半导体基础知识

1、半导体的物理基础 1、半导体的定义：半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。 半导体的主要性能：在半导体中加入微量的某些其他元素的原子，半导体的导电性能能在很大范围内变化。半导体中的杂质原子的含量微小但对半导体材料的导电能力却起了决定性的作用，半导体的导电特性可以通过掺杂来控制是半导体能制成各种器件从而得到广泛应用的一个重要原因。2、半导体材料的分类：元素半导体和化合物半导体材料，元素半导体材料主要包括硅、锗等；化合物半导体材料主要包括砷化铟、铝镓砷等。3、本征半导体：没有任何搀杂和缺陷的纯净半导体材料，这时其导电能力取决于材料本身的固有特征，这种半导体称为本征半导体。SiSiSiSiSi

2、SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi4、N型半导体：半导体中的杂质如果有五个价电子就会得到如图所示的晶体结构如图1。杂质将置换晶体中的某些原子，五个价电子中的四个与周围原子形成共价键而第五个价电子则不受任何约束，他起载流子的作用，这类杂志提供了电子载体，故称他们为施主杂质或N型杂质。如果半导体中N型杂质居多，则称该半导体为N型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP5、P型半导体：若将三价元素掺入本征半导体，只有三个共价键能添满，第四个共价键的空位置上则构成了一个孔穴如图1。这类杂质提供了有实际意义的正载流子，因为它们产生了可接纳电子的孔穴。这类杂质

3、成为受主杂质或P型杂质，以P型杂质为主的半导体称为P型半导体。SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSi6、PN结：通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分为N型，则在其交界面就形成了PN结。PN结最大的电学特点就是具有单向导电性。如图2PN图27、二极管：由一个PN结制作成的器件称为二极管。二极管能在一个方向上允许电流通过，而另一个方向上阻碍电流通过。PN图28、双极晶体管：双极晶体管是有两个PN结构成，双极晶体管也叫三极管。如图3所示。它共有三个电极，分别是发射极（e极）、基极（b极）和集电极（c极）。它的主要作用是对电流的放大作用，放大电路如图，特性曲线如图。

4、从图中可以看出，随基极电流的增大，集电极电流成倍增大。可见三极管对电流有增大作用。 PPN发射极基极集电极PNP型晶体管NNP发射极基极集电极NPN型晶体管图3发射极基极集电极9、MOS晶体管：它是只用一种载流子进行工作的晶体管，也叫单极晶体管，它的基本结构如图4所示。它有三个电极，源极（S极）、漏极（D极）和栅极（G极）组成。对于NMOS是在硅片内掺入了N型导电的小岛。整个晶体覆盖了二氧化硅层，并留出用于接源极和漏极的两个窗口。如果我们在源极和漏极上加正电压，没有电流流过，如果加负电压，也没有电流流过。如果我们在栅极上加相对于源极和基片正电压，这时在临近的二氧化硅层就会聚集负电荷，而二氧化硅

5、的另一侧由于电中性的缘故会有正电荷，因此，硅表面就会聚集电子，电子使P型衬底变成N型沟道，这沟道使两N型岛之间形成导电沟道。改变栅极电压，沟道内电子数量跟这变化，这样，我们就可以通过改变栅极电压来控制源漏之间的电流。 NMOSGDSGDPMOSNMOS和PMOS图4sP-N+N+N-P+P+N-SiO2P+P+ + + + +二、生产中主要的工序：1、光刻工序 利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜（二氧化硅等绝缘膜和各种金属膜）制备出合乎要求的图形，以实现选择搀杂、形成金属电极布线或表面钝化的目的。目前光刻工艺能刻蚀出多细的线条已成为影响超大规模集成电路可达到集成度从而限制

6、其规模的关键工艺之一。 清洁处理： 使二氧化硅表面清洁干燥，保证光刻胶与二氧化硅表面有良好的沾附。通常是用800下烘焙或涂增粘剂。 涂敷光刻胶： 光刻胶是一种光敏有机化合物。受特定波长的光线照射后，它的化学结构将发生变化。如果光刻胶受光照的区域在显影时容易被去除，称之为正胶，反之如果在显影中暴过光的胶被保留，则称为负胶。如图5、图6，涂敷时光刻胶滴在硅片上，然后使硅片高速旋转，在离心力和表面张力共同作用下，在表面形成一层厚度一定且均匀的胶层。 前烘：将光刻胶用红外线加热或热板的方法使光刻胶中的溶剂充分挥发掉。 曝光：将光刻板放在光刻胶层上，然后用一定波长的紫外光照射，使光刻胶发生化学反应。 显

