《教学分析》-半导体器件原理与工艺1
微电子技术半导体器件原理与制备
微电子技术半导体器件原理与制备微电子技术是现代信息技术的基础，而半导体器件是微电子技术的重要组成部分。
本文将从半导体器件的原理与制备两个方面进行论述，以帮助读者更好地了解微电子技术的基础知识。
一、半导体器件的原理半导体器件是一类利用半导体材料电学性质的器件，常见的有二极管、晶体管、场效应管等。
这些器件的工作原理基于半导体材料的导电特性和PN结的特殊性质。
1. PN结的特性PN结是半导体器件的基本构造单元，它由P型半导体和N型半导体通过特殊的工艺制备而成。
PN结具有整流特性，在正向偏置时电流可以通过，在反向偏置时电流则几乎不流动。
这种特性使得二极管等器件成为电子设备中常用的整流器。
2. 晶体管的原理晶体管是一种具有放大和开关功能的器件。
它由三个或更多的掺杂不同的半导体材料构成，通常包括一个基区和两个掺杂浓度较高的接触区。
当输入信号作用于基区时，晶体管中发生电子和空穴的输运，从而引起输出电流的变化。
这种变化可以被放大，从而实现信号的放大功能。
3. 场效应管的原理场效应管是一类利用场效应的半导体器件，常见的有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）等。
场效应管的工作原理是利用栅极电场对沟道中载流子的控制，从而实现对电流的调节和放大。
二、半导体器件的制备半导体器件的制备是微电子技术的重要环节，它包括材料的选择、晶体的生长、器件的加工等多个步骤。
1. 材料的选择半导体器件的制备首先需要选择适当的半导体材料，通常使用的有硅（Si）和化合物半导体（如砷化镓、硒化镉等）。
不同的半导体材料具有不同的物理特性和加工性能，需根据具体应用需求进行选择。
2. 晶体的生长晶体的生长是半导体器件制备的关键步骤之一。
以硅为例，硅晶体的生长一般采用Czochralski法或浮区法。
这些方法可通过向熔融硅中引入掺杂物，使其成为P型或N型硅晶体，为后续的器件加工提供基础。
3. 器件的加工器件的加工是将晶体变成具有特定功能的器件的过程。
半导体器件的工作原理解析
半导体器件的工作原理解析随着科技的进步和发展，半导体器件在现代电子领域中扮演着至关重要的角色。
笔者将从工作原理的角度来探讨半导体器件，并解析其中的一些关键概念和原理。
首先，我们需要了解什么是半导体。
半导体材料在温度较低时具有较小的导电能力，而在较高温度下会变得更加导电。
这种特性使得半导体材料成为制造器件的理想选择之一。
半导体器件的工作原理正是基于这种特性。
其中，最常见的半导体器件之一是二极管。
二极管是由半导体材料构成的，通常有一条N型区和一条P型区组成。
N型区富含电子，P型区则富含空穴。
当二极管正向偏置时，即正极接在P型区，负极接在N型区，电流可以通过二极管，此时二极管处于导通状态。
如果反向偏置，即正极接在N型区，负极接在P型区，电流将被阻塞，二极管处于截止状态。
这种特性使得二极管可以用于构建整流器等电路。
另一个常见的半导体器件是晶体管。
晶体管是由三个不同类型的半导体材料构成的，通常有一个N型区和两个P型区组成。
晶体管的工作原理可以分为三个主要区域：基区、发射极和集电极。
当基区的电压高于一定阈值时，电子从发射极流向基区，这个过程被称为输入过程。
随着输入电流的变化，基区的电压也会发生变化。
当基区电压达到一定数值时，电荷将从基区移动到集电极，这个过程被称为输出过程。
晶体管的工作原理可以用来放大和控制电流，广泛应用于放大器、开关和逻辑电路等方面。
此外，场效应管也是一种重要的半导体器件。
场效应管是由一个P型或N型区和一个与之相连的金属层组成。
它具有一个栅极，可以通过栅极电压控制电流的流动。
当栅极电压为0时，没有电流可以通过场效应管。
而当栅极电压高于阈值电压时，电流可以通过场效应管。
这种特性使得场效应管可以用作放大器、开关和放大电路等。
除了上述的常见半导体器件外，还有其他的一些重要器件，如光电二极管、发光二极管、太阳能电池等。
它们在能量转化和光电子领域中起着重要作用。
总结起来，半导体器件的工作原理是基于半导体材料的特性。
半导体物理与器件的基本原理解析
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
半导体器件原理与工艺(器件)1 LN
Vbi dV'
V(x)
xn x
qND
Ks0
(xn x')dx'
V(x)
Vbi
qND
2Ks0
(xn
x)2.
