半導(dǎo)體技術(shù)概論1

1、半導(dǎo)體制程概論                                                第一章 

2、半導(dǎo)體導(dǎo)論    半導(dǎo)體的物理特性及電氣特性 【半導(dǎo)體】具有處于如銅或鐵等容易導(dǎo)電的【導(dǎo)體】、與如橡膠或玻璃等不導(dǎo)電的【絕緣體】中間的電阻系數(shù)、該電阻比會(huì)受到下列的因素而變化。如： 雜質(zhì)的添加·溫度 光的照射·原子結(jié)合的缺陷     半導(dǎo)體的材料 硅(Si)與鍺(Ge)為眾所周知的半導(dǎo)體材料.這些無(wú)素屬于元素周期素中的第IV族,其最外殼(最外層的軌道)具有四個(gè)電子.半導(dǎo)體除以硅與鍺的單一元素構(gòu)成之處,也廣泛使用兩種以上之元素的化合物半導(dǎo)體. 硅、鍺半導(dǎo)體 （Si、Ge Semiconductor) 單結(jié)晶的硅、其各個(gè)原子與所

3、鄰接的原子共價(jià)電子（共有結(jié)合、共有化）且排列得井井有條。利用如此的單結(jié)晶，就可產(chǎn)生微觀性的量子力學(xué)效果，而構(gòu)成半導(dǎo)體器件。 化合物半導(dǎo)體 (Compound Semiconductor) 除硅（Si)之外，第III族與第V族的元素化合物，或者與第IV族元素組成的化合物也可用于半導(dǎo)體材料。 例如，GaAs（砷化鎵）、 Gap（磷化砷）、 AlGaAs（砷化鎵鋁）、  GaN（氮化鎵） SiC（碳化硅） SiGe（鍺化硅）等均是由2個(gè)以上元素所構(gòu)成的半導(dǎo)體。    本征半導(dǎo)體與自由電子及空穴 我們將第IV族（最外層軌道有四個(gè)電子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族

4、等價(jià)的化合物（GaAs、GaN等），且摻雜極少雜質(zhì)的半導(dǎo)體的結(jié)晶，稱(chēng)之為本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）。 本征半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor） 當(dāng)溫度十分低的時(shí)候，在其原子的最外側(cè)的軌道上的電子（束縛電子（bound electrons）用于結(jié)合所鄰接的原子，因此在本征半導(dǎo)體內(nèi)幾乎沒(méi)有自由載子，所以本征半導(dǎo)體具有高電阻比。 自由電子（free electrons）  束縛電子若以熱或光加以激發(fā)時(shí)就成為自由電子，其可在結(jié)晶內(nèi)自由移動(dòng)。空穴（hole） 在束縛電子成為自由電子后而缺少電子的地方，就有電子從鄰接的Si原子移動(dòng)過(guò)

5、來(lái)，同時(shí)在鄰接的Si原子新發(fā)生缺少電子的地方，就會(huì)有電子從其所鄰接的Si原子移動(dòng)過(guò)來(lái)。在這種情況下，其與自由電子相異，即以逐次移動(dòng)在一個(gè)鄰接原子間。缺少電子地方的移動(dòng)，剛好同肯有正電荷的粒子以反方向作移動(dòng)的動(dòng)作，并且產(chǎn)生具有正電荷載子（空穴）的效力。 添加摻雜物質(zhì)的逆流地導(dǎo)體與電子及空穴  將第V族的元素（最外層的軌道有五個(gè)電子）添加在第IV族的元素的結(jié)晶，即會(huì)形成1個(gè)自由電子且成為N型半導(dǎo)體。    將第族的元素（最外層的軌道有三個(gè)電子）添加在第IV族的元素的結(jié)晶，即會(huì)產(chǎn)生缺少一個(gè)電子的地方且成為P型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體（N type Sem

6、iconductor）   N型半導(dǎo)體中，自由電子電成為電流的主流（多數(shù)載了），并將產(chǎn)生自由電子的原子，稱(chēng)為“施體（donor）“。施體將帶正電而成為固定電荷。不過(guò)也會(huì)存在極少的空穴（少數(shù)載子）。  作為N型摻雜物質(zhì)使用的元素有：P 磷；As 砷；sb 銻P型半導(dǎo)體（P type Semiconductor） 在P型半導(dǎo)體中，空穴成為電流的主流（多數(shù)載子），并將產(chǎn)生空穴的原子，稱(chēng)為“受體（acceptor）”。受體將帶負(fù)電而成為固定電荷。不過(guò)也會(huì)存在極少的自由電子（少數(shù)載子）。  作為P型摻雜物質(zhì)使用的元素有：B 硼；in 鋅  漂移

