微电子行业入门通用教材

1、半导体基础知识与晶体管工艺原理第一章半导体的基础知识1-1半导体的一些基本概念1-1-1什么是半导体？ 41-1-2半导体的基本特性 .41-1-3半导体的分类 .41-1-4n型半导体和p型半导体 .51-1-5半导体的导电机构 .61-2p-n 结 91-2-1p-n结的构成.91-2-2p-n结内的载流子运动和平衡 101-2-3p-n结的基本特性 101-3二极管 121-3-1二极管的基本构成 .121-3-2 二极管的特性曲线（伏安特性） . .121-3-3二极管的分类 131-4晶体管（仅讲双极型） 131-4-1晶体管的构成.131-4-2晶体管的放大原理 .151-4-3晶

2、体管的特性曲线.181-4-4晶体管的分类.211-4-5晶体管的主要电参数 .21第二章晶体管制造工艺与原理2-1典型产品工艺流程 . 242-1-1晶体管的基本工艺流程 .242-1-2典型产品的工艺流程 .242-2晶体管制造主要工艺的作用与原理 .252-2-1氧化工艺.252-2-2扩散工艺.262-2-3离子注入工艺 .302-2-4光刻工艺 .312-2-5蒸发（真空镀膜）工艺 .322-2-6 cvd 工艺 .332-2-7台面工艺.342-2-8三扩、磨抛工艺 .352-2-9清洗工艺.362-2-10中测、划片工艺 362-3常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响 .372

3、-3-1工艺质量问题分类372-3-2常见的工艺质量问题举例 372-4 工艺纪律和工艺卫生的重要性 .412-4-1半导体生产对空气洁净度的要求 412-4-2工艺卫生的内涵 .422-4-3工艺卫生好坏对半导体生产的影响 .422-4-4工艺纪律的内涵 .432-4-5工艺纪律的重要性.43第一章半导体基础知识1-1半导体的一些基本概念1-1-1什么是半导体？导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫做半导体。物质的导电能力一般用电阻率p来表示。电阻率是指长1cm ,截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位是欧姆厘米（符号是q-cm）0电阻率越小，说明物质的导电性能越好；反之，电阻率越大，说明物

4、质的导电性能越差。物质种类导体半导体绝缘体电阻率(q -cm)101-1-2半导体的基本特性1热敏特性一一随着温度的升高，半导体的电阻率减小，导电能力明显 的增强。2热敏特性一一受到光线照射后，半导体的电阻率减小，导电能力大大 增强。3杂质导电特性一一在纯净的半导体中，加入微量的某些其它元素（通 常，称之为“掺杂”），可以使它的导电能力成百万倍的提高。这是半 导体的一个最突出的也是最重要的特性。人们正是利用半导体的这些 特性，制成了二极管、晶体管、热敏器件、光敏器件等。也正是由于 半导体的这种特性，在制造半导体器件的过程中，对工作环境的要求 特别严格，以防有害杂质进入半导体而破坏器件的参数。必

5、须指出，以上特性只有纯净的半导体才具备。所谓纯净的半导 体是指纯度在9个“9”以上，即99.9999999%上。1-1-3半导体的分类1 按化学成分元素半导体和化合物半导体2 按是否含有杂质本征半导体和杂质半导体3 按导电类型 n 型半导体和p 型半导体4 按原子排列的情况单晶和多晶1-1-4 n 型半导体和p 型半导体1“载流子”半导体中的导电粒子（运载电流的粒子） ：电子和空穴。2“杂质”的概念三、五族元素杂质（元素周期表中，三族：硼、铝、镓；五族：磷、砷、锑）受主杂质和施主杂质。5 施主杂质和受主杂质有一类杂质 （比如五族元素磷） ， 它在掺入半导体中后， 会产生许多带负电的电子，这种杂

6、质叫“施主杂质” 。 （施放电子）又有一类杂质 （比如三族元素硼） ， 它在掺入半导体中后， 会产生许多带正电的空穴，这种杂质叫“受主杂质” 。 （接受电子）6 n 型半导体和 p 型半导体掺有施主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由施主杂质产生的导电电子，我们称这种半导体为“ n 型半导体” （也叫“电子型半导体” ） 。掺有受主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由受主杂质产生的导电空穴，我们称这种半导体为“ p 型半导体” （也叫“空穴型半导体” ） 。7 多子与少子1）在本征半导体中，载流子靠本征激发产生，而且电子数=空穴数=本征载流子浓度。即，no=po=ni2） 在杂质半导体中， 载流子

7、主要靠杂质电离而产生， 此时， 杂质电离产生的载流子浓度远大于本征激发产生的载流子浓度。 因此， 在杂质半导体中，电子数w空穴数。其中，在n型半导体中：电子是多子，空穴是少子。而在p型半导体中：空穴是多子，电子是少子。3） n 型半导体和 p 型半导体的示意图（图 1）n型半导体因为在p型半导体中的绝大多数载流子是空穴， 电子数很少，因此在 画p型半导体的示意图时，只画出带正电荷的空穴；反之，在n型半导体 的示意图中，只画出带负电荷的电子。，+:f4小田 +）孑 手一f型半导体图1 n型半导体和p型半导体1-1-5半导体的导电机构一一载流子的产生、运动和复合回答半导体是怎么导电的？1 “载流子