.0. xxn
▪ X=0处，有
2qKsN A0x2 pVbi2qKsN D0xn2
半导体器件
耗尽层宽度
电场随x线性变化，在x=0时达最大值：
m
q N A s
xp
q
ND s
xn
N Axp N D xn W xn xp
Possion方程：
d 2V dx2
q
NA
s
(xp
x 0)
d 2V dx2
q ND
s
(0 x
xn )
半导体器件
电场分布
▪ 积分一次：
dd2Vx2 ddV x(x)qN sA(xpx) , (xpx0)
dd2Vx2 ddV x(x)qN sD(xnx) , (0xxn)
-xp
(x)
xn
半导体器件
q
Ks0
ax
线性缓变结-1
(x) qa 2Ks0
x2
W2
4
令V(-W/2)=0, 进一步解出
V(x)6K qsa 02W 233W 22xx3
最大电场
m
qa
8Ks0
W2
空间电荷区宽度
1
W12qKas0
VbiVA3
半导体器件
定量方程
▪ 基本假设
➢ P型区及N型区掺杂均匀分布，是突变结。 ➢ 电中性区宽度远大于少于扩散长度。 ➢ 冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流
《半导体器件与工艺》课件
晶圆制备
切割
将大块单晶硅切割成小片，得到晶圆。
研磨
对晶圆表面进行研磨，以降低表面粗糙度。
抛光
通过化学和机械作用对晶圆表面进行抛光，使其 表面更加光滑。
薄膜沉积
物理气相沉积
通过物理方法将材料气化并沉积在晶圆表面，如真空 蒸发镀膜。
化学气相沉积
通过化学反应将材料沉积在晶圆表面，如金属有机化 学气相沉积。
有巨大的应用潜力。
制程技术进步
纳米尺度加工
随着制程技术的不断进步，半导体器件的特征尺寸不断缩小，目前已进入纳米尺度。纳米 尺度加工技术面临着诸多挑战，如表面效应、量子效应和隧穿效应等，需要不断探索新的 加工方法和材料体系。
异质集成技术
通过将不同材料、结构和工艺集成在同一芯片上，可以实现高性能、多功能和低成本的半 导体器件。异质集成技术需要解决材料之间的界面问题、应力问题和工艺兼容性问题等。
可靠性试验
对芯片进行各种环境条件下的可靠性试验，如温度循环、湿度、振动等。
失效分析
对失效的芯片进行失效分析，找出失效原因，以提高芯片的可靠性。
05 半导体工艺发展趋势与挑 战
新型材料的应用
01
硅基材料
作为传统的半导体材料，硅基材料在集成电路制造中仍占据主导地位。
随着技术的不断发展，硅基材料的纯度、结晶度和性能不断提升，为半
柔性电子技术
柔性电子技术是将电子器件制作在柔性基材上的技术，具有可弯曲、可折叠、可穿戴等优 点。柔性电子技术在智能终端、可穿戴设备、医疗健康等领域具有广泛的应用前景。
可靠性及成品率问题
可靠性问题
随着半导体器件的特征尺寸不断缩小，可靠 性问题日益突出。需要加强可靠性研究，建 立完善的可靠性评价体系，提高半导体器件 的长期稳定性。
半导体器件原理与工艺
半导体器件原理与工艺1. 引言半导体器件是当代电子工业中应用最广泛的关键元件之一。
它们以其小巧、高效、可靠等特点，被广泛应用于通信、计算、能源等领域。
本文将介绍半导体器件的基本原理和制造工艺。
2. 半导体器件的基本原理2.1 半导体材料半导体器件通常使用硅（Si）或镓砷化镓（GaAs）等半导体材料作为基底。
