半导体基础知识和半导体器件工艺模板.doc
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1、半导体基础知识和半导体器件工艺第一章 半導體基礎知識通常物質根據其導電性能不一样可分成三類。第一類爲導體,它能够很好傳導電流,如:金屬類,銅、銀、鋁、金等;電解液類:NaCl水溶液,血液,一般水等和其它部分物體。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、五族元素化合物GaAs砷化鎵等,二、六族元素化合物氧化物、硫化物等。 物體導電能力能够用電阻率來表示。電阻率定義爲長1釐米、截面積爲1平方釐米物質電阻值,單位爲歐姆*釐米。電阻率越小說明該物質導電性能越好。通常導體電阻率在10-4歐姆*釐米以下,絕緣
2、體電阻率在109歐姆*釐米以上。 半導體性質既不象通常導體,也不一样于一般絕緣體,同時也不僅僅由於它導電能力介於導體和絕緣體之間,而是由於半導體含有以下特殊性質:(1) 溫度變化能顯著改變半導體導電能力。當溫度升高時,電阻率會降低。比如Si在200時電阻率比室溫時電阻率低幾千倍。能够利用半導體這個特征製成自動控制用熱敏元件(如熱敏電阻等),不过由於半導體這一特征,轻易引发熱不穩定性,在製作半導體器件時需要考慮器件本身産生熱量,需要考慮器件使用環境溫度等,考慮怎样散熱,否則將導致器件失效、報廢。(2) 半導體在受到外界光照作用是導電能力大大提升。如硫化鎘受到光照後導電能力可提升幾十到幾百倍,利用
3、這一特點,可製成光敏三極管、光敏電阻等。(3) 在純淨半導體中加入微量(千萬分之一)其它元素(這個過程我們稱爲摻雜),可使她導電能力提升百萬倍。這是半導體最初特徵。比如在原子密度爲5*1022/cm3矽中摻進大約5X1015/cm3磷原子,百分比爲10-7(即千萬分之一),矽導電能力提升了幾十萬倍。物質是由原子構成,而原子是由原子核和圍繞它運動電子組成。電子很輕、很小,帶負電,在一定軌道上運轉;原子核帶正電,電荷量與電子總電荷量相同,兩者相互吸引。當原子外層電子缺乏後,整個原子呈現正電,缺乏電子地方産生一個空位,帶正電,成爲電洞。物體導電通常是由電子和電洞導電。前面提到摻雜其它元素能改變半導體
4、導電能力,而參與導電又分爲電子和電洞,這樣摻雜元素(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,她與鄰近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,不能接收電子。這時半導體叫N型半導體。施主雜質关键爲五族元素:銻、磷、砷等。將施主雜質加到半導體中後,她與鄰近4個矽原子作用,産生許多電洞參與導電,這時半導體叫p型半導體。受主雜質关键爲三族元素:鋁、鎵、銦、硼等。電洞和電子全部是載子,在相同大小電場作用下,電子導電速度比電洞快。電洞和電子運動速度大小用遷移率來表示,遷移率愈大,截流子運動速度愈快。假如把部分電洞注入到一塊N型半導體中,
5、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。但使一塊完整半導體一部分是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現象。假如將P型半導體接電源正極,N型半導體接電源負極,然後緩慢地加電壓。當電壓很小時,通常小於0.7V時基础沒有電流流過,但大於0.7V以後,隨電壓增加電流增加很快,當電壓增加到一定值後電流幾乎就不變化了。這樣連接方法爲正向連接,所加電壓稱爲正向電壓。將N型半導體接電源正極,P型半導體接電源負極,當電壓逐漸增大時,電流開始會有少许增加,但達
6、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,電流會快速增加,這時電壓稱爲反向擊穿電壓。這是由於載子(電子和電洞)擴散作用,在P型和N型半導體交界面周围,由於電子和電洞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,電場方向是由N區指向P區,從而阻止了電子和電洞繼續擴散。當外加正電壓時,减弱了原來存在於PN接面中電場,在外加電場作用下,N 區電子不斷地走向P區,P區電洞不斷地走向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作用,所以電流很難通過。這就是PN接面單向導電
7、性。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。由於這三個區域電類型不一样,又可分爲PNP電晶體和NPN電晶體。PNP電晶體和NPN電晶體雖然形式不一样,但工作原理是一樣,全部能够用PN接面論來說明。第二章 半導體器件和工藝第一節 半導體器件發展過程1947年發明了電晶體,有了最簡單點接觸電晶體和接面型電晶體。五十年代早期才開始出現市售電晶體産品。在1959年世界上第一塊積體電路問世,由於當時工藝手段缺乏,比如採用化學方法選擇腐蝕臺面、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