8、”是怎么产生的？a本征激发一一产生电子、空穴对一一本征载流子浓度（ni）1）半导体材料硅的晶格结构一一“共价键”结构因为，从原子结构理论知道，每个硅原子的最外层有 4个价电子和4个空位，因此，在构成硅晶体时，每个原子周围都有 4个最靠近的原 子做它的邻居，每个原子拿出一个价电子和它的一个邻居共用。同样， 每个邻居也拿出一个价电子和它共用。这一对共用的价电子使两个硅原 子之间产生了一种束缚力，就叫做“共价键”。这样，每个原子就要和周 围4个原子构成4个“共价键”。为了简化起见，我们把本来是立体的“共 价键”结构画成平面示意图。（图2）图2 硅“共价键”品格结构平面示意图2）在价电子获得一定的能量

9、（硅 eg=1.1ev）时，就能冲破束缚（称为“激 发”），成为导电的自由电子（带负电）。与此同时，在“共价键”中留下一 个空位，我们叫它“空穴”（带正电，也能导电）。这种同时产生的电子和空 穴，称为“电子、空穴对。我们称这种引起的价电子激发一一产生导电的 电子、空穴对的过程，为“本征激发”。3）本征激发产生的载流子浓度，称为本征载流子浓度（ni）。在常温下，ni 是个较小的常数；随着温度的升高，ni就很快增大。（它以指数形式上升）这就是为什么本征半导体，在常温下导电能力很弱，但随着温度升高， 导电能力又明显增强的原因。4） “共价键”结构中产生本征激发的示意图（图 3）b杂质电离一一产生电子

10、或空穴一一电子浓度 n和空穴浓度p1）施主杂质电离一一产生电子在纯净的半导体硅中，掺入少量的五族元素（如磷），它以替位形式 占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子多一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就有一个多余的价电子。它不受共价键的束缚，只受磷 原子核正电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使 它克服引力而成为导电“电子”。而失去一个电子后的磷原子成为带正电的离子， 但它处于共价键的稳定结构中，不能自由运动，因此，不是载流子。我们称施 主杂质释放导电电子的过程，为施主电离。（请注意，这里只产生导电电子，不 产生空穴）。2）受主杂质电离一一产生空穴在纯净的半导

11、体硅中，掺入少量的三族元素（如硼），它以替位形式占 据一个硅原子的位置，由于它比硅原子少一个价电子，因此，在与周围 4个硅 原子组成共价键时，就要从周围硅原子的共价键中夺取一个价电子过来填充。这样，就在被夺取了一个电子的地方就产生了一个空穴。这个空穴不受共价键 的束缚，只受硼离子负电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小 的能量就能使它克服引力而成为能导电的“空穴”。而硼原子由于多了一个电子 而成为带负电的硼离子，但它同样也不能自由运动，因此，不是载流子。我们 称受主杂质产生空穴的过程，为受主电离。（请注意，这里只产生空穴，不产生 电子）。3）示意图（图4）图4a n型半导体中的施主杂

12、质电离图4b p型半导体中的受主杂质电离2 载流子的运动扩散和漂移1）扩散运动当一块半导体内的载流子浓度存在差异时， 就会出现载流子从浓度高向浓度低的方向运动，这种运动就叫载流子的扩散运动。描述扩散运动的物理量是扩散系数 dn 、 dp 。2）漂移运动在电场的作用下，电子会进行逆电场方向的运动，空穴会沿着电场的方向运动。这种运动就叫载流子的漂移运动。描述漂移运动的物理量是迁移率n. np。3 载流子的复合和寿命1）载流子的复合导电电子和空穴相遇并同时消失的过程，叫“复合” 。2）平衡载流子和非平衡载流子半导体中的载流子总是在不断地产生和复合，只是，在平衡时（没有外界作用时） ，产生与复合处于相

13、对平衡状态， 产生数等于复合数， 载流子浓度保持不变。 当有外界作用 （如，电场、光照）时，就会产生非平衡载流子，一般非平衡载流子的数量比平衡载流子的数量少，但是，它们对半导体的导电能力的影响且很大。3） 非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子从产生到复合的时间，叫“少子寿命”，用符号表示。（是个很重要的半导体材料参数， 它直接影响晶体管的ts参数。）1-2 p-n 结1-2-1 p-n 结的构成1 定义由 p 型半导体和 n 型半导体组成的一个单块半导体薄层， 称 为 p-n 结。2 实际构成的方法：在一块n 型半导体中，通过采用氧化、光刻、扩散（硼扩散）的工艺方法，使其中一部分区域转变为

