微电子行业入门通用教材Word文件下载.docx
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2-2-6CVD工艺…………………………………………………………..33
2-2-7台面工艺…………………………………………………………..34
2-2-8三扩、磨抛工艺…………………………………………………..35
2-2-9清洗工艺…………………………………………………………..36
2-2-10中测、划片工艺…………………………………………………36
2-3常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响……………………………….37
2-3-1工艺质量问题分类…………………………………………………37
2-3-2常见的工艺质量问题举例…………………………………………37
2-4工艺纪律和工艺卫生的重要性……………………………………………….41
2-4-1半导体生产对空气洁净度的要求…………………………………41
2-4-2工艺卫生的内涵…………………………………………………..42
2-4-3工艺卫生好坏对半导体生产的影响……………………………..42
2-4-4工艺纪律的内涵…………………………………………………..43
2-4-5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ρ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Ω-cm)。
电阻率越小,说明物质的导电性能越好;
反之,电阻率越大,说明物质的导电性能越差。
物质种类
导体
半导体
绝缘体
电阻率
(Ω-cm)
≤10-4
10-3~108
≥109
1-1-2半导体的基本特性
1热敏特性——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光敏特性——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——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%以上。
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
1-1-4N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。
3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)
4N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”)。
5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=ni
2)在杂质半导体中,载流子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≠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)
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。
图1N型半导体和P型半导体
1-1-5半导体的导电机构——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”是怎么产生的?
A本征激发——产生电子、空穴对——本征载流子浓度(ni)
1)半导体材料硅的晶格结构——“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”晶格结构平面示意图
2)在价电子获得一定的能量(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——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)
图3本征激发产生电子空穴对的示意图
B杂质电离——产生电子或空穴——电子浓度n和空穴浓度p
1)施主杂质电离——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——产生空穴
在纯净的半导体硅中,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4aN型半导体中的施主杂质电离图4bP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μn.μp。
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τ表示。
(τ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。
)
1-2P-N结
1-2-1P-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。
1-2-2P-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——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——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——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)
图5P-N结内的载流子运动和平衡
1-2-3P-N结的基本特性
1P-N结的单向导电性(整流特性,伏—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。
——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,称为P-N结的单向导电性。
示意图见图6。
图6aP-N结正向特性图6bP-N结反向特性
2P-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。
变容二极管就是根据这个原理制成的。
3P-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——雪崩倍增。
反向电压很大时——势垒区电场很强——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——象雪崩一样,产生大量的电子和空穴——并在强电场下定向流动——形成很大的电流。
3)P-N结反向击穿特性的图示:
(图7)
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结——电极引出(引线孔,正面、背面金属化)——
后道组装——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)
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——利用P-N结的单向导电性。
2稳压二极管——利用P-N结的击穿特性。
3变容二极管——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)
1-4-1晶体管的构成
1晶体管的基本构成
1)结构框架——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PNP
3)两种结构的示意图(图10)
图10aNPN结构图10bPNP结构
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)
图11aNPN型图11bPNP型
4晶体管的纵向剖面结构(图12)
图12aNPN纵向结构图12bPNP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)
图13a共基极电路图13b共发射极电路
图13C共集电极电路
2晶体管正常工作的必要条件——
●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——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——空穴漂移运动进入基区(ICBO)。
这样,形成了:
IE=Ine+Ipe
IB=Ipe+Ir-ICBOIE=IB+IC
IC=Inc+ICBO=(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,就可以得到:
●IC<IE,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。
图14晶体管内部载流子的输运过程
4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/IB,GV=RL/Ri,GP=RL/Ri(三个均为远大于1的数)。
2)共基极电路——有电压放大和功率放大作用,没有电流放大作用。
α=IC/IE<1,但仍有GV=RL/Ri,GP=RL/Ri。
3)NPN晶体管共发射极电路放大原理图(图15)
图15NPN晶体管共发射极电路放大原理图
4)共发射极电流放大系数
交流放大系数β=△IC/△IB
直流放大系数hFE=IC/IB
5)如何提高晶体管的电流放大系数
要提高电流放大系数,必须:
● 提高发射效率——即要提高注入到基区的电子电流(Ine)在总的发射极电流(IE)中的比例(也就是要减少从基区向发射区注入的空穴电流Ipe)——必须提高发射区杂质浓度与基区杂质浓度之比。
(工艺中要调节好基区和发射区的浓度)
●减少电子在基区的复合
——必须减小基区宽度W(控制好两个结深Xjc、Xje)。
——必须提高少数载流子的寿命(材料完整性要好,工艺中要尽量减少产生二次缺陷和金属离子沾污。
1-4-3晶体管的特性曲线
1共发射极输出特性曲线
在特性曲线中可以看出:
1)当IB=0时,IC≠0(=ICEO)
2)当IB=IB1时,IC=βIB1+ICEO
3)对于某一IB=IBi,当VCE=0时,IC=0。
当VCE电压开始增加时,集电极电流急剧增大,当VCE电压增大到一定数值后,IC开始转向稳定。
这一段IC增大的快慢程度,反映了晶体管饱和压降的大小。
1输出特性曲线的三个工作区(见图17)
可划分为三个工作区:
1)放大区2)饱和区3)截止区
图17共发射极输出特性的三个工作区
3输出特性曲线的几种异常情况
1)大电流特性差(图18a)2)小电流特性压缩(图18b)
3)饱和压降大(图18c)4)特性曲线倾斜(图18d)
5)两段饱和特性(图18e)6)C-E低击穿(图18f)
(图18a)(图18b)
(图18c)(图18d)
(图18e)(图18f)
1-4-4晶体管的分类
1按结构极性分——NPN和PNP型
2按频率分——高频(超高频、微波):
fT>
3MHz
低频:
fT〈3MHz
2按功率分——大功率:
Ptot>
1W
小功率:
Ptot〈1W
3按工艺分——平面、台面、台平面,---------等
4按功能分——放大、振荡、开关、--------等
1-4-5晶体管的主要电参数
1直流参数
●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的高低决定于——基区的杂质浓度
3)BVCBO的高低决定于——集电区的电阻率
4)BVCEO的高低决定于——BVCBO的高低和β的大小,
而且有关系式:
BVCEO=BVCBO/(1+β)1/n
●反向电流——ICBO、ICEO、IEBO(单位:
μA或mA)
1)测试方法——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μA数量级)。
3)ICEO的大小与ICBO和β有关——ICEO=(1+β)ICBO
4)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——因此,在生产中必须加强清洗工艺。
● 电流放大倍数——hFE
1)测试方法——在规定的VCE、IC条件下,测出IC和IB值,然后,计算出hFE=IC/IB。
2)hFE的大小决定于——硼、磷扩散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——VCES、VBES(单位:
1)测试方法——在规定的IC和IB条件下,测出VCES、VBES。
2)VCES、VBES的大小决定于——
★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——fT(单位:
MHz)
1)测试方法——在规定的测试频率和电压VCE、电流IC条件下,在fT测试仪上测出fT。
2)fT的大小决定于——
★基区宽度Wb的大小(Wb小——fT高)
★发射结面积AE的大小(AE小——fT高)
★基区杂质浓度Nbs的高低(Nbs低——R□大——fT高)
●输出电容——Cob(单位:
pF)
1)测试方法——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——Cob小)
★集电结面积AC的大小(AC小——Cob小)
★材料电阻率ρc的高低(ρc高——Cob小)
●开关时间——td、tr、ts、tf(单位:
μS)
延迟时间——td,上升时间——tr,储存时间——ts,
下降时间——tf(其中,ts和tf是两个主要的时间参数)
1)t