7、電流及擴(kuò)散電流流動(dòng)于半導(dǎo)體體中的電流有兩種：漂移電流與擴(kuò)散電流。MOS型半導(dǎo)體中漂移電流起著很重要的作用，而雙極型半導(dǎo)體中擴(kuò)散電流的作用很重要。   漂移電流（drift current） 與電阻體（哭）相同，由于外加電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)，因電子和空穴的電性相吸引而流動(dòng)所產(chǎn)生的電流。場(chǎng)效應(yīng)管（FET）內(nèi)流動(dòng)的電流稱(chēng)為漂移電流。  擴(kuò)散電流（diffusion current）將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接合且加電壓。如電子從N型半導(dǎo)體注入到P型半導(dǎo)體，而空穴從P型半導(dǎo)體注入到N型半導(dǎo)體，即電子和空穴因熱運(yùn)動(dòng)而平均地從密度濃密的注入處移動(dòng)到密度稀薄的地方。以這樣的

8、結(jié)構(gòu)所流動(dòng)的電流稱(chēng)為擴(kuò)散電流。在雙極性（雙載子）晶體管或PN接合二極管，擴(kuò)散電流為主體。      PN接合和勢(shì)壘 在接合前，由于P型半導(dǎo)體存在與受體（負(fù)離子化原子）同數(shù)的空穴，而N型半導(dǎo)體存在與施體（正離子化原子）同數(shù)的電子，并在電性上成為電中性。將這樣的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接合就會(huì)產(chǎn)生勢(shì)壘。 接合前為中性狀態(tài) 接合前，在P型半導(dǎo)體存在著與受體（負(fù)離子化原子）同數(shù)的空穴，而N型半導(dǎo)體即存在著與施體（正離子化原子）同數(shù)的電子，并在電性上成為電中性。 空乏層與勢(shì)壘（depletion layerpotential barrier）  

9、將P型與N型半導(dǎo)體接合時(shí)，由于P型與N型范圍的空穴及電子就相互開(kāi)始向?qū)Ψ缴?。因此在接合處附近，電子和空穴再接合后就僅剩下不能移動(dòng)的受體與施體。該層稱(chēng)為“空乏層”。由于該空乏層會(huì)在PN接合部會(huì)產(chǎn)生能差，故將該能差稱(chēng)為“勢(shì)壘”。 PN接合面的電壓及電流特性 如外加電壓到PN接合處，使電流按照外加電壓的方向（正負(fù)極）流通或不流通。這是二極管基本特性。 外加正相電壓到PN接合面 從外部在減弱擴(kuò)散電位的方向（正極在P型而負(fù)極在N型）外加電壓時(shí)，PN接合面的勢(shì)壘就被破壞了，空穴流從P型半導(dǎo)體注入N型半導(dǎo)體，電子流則從N型半導(dǎo)體注入P型半導(dǎo)體，而擴(kuò)散電流得以繼續(xù)流動(dòng)。電流流動(dòng)的方向就稱(chēng)為“正向”。 外加反向

10、電壓到PN接合面 另一方面，從外部所外加的電壓的極性與上述相反（負(fù)極為P型而正極為N型），在接合面使勢(shì)壘變成需要再加上外部電位VR，其結(jié)果使空乏層的寬度更擴(kuò)大。在這種情況下，反向電流幾乎不會(huì)流通，我們將這個(gè)方向稱(chēng)為反向（inverse） MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu) 在M（金屬）-O（氧化物）-S（半導(dǎo)體）的三明治型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體與金屬電極間外加電壓，就能使氧化層下的半導(dǎo)體表面的極性加以反轉(zhuǎn)。 給MOS三明治型結(jié)構(gòu)上外加電壓 在MOS三明治型結(jié)構(gòu)上，金屬電極相對(duì)于P型半導(dǎo)體的情況下，外加正電壓，對(duì)N型半導(dǎo)體外加負(fù)電壓，就會(huì)形成與PN接合面相同的現(xiàn)象，也就是最初在氧化膜下會(huì)產(chǎn)生空乏層（deple

