化，形成P阱區(qū)及下次光刻掩膜N-SiO2P-5、光刻，刻PMOS的源、漏區(qū)N-SiO2P-6、硼離子注入BN-SiO2P-7、推結(jié)及氧化形成PMOS的源、漏區(qū)及下次光刻掩膜N-SiO2P-P+P+8、光刻，刻NMOS的源、漏區(qū)N-SiO2P-P+P+9、P 磷離子注入PN-SiO2P-P+P+10、推結(jié)及氧化形成NMOS的源、漏區(qū)及下