8、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,所以誕生了平面型積體電路。六十年代初,實現了平面積體電路商品化,這時積體電路是由二極體、三極管和電阻互連所組成簡單邏輯門電路。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 半導體器件分類大多數半導體器件能够分成四組: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(J
9、FET)、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。现在本企业关键生産雙極器件(三極管和積體電路),另外還有少许單極器件(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基礎。半導體技術發展是與半導體器件發展緊密相連。如用合金技術製成合金管,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誕生,半導體器件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
10、和高可靠性方向發展。平面電晶體含有許多優點:(一) 因为平面管在整個製造過程中硅片表面及最後管芯表面全部覆蓋有一層二氧化矽薄膜。使PN結面始終不直接裸露在外面,所以首先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PN接面狀態影響,從而有效地提升了平面管可靠性和穩定性。(二) 提升了電晶體參數性能,关键是三項:1.噪音低。電晶體低頻噪音與接面狀態關係很亲密,而平面管PN結面有二氧化矽保護,表面很穩定,所以比其它類型電晶體全部要小。2.反向電流特別小。由於二氧化矽保護,使接面比較潔淨,所以表面漏電流很小,使得反向電流特別小。3.高頻大功率特征好。通過光刻和選擇
11、擴散能够得到電極圖形十分精巧複雜電晶體,使電晶體高頻大功率性能有了很大提升。(三)特別適合於大量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,所以一致性也比其它類型電晶體好。第四節矽外延平面管製造工藝以NPN管爲例矽外延平面管結構如圖其关键工藝步骤以下所表示:(1)切、磨、抛襯底(2)外延(3)一次氧化(4)基區光刻(5)硼擴散/硼注入、退火(6)發射區光刻(7)磷擴散(磷再擴)(8)低氧(9)刻引線孔(10)蒸鋁(11)鋁反刻(12)合金化 (13)CVD(14)壓點光刻(15)烘焙(16)機減(17)抛光(1
12、8)蒸金(19)金合金(20)中測。下面對上述各工序進行簡單說明。(1)切、磨、抛:根據管子性能選擇相應單晶矽,按要求厚度沿(111)面進行切割,然後用金剛砂進行研磨,最後用抛光粉進行抛光,使表面光亮,無傷痕。(2)外延:在低電阻率矽片上外延生長一層電阻率較高矽單晶,這樣高電阻率外延層可提升集電極擊穿電壓,低電阻率襯底矽片可降低集電極串聯電阻,減少飽和壓降。(3)一次氧化(基區氧化):將矽片放在高溫爐中進行氧化使表面生長一層一定厚度二氧化矽薄膜。(4)一次光刻(基區光刻):在二氧化矽層上,按器件要求基區圖形刻出視窗,使雜質只能通過此視窗進入矽片,而不能進入有二氧化矽覆蓋矽片其它區域。基區光刻要
13、求窗口、邊緣平整,無小凸起和針孔。(5)硼擴散/硼注入、退火:採用擴散或注入方法在N型外延層中形成P型導電區基區。採用注入方法需使用退火來恢復注入對晶格破壞和啟動注入進硼原子。(6)發射區光刻:爲發射區磷擴散刻出一定圖形視窗。要求同基區光刻。(7)磷擴散(磷再擴):形成發射區過程。改變再擴條件來改變參數 值和BVCEO值。(8)低氧:在整個矽片上生長一層氧化層以進行引線光刻,同時也可進行放大係數微調。(9)引線孔光刻:刻出電極引線接觸窗口。要求引線孔不刻偏,減少針孔。(10)蒸鋁:用真空蒸發方法將鋁蒸發到矽片表面。(11)反刻鋁:刻蝕掉電極引線以外鋁層,留下電極窗口處鋁作爲電極內引線。(12)
14、合金化:蒸發在矽表面鋁和矽之間接觸不是歐姆接觸,必須通過合金化使其變成歐姆接觸。(13)CVD:在矽片表面澱積一層二氧化矽,作爲佈線最後鈍化層,作爲電極間絕緣,消除有害缺点。(14)壓點光刻:刻蝕出壓焊點。(15)烘焙:改變矽片表面狀況,減小小電流不好。(16)機減:根據矽片功率耗散要求,減薄至所要求厚度。(17)抛光:使減薄後表面愈加平整。(18)蒸金:在矽片后面蒸上一薄層高純度金,提升電路開關速度,而且便於以後晶片燒結。(19)金合金:使金與矽形成愈加好接觸,预防在燒結時金脫落。(20)中測:將參數不合格管芯剔除。半導體積體電路製造工藝基础與平面電晶體差不多。具體步骤以下:(1)襯底製備
15、(2)埋層氧化 (3)埋層光刻 (4)埋層擴散 (5)外延 (6)隔離氧化 (7) 隔離光刻 (8)隔離擴散 (9)基區氧化 (10)基區光刻 (11)硼擴散/硼注入、退火 (12)發射區光刻(13)磷擴散(磷再擴) (14)低氧 (15)刻引線孔 (16)蒸鋁 (17)鋁反刻 (18)合金化 (19)CVD(20)壓點光刻 (21)烘培 (22)中測。 積體電路製造工藝所特有工藝: (1) 埋層擴散:在襯底上形成高濃度N+擴散區。這是由於積體電路是各電晶體集電極引出線是從矽片正面引出,這樣從集電極到發射極電流必須從高阻外延層流過,這相當於串聯了一個很大電阻,使電晶體飽和壓降增大,所以增加了一
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