11、tion layer）。 反轉(zhuǎn)層（reversion layer） 針對(duì)投送化膜下為P型半導(dǎo)體的情況，如果再提高電壓，就會(huì)累積電子，若是N型半導(dǎo)體則會(huì)累積空穴，我們稱(chēng)此層為“反轉(zhuǎn)層”。MOS型場(chǎng)效應(yīng)管就是利用這個(gè)層，作為一個(gè)切換開(kāi)關(guān)。這是因?yàn)楦淖兺饧与妷?，就可使此電路產(chǎn)生切換的轉(zhuǎn)換（開(kāi)關(guān)）功用。  摻雜物質(zhì)的選擇性擴(kuò)散 如果用不純物的原子置換結(jié)晶中的硅（4價(jià)）原子的一部分，即能制造P型（3價(jià)的摻雜元素：注入硼等），或者N型（5價(jià)的摻雜元素：注入磷等）半導(dǎo)體。 注入摻雜 有以下方法：  1、熱擴(kuò)散法（Thermal Diffusion Method）   使用氣體或

12、固體作為雜質(zhì)擴(kuò)散源，并將單結(jié)晶基板（晶圓）放入擴(kuò)散爐中加熱（約1000），雜質(zhì)就因擴(kuò)散而摻入到硅結(jié)晶中。P型摻雜物使用硼，而N型摻雜物為磷、砷等。單結(jié)晶中的摻雜物濃度或濃度分布可由增減溫度、時(shí)間、氣體流量來(lái)加以控制。    2、離子注入法（Ion-injection Method）    將氣體狀的不純物加以離子化，且用質(zhì)量分析器將所注入的元素加以分離，并用電場(chǎng)作加速而打入半導(dǎo)體基板。若使用該注入方法，就能將不純物濃度做精密控制，注入到目標(biāo)位置和深度。但如果單是注入不純物，仍無(wú)法顯現(xiàn)P型、N型的性質(zhì)，還必須有后續(xù)燒鈍（退火）來(lái)將晶格中的硅原子加

13、以置換為摻雜物原子的過(guò)程。通過(guò)擴(kuò)散來(lái)改變半導(dǎo)體的極性時(shí)，必須將濃度提升為比原來(lái)素材的不純物濃度高，而且應(yīng)使不純物擴(kuò)散。在擴(kuò)散工程中只能操作增加濃度的方向。 3、氣相成長(zhǎng)法（epitaxial growth method）這種方法如同在結(jié)晶基板接枝那樣，使結(jié)晶成長(zhǎng)的氣相成長(zhǎng)法（vaporphase growth method）。將晶圓在反應(yīng)容器內(nèi)加溫至高溫（約1200）并將摻雜物氣體與硅烷氣體（SiH4）、氫混合，流通適量，就能在結(jié)昌基板上長(zhǎng)成具有目的性極性和不純物濃度的單結(jié)晶，且能做成比基板不純物濃度更低的層或極性相反的層。     氧化膜（SiO2）  在半導(dǎo)體

14、器件的制造上，氧化膜具有極為重要的作用。其被利用為MOS晶體管的柵極氧化膜、PN接合部的保護(hù)膜、那時(shí)質(zhì)擴(kuò)散的光罩。制造氧化膜的代表例有：熱氧化法及氣相成長(zhǎng)法（CVD法）。     熱氧化法（Thermal Oxide Method）    將硅晶圓的表面用高溫氧氣或水蒸氣氧化加以氧化生成。由于可形成細(xì)密的氧化膜，因此被用于MOS晶體管的柵極氧化層、鈍化層（passivation film,or passivation layer）。用氧化所形成的膜厚度可由溫度、時(shí)間、或者水蒸氣的流量加以控制。      氣相成長(zhǎng)法

15、（CVD法）（CVD：Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積） 這是在高溫的反應(yīng)爐內(nèi)帽硅烷氣體沉積在晶圓表面的方法，這包括常壓CVD法（1大氣壓）與低壓CVD法等。主要用途在于形成配線層間的絕緣膜，保護(hù)芯片表面的鈍化作用膜等。這種氣體也可用的復(fù)晶硅柵極等的形成中。      制作Si單結(jié)晶  半導(dǎo)體器件需要Si純度、結(jié)晶瑕疵少的單結(jié)晶，單結(jié)晶硅的制造方法有CZ法（齊克勞斯基法）及FZ法（懸浮區(qū)熔法）。利用多結(jié)晶Si材料制作單結(jié)晶Si材料時(shí)需要添加雜質(zhì)，在基板上形成P型、N型的極性。  CZ法（Czochral