14、p 型半导体，这样，在p型区和n型区的交界面附近，就形成了一个p-n结1-2-2 p-n结内的载流子运动和平衡在p-n结的p型导电区内，空穴很多，电子很少；而在n型导电区内， 电子很多，空穴很少。因此，由于电子和空穴浓度在这两个区域的差别， 出现载流子的扩散运动一一n区的电子就会向p区扩散；p区的空穴向n 区扩散。使n区中靠近p区一侧的簿层1内，由于缺少电子而带正电；p 区中靠近n区一侧的簿层2内，由于缺少空穴而带负电。从而，形成了一 个由n区指向p区的电场一一称“自建电场”。在这个电场的作用下，就 会出现载流子的漂移运动一一把电子拉回到 n区，空穴拉回到p区。这样， 在p区和n区的交界处，发

15、生着扩散和漂移两种相反方向的运动，最后， 达成动态平衡。（图5）自建电场 k iq00oo+）i-4,二j-+）+）jl）厂区势垒区 n区（p-n 结）图5 p-n结内的载流子运动和平衡1-2-3 p-n结的基本特性1 p-n结的单向导电性（整流特性，伏一安特性）：在正向偏置下（p区接正极，n区接负极），此时，外加电场与自建电场 的方向相反，因此，当外加电场大于自建电场以后，p-n结内的载流子产生定向而连续的流动（n区的电子流向p区，p区的空穴流向n区），形成电流。而 且，这种电流随着外加电压的增加很快增大，形成很大的正向电流。一一这就 叫p-n结的正向特性。在反向偏置下（p区接负极，n区接正

16、极），外加电场与自建电场的方向一 致，势垒区加宽、加高。此时，p-n结内的多数载流子的运动受阻，只有 p区的电子（少子）在电场的作用下被拉向 n区，n区的空穴被拉向p区，形成一 个很小的反向电流。这就叫p-n结的反向特性。我们把这种正向电阻很小、电流很大，而反向电阻很大、电流很小的特性，vr称为p-n结的单向导电性。示意图见图6。ifirvf图6a p-n结正向特性图6b p-n结反向特性2 p-n结的电容特性p-n结在正向偏置时，势垒区变窄；在反向偏置时，势垒区变宽，这个过程相当于一个平板电容器的充放电过程，因此，p-n结也具有电容特性。而且，这个电容数值的大小，是随着偏置电压大小变化而变化

17、。 变容二极管就是根据这个原理制成的。3 p-n结的击穿特性1）击穿现象：当p-n结上的反向偏压加大到一定数值时，就会出现反向电流急 剧增大的现象，这就是p-n结的击穿特性。称，出现反向电流急剧增 大时所加的反向电压为，反向击穿电压。而且，击穿电压的大小 决定于p-n结中杂质浓度较低一方的电阻率。电阻率越高，则击穿电 压就越高；反之，电阻率越低，则击穿电压就越小。2）产生p-n结击穿的机理一一雪崩倍增。反向电压很大时一一势垒区电场很强一一从 p区流向n区的电子和势垒区原有的本征激发的电子，在强电场下高速运动（具有高能量）与硅原子碰撞撞出电子和空穴这种碰撞不断延续倍增一象雪崩一样，产生大量的电子

18、和空穴一一并在强电场下定向流动一形成很大的电流。3） p-n结反向击穿特性的图示：（图7）bvir45图7p-n结的反向击穿特性1-3二极管1-3-1二极管的基本构成1由一个p-n电极引出（引线孔，正面、背面金属化） 后道组装一一构成一个二极管。2二极管的电学符号：图8二极管的电学符号1-3-2二极管的特性曲线（伏安特性）实际上就是p-n结的正向、反向和击穿特性的总合。（图9）bv图9二极管的特性曲线1-3-3二极管的分类1整流二极管一一利用p-n结的单向导电性。2整压二极管一一利用p-n结的击穿特性。3整容二极管一一利用p-n结的电容特性。4开关二极管5微波二极管1-4晶体管（仅讲双极型）1

19、-4-1晶体管的构成1晶体管的基本构成1）结构框架一一由两个p-n结，三个导电区（发射区、基区、集电区），三个电极（发射极、基极、集电极）构成。2）两种结构类型 npn和pnp3）两种结构的示意图（图10）发射结集电结发射结集电结发射区i n ：e ，闪 、加 2 l 1 i1 、（基极）图10a npn结构图10b pnp结构（发射极）j j i （集电极）（发射极）1 （集电极）图11a npn型图11b pnp型2实际的制作方法1）用氧化、光刻、硼扩散、磷扩散、 cvd、蒸发等工艺制作芯片。2）采用装片、烧结、键合、包封等工艺把芯片组装成管子。3晶体管的电学符号（图11）4晶体管的纵向剖

