半导体基础知识和半导体器件工艺(16)(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。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：（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（18）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：根據管子的性能選擇相應的單晶矽，按要求的厚度沿（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：在低電阻率的矽片上外延生長一層電阻率較高的矽單晶，這樣高電阻率的外延層可提高集電極的擊穿電壓，低電阻率的襯底矽片可降低集電極的串聯電阻，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的二氧化矽薄膜。(4)一次光刻（基區光刻）：在二氧化矽層上，按器件要求的基區圖形刻出視窗，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的矽片其他區域。基區光刻要求窗口、邊緣平整，無小凸起和針孔。(5)硼擴散/硼注入、退火：採用擴散或注入的方法在N型的外延層中形成P型的導電區—基區。採用注入的方法需使用退火來恢復注入對晶格的破壞以及啟動注入進的硼原子。(6)發射區光刻：爲發射區磷擴散刻出一定圖形的視窗。要求同基區光刻。(7)磷擴散（磷再擴）：形成發射區的過程。改變再擴條件來改變參數β值和BVCEO的值。(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β的微調。(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：用真空蒸發的方法將鋁蒸發到矽片表面。(11)反刻鋁：刻蝕掉電極引線以外的鋁層，留下電極窗口處的鋁作爲電極內引線。(12)合金化：蒸發在矽表面的鋁和矽之間的接觸不是歐姆接觸，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，作爲佈線的最後鈍化層，作爲電極間絕緣，消除有害缺陷。(14)壓點光刻：刻蝕出壓焊點。(15)烘焙：改變矽片的表面狀況，減小小電流不好。(16)機減：根據矽片功率耗散的要求，減薄至所要求的厚度。(17)抛光：使減薄後的表面更加平整。(18)蒸金：在矽片背面蒸上一薄層高純度金，提高電路的開關速度，而且便於以後晶片燒結。(19)金合金：使金與矽形成更好的接觸，防止在燒結時金脫落。(20)中測：將參數不合格的管芯剔除。半導體積體電路製造工藝基本與平面電晶體差不多。具體流程如下：（1）襯底製備(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的工藝：(1)埋層擴散：在襯底上形成高濃度的N+擴散區。這是由於積體電路是各電晶體的集電極引出線是從矽片正面引出的，這樣從集電極到發射極的電流必須從高阻的外延層流過，這相當於串聯了一個很大的電阻，使電晶體的飽和壓降增大，所以增加了一道埋層擴散從而降低串聯電阻，減小電晶體飽和壓降。(2)隔離擴散：由於積體電路由若干個電晶體構成，因此有若干個集電極區，電路工作時它們並不處在同一電位下，因此必須從電學上將它們隔離開。隔離擴散的目的是形成穿透外延層的P+隔離槽，把外延層分割成若干個彼此獨立的隔離島。下面對主要工藝程序進行敍述。第五節單晶拉制和襯底製備半導體單晶是製造半導體器件的基礎材料。單晶材料是由多晶材料經過提純、摻雜和拉制等工序而制得的。單晶材料還要經過切片、研磨、倒角、腐蝕和抛光等工序的加工，以獲得符合一定標準(厚度、晶向、平整度和損傷層)的單晶薄片，才可以供給外延或管芯製造使用。這種單晶材料的加工過程稱爲襯底製備。先由石英砂和一定純度的碳生成工業用矽，純度約98%。工業用矽經過加工變成多晶矽，純度達到六七個“9”。多晶矽採用直拉法或懸浮區熔法來拉制單晶棒，在拉制的過程中根據需