16、ski method） 將不純物體添加在超高純度的多結(jié)晶硅基板，且在加熱爐中溶解，并將晶種一面旋轉(zhuǎn)且一面慢慢的加以提升，即會(huì)成長(zhǎng)為棒狀的單結(jié)晶晶錠。通過(guò)加減摻那時(shí)物質(zhì)種類(lèi)或添加量，即可控制半導(dǎo)體的極性與電阻比。 FZ法（Floating Zone method）在加有添加化合物的氣體的惰性氣體的容器內(nèi)將棒狀的多結(jié)晶硅加以固定，再連接種子結(jié)晶、且從該部分按照環(huán)狀的高頻加熱線圈、一面將硅溶解為帶狀并一面將線圈移動(dòng)至上方，面制作單結(jié)晶晶錠。 想制造高耐壓功率晶體管或晶閘管等高電阻比的單結(jié)晶時(shí)，也有以中子束照射高純度的FZ單結(jié)晶，且將一部分的硅變換為磷而制造N型半導(dǎo)體的制法。  半導(dǎo)體器件的

17、制造法    半導(dǎo)體器件（晶體管或IC）是經(jīng)過(guò)以下步驟制造出來(lái)的。1）從Si單結(jié)晶晶柱制造出晶圓的制程；2）前道制程：在晶圓上形成半導(dǎo)體芯片的制程；3）后道制程將半導(dǎo)體芯片封裝為IC的制程。 一、【Si晶圓的制造工程】  ：從圓柱形的硅單結(jié)晶晶柱切出圓盤(pán)狀的晶圓，并將其表面磨光，如同鏡面一樣。  第一步、從硅單結(jié)晶晶柱切出晶圓狀的晶圓（切成薄片：Slicing）    將圓柱狀的Si單結(jié)晶晶柱貼在支撐臺(tái)上，再使帶有鉆石粒的內(nèi)圓周刀刃旋轉(zhuǎn)，就可切出圓盤(pán)狀的晶圓。第二步、Si晶圓的表面拋光（研磨-精磨：Polishing）如果想

18、制造缺陷少的器件，需要將Si晶圓表面冒用機(jī)械或化學(xué)方法加以拋光成鏡面，以去除表面的缺陷層。 二、【前道制程】：反復(fù)進(jìn)行黃光微影、蝕刻及雜質(zhì)擴(kuò)散的工程，以制造半導(dǎo)體芯片。 第一步、氣相成長(zhǎng) 在完成鏡面研磨的晶圓表面（單結(jié)晶硅基板）形成氣相沉積層。 第二步、選擇性的摻雜物擴(kuò)散 運(yùn)用類(lèi)似照相技術(shù)的微影方法，且為了選擇性地?cái)U(kuò)散摻雜物質(zhì)，而在部分區(qū)域制造想要的極性與雜質(zhì)濃度。通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程制造所需求的半導(dǎo)體可器件。 第三步、蒸鍍電極金屬 將鋁、銅等蒸鍍?cè)诰A表面形成電極及配線。 三、【后道制程】：這是從晶圓切割芯片，并乘載在導(dǎo)線架上，再用電線與引線連接，然后用塑膜樹(shù)脂包裝IC芯片，并進(jìn)行測(cè)試且去除不良品的工程。 第一步、切片（dicing）  將制造在晶圓上的半導(dǎo)體器件，以且有鉆石刀刃的切割刀將晶圓切割為各個(gè)芯片。 第二步、芯片安裝（chipmount）及金屬連接（bonding） 將芯片裝置安裝在導(dǎo)線架上。接著，用金線、鋁線等將芯片的電極與引線連接。 第三步、封裝（packaging） 為了增加機(jī)械強(qiáng)度，用環(huán)氧樹(shù)脂等將結(jié)合線、半導(dǎo)體芯片等封裝起來(lái)。 第四步、測(cè)試篩檢 最后用測(cè)試儀表測(cè)定并判斷其電氣特性，并去除不良品            &#