20、面结构（图12）eie图12a npn纵向结构图12b pnp纵向结构1-4-2晶体管的放大原理1晶体管的三种基本应用电路1）共基极电路（图13a）2）共发射极电路（图13b）3）共集电极电路（图13c）icielb：输 入输 入输 丁出二lie+图13a共基极电路图13b共发射极电路图13c共集电极电路2 体管正常工作的必要条件一一 发射结正向偏置（输入阻抗 ri小、有注入），集电结反向偏置（输出阻抗 ro大、能收集电子）。 基区宽度很小。 发射区浓度比基区浓度高得多。3 晶体管内部载流子的输运过程以npn晶体管，共发射极电路工作为例，加以说明。（见 图14） 发射区：在正向偏压下，大量的电

21、子向基区注入（ine）进入 基区后，小部分与基区空穴复合（ir）大部分扩散运动到达集电 结，在反向电压的吸引下，被收集到集电区（inc）。 基区：在正向偏压下，一部分空穴向发射区注入 （ipe）, 一部分空 穴与注入基区的电子复合（ir）,另外，有少量的少数载流子一一电 子在反向偏压作用下漂移运动进入集电区（-icbo）。 集电区：在反向偏压作用下，把到达集电结的电子收集到集电区 （inc）；同时，有少量的少数载流子一一空穴漂移运动进入基区（icbo）o这样，形成了：尸、ie = ine + ipeib = ipe + ir -i cbo（ie = ib+ ick ic = inc + icb

22、o = （ine - ir） + icbo /请注意：1）由于晶体管的发射区浓度比基区浓度高得多，因此， ine ipe。2）由于晶体管的基区宽度很小，远小于电子的扩散长度，因此，复合 电流很小，ir inc。3）晶体管集电极的反向漏电流icbo是很小的。4）综合以上三点，就可以得至ij: icie,但非常接近于ie ib ic 当输入回路产生较小的电流变化 ib时，就会引起输出回路较大的电流变化 ic 04晶体管的放大作用1）共发射极电路有电流放大、电压放大和功率放大作用。hfe=ic/lb , gv=rl/ri, gp=rl/ri （三个均为远大于 1 的数）。2）共基极电路一一有电压放大

23、和功率放大作用，没有电流放大作用。a= ic / ie3mhz低频：ft 3mhz按功率分大功率：ptot1w小功率：ptot 1w按工艺分平面、台面、台平面, 按功能分一一放大、振荡、开关、1-4-5晶体管的主要电参数1直流参数穿 击穿电压bvcbo、bvceo、bvebo （单位：v）1)测试方法在规定的测试电流下，测出两个对应电极间的击穿电压值。（一般在实际测试中，测不到真正的击穿点）2)bvebo-高低决定于一一基区的杂质浓度3)bvcbo-高低决定于集电区的电阻率4)bvceo的高低决定于一一bvcbo的高低和b的大小,而且有关系式：bvceo = bvcbo /(1+b)1/n反向

24、电流icbo、iceo、iebo(单位：n a 或 ma)1）测试方法一一在规定的测试电压下，测出两个对应电极间的反向电流值。2） iebo、icbo分别是发射结和集电结的反向漏电流，在正常情况下,应该是一个很小的数值（一般在na或na数量级）。3） iceo 的大小与 icbo 和 b 有关iceo = （1+b） icbo4） 实际晶体管的反向电流大小决定于晶体管芯片 p-n 结表面的清洁度有有因此，在生产中必须加强清洗工艺。 电流放大倍数有有hfe1）测试方法一一在规定的vce、ic条件下，测出ic和ib值，然后，计 算出hfe=i c/i b 。2） hfe 的大小决定于有有硼、磷扩散

25、的杂质浓度之比以及基区宽度的大小 （在硼扩散条件不变的前提下，主要决定于磷扩散条件的控制和调试） 。 饱和压降有有vces、 vbes （单位： v ）1） 测试方法有有在规定的i c 和 i b 条件下，测出vces、 vbes。2） vces、 vbes 的大小决定于有有 放大倍数 hfe 的大小 材料电阻率的高低和外延层或高阻层的厚度 上下电极的欧姆接触好坏。2 交流参数 特征频率有有ft （单位： mhz ）1）测试方法一一在规定白测试频率和电压vce、电流ic条件下，在ft测试仪上测出ft 。2） ft 的大小决定于测测 基区宽度 wb 的大小（ wb 小测测ft 高） 发射结面积a

26、e的大小（ae小一一ft高） 基区杂质浓度nbs的高低（nbs有一一r口大一一ft高） 输出电容测测cob （单位：pf ）1） 测试方法测测在规定的测试频率和电压vcb 条件下，在cob 仪上测出cob 。2） cob 的大小决定于 测试电压vcb的高低（vcb高一一cob小） 集电结面积ac的大小 （ac小cob小） 材料电阻率pc的高低（p c高一一cob小）高关时间一一td、tr、ts、tf （单位：ns）延迟时间高高td ，上升时间高高tr ，储存时间高高 ts ，下降时间一一tf（其中，ts和tf是两个主要的时间参数）1） ts 的大小主要决定于高高 测试电流（ibi、ib2、ic