7、影：经过曝光后的光刻胶中受到光照的部分因发生光化学反应，大大地改变了这部分光刻胶在显影液中的溶解度。对采用负性胶的情况，未受光照的那部分光刻胶在显影中被溶解掉，如图5、图6 坚膜：去除显影后留在胶层中的溶剂，增强光刻胶的耐腐蚀性。 腐蚀：由于在二氧化硅层上面留下的胶膜有抗腐蚀性能，所以腐蚀时只是将没有胶膜保护的二氧化硅部分腐蚀掉。如图5、图6l 湿法腐蚀：将硅片放在专门配置的腐蚀液中进行腐 蚀。根据被腐蚀层中材料的不同（二氧化硅、不同金属等），已相应配置不同配方的腐蚀液，此法的突出优点是操作方便，生产效率高。l 干法腐蚀：由于湿法腐蚀有一些明显的缺点。例如存在侧向腐蚀的问题，且腐蚀液一般具有毒

8、性和腐蚀性。腐蚀后要立即进行漂洗和去胶两步底效率的手工操作等等。干法腐蚀具有分辨率高各向异性腐蚀能力强（如图7）、均匀、重复性好、易于实现自动连续操作等优点。因此干法腐蚀已经成为继承电路标准腐蚀技术。干法腐蚀常采用等离子体腐蚀方法。等离子体腐蚀是依靠高频辉光放电形成的化学性游离基与被腐蚀材料发生化学反应实现选择性腐蚀的方法。去胶：腐蚀后，就在膜上刻蚀出了需要的图形，这时就要去除光刻胶。去胶也分湿法和干法两种。 湿法对于非金属膜上面的胶，一般用硫酸去除；金属膜上面的胶用专门的有机溶剂去除。 干法与干法腐蚀原理相同，只是所用的气体不同。2、扩散工序： 氧化：主要是在高温氧化气氛下生长二氧化硅。二氧

9、化硅有阻止杂质想硅内扩散的作用。二氧化硅的生长方法主要有干氧氧化、湿氧氧化和氢氧合成氧化。干氧氧化是使氧气在高温下与硅直接反应；湿氧氧化是使氧气先经过热水，鼓泡后将水汽一起带入炉内，再在高温下与硅反应；氢氧合成氧化是在常压下分别将氢气和氧气直接通入炉内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下与硅反应生成二氧化硅。一般干氧氧化生成的二氧化硅致密、干燥。光刻时与光刻胶接触良好，但生长速度慢。湿氧氧化生成的二氧化硅质量差，但生长速度快。氢氧合成氧化质量高、生长速度快。 扩散：就是将杂质扩散到半导体材料中改变某个部分的导电性或改变某个部分的导电类型。如图8，当硅表面有大量的杂质且温度又很高时杂质就会扩

10、散到硅中。 CVD：就是用一种或多种气体，经过化学反应生成的固体物质直接淀积在硅片表面的一种技术。它主要是淀积二氧化硅、多晶硅等。CVD生长的二氧化硅与热氧化不同，它不需要与衬底硅反应。 溅射：在真空中充入一定的惰性气体，在高压下由于气体放电形成离子，受强电场加速轰击靶源使其原子逸出，高速溅射到归片表面淀积为需要的薄膜。一般用溅射形成各种金属薄膜。 注入：就是将含有需要杂质的离子经过加速后直接打进半导体内的一种技术。这种掺杂方法的好处是，可以在低温下进行，并且均匀、数量可控。四、晶体管的一般工艺1、氧化，生长二氧化硅2、光刻，刻基极区域3、B扩散及氧化，形成基区及下次光刻掩膜.4、光刻，刻发射

11、区5、P扩散及氧化，形成发射区及下次光刻掩膜 6、光刻，刻引线孔7、溅射，溅射铝8、光刻，形成电极9、背面金属化发射极基极集电极五、P阱CMOS一般工艺NMOSPMOSGDSGDSP-N+N+N-P+P+SiO2AL1、氧化生长二氧化硅N-SiO22、光刻，刻P阱区N-SiO23、硼离子注入N-SiO2B4、推结及氧化，形成P阱区及下次光刻掩膜N-SiO2P-5、光刻，刻PMOS的源、漏区N-SiO2P-6、硼离子注入BN-SiO2P-7、推结及氧化形成PMOS的源、漏区及下次光刻掩膜N-SiO2P-P+P+8、光刻，刻NMOS的源、漏区N-SiO2P-P+P+9、P 磷离子注入PN-SiO2P-P+P+10、推结及氧化形成NMOS的源、漏区及下