27、）的大小。 基区和集电区的少子寿命 （与材料缺陷、 杂质、 掺金量多少有关） 。 外延层或高阻层厚度。2） tf 的大小主要决定于高高 测试电流（ibi、ib2、ic）的大小。 发射结面积和集电结面积的大小。3 极限参数 集电极最大电流高高 i cm （单位：a ）1）定义高高hfe 下下到最大值的 1/2 时的集电极电流值，为 icm 。2）提高icm 的措施有高高 增加发射区周长和面积 下低材料电阻率 提高基区杂质浓度 最高结温tjm1） 定义高高晶体管中 p-n 结所能承受的最高温度，叫tjm 。2） tjm 的大小与半导体材料的性质、电阻率有关。对硅晶体管来说，tjm=150-200。

28、集电极最大耗散功率ptot（ pcm）1） ptot与最高结温tjm、热阻rt的关系式ptot = tjmta / rtptot = tjmtc / rt2）要提高ptot p1低rt就要一一 增大芯片面积（集电结面积和周长） 减薄芯片厚度 选择合理的封装结构 改善背面金属化和烧结（粘片）工艺第二章 晶体管制造工艺与原理2-1 典型产品工艺流程2-1-1 晶体管的基本工艺流程一次氧化一次光刻基区扩散二次光刻发射区扩散三次光刻（引线孔）蒸发四次光刻合金中测减薄背金划片后道组装成测打印包装出厂。2-1-2 典型产品的芯片工艺流程1 节能灯系列产品三扩片（三扩、磨抛）一次（水汽）氧化一次光刻基区 c

29、sd淀积二次氧化基区扩散二次光刻 pocl3 淀积发射区氧化扩散 pgscvd hcl 氧化三次光刻蒸发四次光刻n2 合金 n2 烘焙 pia 光刻减薄（喷砂）背蒸中测划片。2 高反压大功率系列三扩片（三扩、磨抛）基区 csd 淀积（水汽）二次氧化基区扩散二次光刻pocl3 淀积p+csd 淀积发射区氧化扩散psgcvd氧退火一一三次光刻一一斜槽切割一一台面腐蚀一一电泳玻璃一一烧玻璃一一cvd （udo+sin）四次光刻一一蒸发一一五次光刻一一 n2合金一一h2处理一一n2烘焙一一喷砂一一背蒸一一（涂硅油）中测 一一（去油）划片。3超图频大功率系列外延片一次氧化一次光刻 p+cvd p+扩散

30、p+氧化磷 吸杂一一湿氧氧化一一一次光刻 a一h/o合成一一一次光刻b处一基区注入一 一基区扩散一一二次光刻一一pocl3 积一一铝下cvd 发射区扩散一一三 次光刻一一蒸发一一四次光刻一一 h2合金一一铝上cvd一一五次光刻一一n2烘 焙一一中测一一减薄一一背蒸一一划片。2-2晶体管制造主要工艺的作用与原理2-2-1氧化工艺1氧化的作用：1） p-n结表面保护（表面沾污一一影响器件成品率和可靠性，sio2能把p-n结表面覆盖起来，起到保护作用）。（图19a）2）掩蔽杂质扩散（sio2性能稳定，在高温下能掩蔽硼、磷等杂质的扩散，从 而达到选择扩散的目的。）（图19b）图19a图19b2氧化层的

31、生长方法1）氧化法水汽氧化、湿氧氧化、干氧氧化、氢氧合成2） cvd法一一生长udo （不掺杂氧化层）3）其它方法3氧化层厚度的测量一一膜厚测试仪（根据光的干涉原理）4氧化层的质量要求 氧化层颜色均匀一致，光亮清洁。 表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔。 氧化层致密、均匀、并达到厚度要求。2-2-2扩散工艺1扩散的目的一一掺杂一一杂质补偿一一形成p-n结。2扩散形成p-n结的过程（以npn管为例）1）硼扩散形成p型基区一一形成p-n结（图20a）2）磷扩散形成n型发射区一一形成p-n结（图20b）磷原子图20b磷扩 散硼原子i j i 硼扩散n |图20a3扩散方法的分类1）液态源扩散一一如：

32、pocl3扩散2）掺杂氧化物源扩散一一如：p+cvd扩散3）涂覆源扩散一一如：csd扩散、铝扩散、金扩散4）离子注入源扩散一一先采用离子注入方法，把杂质离子注入到硅片表面,然后，再在高温下进行退火和再扩散。4扩散的杂质分布1）恒定表面源扩散一一余误差分布（一般预淀积过程属于此类）2）限定源扩散一一高斯分布（一般再扩散过程属于此类）5扩散的工艺参数方块电阻 rd和 结深xj1）方块电阻r口 定义一一一个正方形的扩散薄层所具有的电阻值，就称为扩散层的方块电阻r（也叫薄层电阻）。（见图21）图21 rd示意图2）方块电阻的单位：q/d3）方块电阻的物理意义：方块电阻的大小代表了扩散层杂质总量的多少。

33、杂 质总量越多一一r越小；反之，杂质总量越少一一r就越大。4）方块电阻的测试方法一一四探针法（图 22）计算公式图22四探针法示意图r= c x v / i其中i1, 4针之间的电流v2, 3针之间的电压c修正系数（与样片形状、单面或双面扩散有关）5）结深xj定义一一从表面到pn结所在位置的距离，就叫扩散的结深。符号 为xj。单位是pm 0 （见图23）图23结深的示意图6）结深xj的测量方法：磨角法（图24） 公式：xj = a x tg 8磨槽法（图25） 公式：xj = xy/d其中d （为滚筒直径）=2rx -n图24磨角法测量结深, 图形25磨槽法测结深示意6扩散工艺条件的三要素一一

34、炉温（t）、时间（t）、流量（l）以及 与方块电阻r口和结深xj的关系1） 扩散工艺条件的三要素中，最主要的是炉温 （t）。因为温度越高，杂质在半导体中的扩散速度越快，扩散速度的大小用扩散系数d来表示。一般温度升高10度，扩散系数d就要增加一倍左右。2） 结深xj与扩散炉温（t）、时间（t）有如下关系：xj = 5.4 （d - t）1/2（所以，如果炉温升高10度，结深xj大约要增加1.4倍左右。）3）方块电阻与扩散炉温（t）、时间（t）的关系：在预淀积过程中，炉温越高，时间越长，r越小。在再扩散过程中，一般有两种情况：a）在氧气气氛中，炉温越高，时间越长，r越大。b）在氮气气氛中，在一定的

35、时间范围内，炉温越高，时间越长，r越小。但在较长时间后，r口就趋向一定的数值。4）气体流量（l）对r和xj的大小以及均匀性也有较大的影响。7表面杂质浓度ns与方块电阻r口、结深xj的关系1） 扩散层的平均电导率（7= 1/ ro - xj2） 扩散层的表面杂质浓度：ns（与衬底浓度no以及扩散方法有关）。3） 实际应用：测出r和xj计算出一%=1/ rd - xj根据已知的no和扩散方法查相关的曲线，得到 ns。2-2-3离子注入工艺1离子注入的作用一一掺杂一一形成 p-n结（代替扩散或扩散的预 淀积过程）。2离子注入的原理杂质原子在强电场下电离成离子，它具有极高的能量并以极高的速度运动，轰击

36、并打入硅片表面，达到掺杂的目的。3离子注入形成p-n结的过程（图26a和图26b）生长u do卢干、退火1p再扩图26散硼离子离子注入氧花y光刻图26 b4离子注入的优点1） 均匀性好，有利于提高成品率。2） 结深和杂质浓度都可以精确控制，有利于做浅结，而且高浓度和低浓度都可以实现。3） 没有横向扩散，有利于做细线条图形的 p-n结。5离子注入工艺条件的两大要素一一剂量（q）和能量（e）。2-2-4 光刻工艺1刻的目的一一在氧化层和金属化层上刻蚀出各种图形，以便下一步进行定域 扩散或引出电极。（形成图形）2光刻的工艺过程：（图27 ）胶层图27光刻的工艺过程示意3光刻的原理光刻是一种照相与刻蚀

37、相结合的综合技术。它利用光刻胶的光致化学特 性，在暴光和显影后，使不暴光区域的光刻胶被去掉，暴光区域的光刻胶留下 来，然后，再利用化学腐蚀方法，在氧化层或金属化层上刻蚀出所需要的图形。4光刻胶的类型1）负性胶一一黑图形一一不暴光一一显影去除胶一一腐蚀出窗口。2）正性胶一一黑图形一一不暴光一一显影留下胶一一腐蚀时保留 氧化层。5光刻的质量要求1） 刻蚀图形完整、线条尺寸符合要求。2） 图形边缘整齐、线条陡直。3） 图形内无小岛、不染色、腐蚀干净。4） 片子氧化层上无针孔、表面清洁、不发花、没有残留物质。5） 图形套版准确。2-2-5蒸发（真空镀膜）工艺1蒸发的目的一一制作欧姆接触电极。（正面一一

38、e、b电极；背面一一c电极）。2蒸发的分类1）电阻加热式蒸发2）电子束蒸发3）溅射3蒸发的原理1）电阻加热式蒸发：在真空下，加热熔化金属材料，蒸发出来的蒸汽原子， 在真空中直线运动，淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。2）电子束蒸发：在真空下，具有高能量的电子束高速运动，轰击金属材料表 面，使材料局部表面产生高温而熔化，并蒸发出金属原子，在真空中直线运动, 淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。4蒸发用的金属材料1） 正面蒸发铝、钛-铝2） 背面蒸发一铀、锲、金、金错、金错睇5影响蒸发质量的因素3） 真空度 2）清洁度（蒸发源、真空室、片子）4） 蒸发工艺条件（电压、电流、时间等）6蒸发的质量要求5

39、） 膜厚与均匀性6） 表面质量一一光亮、清洁、不沾污、不发灰。7） 不掉铝、掉金。2-2-6 cvd 工艺1 cvd正名字解释一一化学气相沉积。2 cvd正作用一一淀积 sio2、bsg、psg、sin,作表面钝化、杂质扩散源、 加厚氧化层。3 cvd正原理一一在一定的温度和气氛条件下，化合物产生热分解和化合反应， 生成钝化层或掺杂氧化层。例如，sih4 si + +2 h2 tsi + o2sio2j4 cvd正分类常压 cvd、低压cvd、等离子体cvd（apcvd） 、 （lpcvd） 、 （pecvd）5 cvd的质量要求：1） 正厚一一达到一定的厚度（但不开裂）2） 掺杂浓度一一达到

40、r口的要求3） 表面质量一一颜色均匀，光亮，不发灰，无“流水”、“气泡”。2-2-7 台面工艺1什么是台面工艺？台面工艺有什么作用？对已经用平面工艺形成p-n结的硅片，通过采用：光刻一一斜槽切割一 一腐蚀的方法，使p-n结变成台面结构；然后，再通过采用：电泳玻璃一 一烧玻璃的方法，把暴露在台面处的 p-n结用玻璃保护起来。这样整个的 工艺过程，就叫台面工艺。台面工艺的作用就是，形成台面，保护 p-n结，提高和稳定击穿电压。2掺种不同的台面结构正斜角和负斜角结构（图 28a、28b）图28a图28b3正斜角台面结构的工艺流程（图29）掺刻一一斜槽切割一一腐蚀一一电泳玻璃粉一一玻璃烧成图29台面成

41、形工艺流程4台面工艺的质量要求1）斜槽的深度和光洁度一一要切透高阻层，槽面要腐蚀光洁（不要毛刺）。2）斜槽的角度要保证，台面成形要符合要求。3）玻璃的结晶状态，高度和平整度4）清洁度2-2-8三扩、磨抛工艺1什么是三扩工艺？什么是磨抛？它们的作用是什么？通过扩散的方法，把n型硅单晶片做成n+/n/n+结构的工艺，就叫三重扩 散（简称三扩）。经过三扩后的片子，通过磨片、抛光，去掉一面的n+层，而且把n层（高 阻层）控制到要求的厚度，这个过程就叫磨抛。三扩磨抛的作用就是，为某些采用 n/n+单晶材料生产的产品，在投料前， 进行材料的制作准备，使n型单晶变成n/n+结构（n 三扩后成为n+/n/n

42、+ 磨抛后成为n/n+）。2 三扩磨抛的工艺过程一一pocl3淀积（图30a）主扩散（图30b） 磨抛（30c）。3三扩、磨抛工艺的质量要求1） 三扩的r和xj要符合制管要求，而且均匀性要好。2） 磨抛后高阻层厚度要符合要求，而且平整性要好。3） 磨抛后的表面质量（光亮、无划道、扫把状等机械缺陷，位错等微缺陷要少）4） 表面清洁度要求2-2-9 清洗工艺1 清洗的目的清洁硅片表面，去除一切有机物质和无机金属离子对硅片表面的沾污， 为各道工艺过程的顺利进行， 确保产品的性能和可靠性奠定基础。2 清洗用的试剂分类1)有机溶剂 2)酸性溶液3)碱性溶液4)去离子水3 二分厂现用的主要清洗剂有机溶剂三

43、氯乙烯酸性溶液sh液、sc-2液、cp8、王水、hf、hcl、h2so4等。碱性溶液ncw-601 液、 sc-1 液、 naoh 、 koh 等。4 清洗工艺的质量要求1)去离子水的纯度电阻率12 m q2) 各种清洗液的配比和纯度酸酸符合工艺文件要求3) 清洗设备和工夹具的清洁度酸酸符合工艺文件要求4) 清洗的工艺条件酸酸严格按工艺文件要求进行。2-2-10 中测、划片工艺1 中测的目的按产品中测程序要求，对圆片上的管芯进行检测，判别合格与否，并以打点记号加以区分。2 中测的质量要求1) 按产品中测程序进行中测2) 调准探针和中测步距，防止误测。3) 防止探针划伤芯片铝层4) 防止墨水沾污

44、芯片表面5) 中测时要避免灯光直接照射3 划片的目的分裂大片，形成芯片，为后道组装提供方便。4 划片的质量要求1) 要根据产品不同的工艺(背金、芯片厚度、划片槽宽度)选取合适的贴膜、刀片和进刀深度。2) 要根据芯片尺寸设定划片步距。3) 防止划伤芯片表面、边缘毛刺和缺角。4) 防止表面沾污2-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响2-3-1 工艺质量问题分类1 表面问题沾污、破坏点、斑点、合金点、白雾、开裂、梅花斑-等2内在问题一一r口、xj偏大或偏小，低、软击穿，hfe偏大或偏小与均匀性以及其他 电参数问题。3 图形问题内内光刻图形针孔、小岛、毛刺、钻蚀、浮胶、线条粗细、图形变形、刻不出

45、等。4 接触问题内内掉金、掉铝、铝层发灰等。2-3-2 常见的工艺质量问题举例1 氧化层厚度不均匀内内表现为同一片子上氧化层颜色不均匀和同一炉片子的氧化层颜色不均匀。氧化层厚度不均匀主要会影响光刻操作， 无法选择合适的腐蚀时间， 影响光刻图形的质量。产生的主要原因有：氧气流量或水汽压力不均匀、炉子温度不均匀，恒温区太短等。2 氧化层、扩散层表面有“斑点”内内小黑点、小亮点、合金点、破坏点等。这些“斑点”的出现，可使氧化层在这些点上对杂质不起隐蔽作用；而且突出的斑点还会影响光刻操作，引起针孔、浮胶等。在扩散窗口中的合金点、破坏点会引起局部的扩散尖峰或管道，引起低击穿、软击穿。产生的主要原因有：硅

46、片清洗不干净、石英管清洗不干净或剥落的石英颗粒、硅片表面本来有的亮点、硅片上有水迹未烘干、扩散源蒸汽压过高等。3 扩散层的方块电阻和结深的偏大或偏小1） 产生的原因主要与扩散工艺条件选取不当、炉温偏高或偏低、扩散时间偏长或偏短有关。 （在上一节扩散工艺原理中已有讲过。 ）2） r口、xj或大或偏小的后果一一使基区或发射区的杂质浓度分布发生较大的偏离，引起管子的主要电参数（hfe、 ft） 不符合规范要求。3）解决的办法一一做先行试片，调节炉温和时间，测出试片的 r口、xj,直到符合 工艺要求。4 单结、双结的低击穿或软击穿1）产生单结低击穿的可能原因有： 材料电阻率偏低、外延层或高阻层偏薄，层

47、错或位错密度太大。 表面有破坏点或合金点，形成局部管道。2）产生单结软击穿的可能原因有： 扩散表面沾污，吸附金属离子，产生漏电。 光刻图形边缘严重变形曲折，边缘毛刺。3）产生双结低击穿的可能原因有： 基区扩散结太浅，发射区扩散后产生穿通。 基区光刻时留下小岛，形成n 型管道，在发射极扩散后引起c-e 穿通。 发射区范围内，有比较高的位错密度或有表面破坏点，合金点，在发射区扩散后，形成扩散尖峰，引起c-e 管道击穿。4）产生双结软击穿的可能原因有： 基区扩散表面浓度太低，在发射极扩散后，基区表面产生反型，从而，产生表面沟道效应，引起表面漏电而发生软击穿。 表面严重沾污，吸附金属离子，产生漏电而引

48、起软击穿。5 电流放大系数hfe 偏大或偏小以及均匀性不好问题1） hfe偏大的可能原因有： 基区扩散表面浓度太低或结太浅。 发射极扩散表面浓度太高或结太深。2） hfe偏小的可能原因有： 基区扩散表面浓度太高或结太深。 发射极扩散表面浓度太低或结太浅。3）控制和调整hfe 大小的办法： 严格控制基区扩散和发射区扩散的炉温、时间、气体流量，使r口、xj符合工艺要求。在发射区pocl3淀积与再扩散时，做试片和先行片，根据基区的r口、xj值，适当选取炉温和时间，先看试片的结果，再适当调整进一步试验，直到hfe大小 符合要求。4）电流放大系数hfe 的均匀性问题a） 电流放大系数hfe 的均匀性好坏

49、，直接影响成品率和对挡率的高低，因此，对hfe 的均匀性有较高的要求。b） hfe 的均匀性包括，同一片子上的 hfe 均匀性和同一批不同片上的 hfe 的均匀 性。c） 影响 hfe 均匀性的主要因素有： 炉温分布（纵向和径向）的均匀性好坏。 气体流量的大小（与片子大小、炉管直径大小相匹配） 。 石英舟的形状、片子的摆放方向。6 “梅花斑”点1） “梅花斑”现象有时，在发射区扩散后，在低倍率显微镜下看到，片子表面上局部出现“梅花”状分布的黑色斑点。在高倍率显微镜下看，是一滩滩的小黑点，去掉 sio2 层看到象小冰块形状的白色结晶。2） “梅花斑” 的后果容易产生光刻脱胶、 钻蚀， 严重影响产品的成品率和可靠性。3） “梅花斑”的产生原因在 pocl3 淀积时，由于磷气氛浓度太高、片子表面吸附水分（未烘干） 、室内空气湿度太大等因素，从而使片子表面上过饱和的磷吸湿成为偏磷酸析出，形成 “梅花