半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的电导性能。
2.2 禁带宽度和掺杂半导体材料有一个禁带宽度，即能量区间中不能存在电子或空穴。
通过掺杂过程，向半导体中引入少量杂质，可以改变其电导性能。
2.3 P型和N型半导体根据掺杂的杂质类型，半导体可以分为P型和N型。
P型半导体中，杂质原子会提供空穴，使半导体带正电荷；N型半导体中，杂质原子会提供额外的电子，使半导体带负电荷。
2.4 PN结PN结是半导体中最基本的器件之一。
它是由P型和N型半导体材料的结合而成，形成一个具有电势差的结。
PN结具有正向电流和反向电流的特性，广泛应用于二极管、三极管等器件中。
3. 半导体器件的制造工艺3.1 晶体生长半导体器件的制造从晶体生长开始。
晶体生长是指将半导体材料从气态或溶液态转化为晶体态的过程。
通过控制生长条件和杂质掺杂，可以得到具有所需电学性能的晶体。
3.2 制造流程半导体器件的制造流程包括多个步骤，如晶圆制备、光刻、蒸发、扩散、化学气相沉积等。
这些步骤通过精密的工艺控制，将半导体材料转化为具有特定功能的器件。
3.3 掩膜技术在制造过程中，掩膜技术被广泛应用。
掩膜技术包括光刻、硅酸膜和金属膜等。
通过在半导体表面形成不同的掩膜层，可以限制不同的区域进行不同的工艺步骤，实现复杂的器件结构。
3.4 清洗和测试制造完成后，半导体器件需要进行清洗和测试。
清洗过程可以去除表面的污染物，保证器件的性能和可靠性。
测试过程可以验证器件的电学性能是否符合要求。
4. 结论半导体器件原理和工艺是现代电子工业的核心内容之一。
通过了解半导体材料的特性、PN结的作用以及制造过程中的各个步骤，我们可以更好地理解和应用半导体器件。
半导体器件分析课件
微波与毫米波器件
随着无线通信技术的发展，对微波与毫米波器件的需求增加。研究新型微波与毫米波器件 结构、材料和制程技术，提高器件的频率范围、功率容量、效率等性能。
根据能带理论，半导体材料具有特殊的能带结构，其价带和导带之间的间隙称为能 隙，电子需要吸收或释放能量才能从价带跃迁到导带。
能带理论是理解半导体器件工作原理的基础，它解释了为什么半导体材料具有导电 性，以及为什么半导体器件能够在外加电场的作用下控制电流的流动。
半导体器件的输运特性
半导体器件的输运特性是指电子 在半导体材料中的运动规律，包 括电子的扩散、漂移、散射等过
流几乎为零。
实际半导体器件的电流-电压特性会受到温度、材料、工艺等因素的影响， 表现出不同的特性。
半导体器件的频率特性
频率特性是指半导体器件在工作频率下 的性能表现。
频率特性主要受到载流子寿命、迁移率、 了解频率特性对于设计高频或微波频段
结电容等因素的影响。在高频下，半导
的半导体器件具有重要的意义。
体器件的性能会受到散射和寄生效应的
限制，表现出不同的频率响应。
03
CATALOGUE
半导体器件的制造工艺
半导体材料的选择与制备
半导体材料种类
半导体材料制备方法
硅、锗、硒、磷等元素及化合物半导 体材料，具有导电性能可控的特性。
采用物理或化学气相沉积、外延生长 等方法制备单晶或多晶半导体材料。
半导体材料纯度要求
可靠性强化
选择适合特定应用的半 导体材料和介质材料，
以改善器件性能。
半导体器件物理与工艺基础版教学设计
半导体器件物理与工艺基础版教学设计1. 课程概述本课程旨在介绍半导体器件的物理和工艺基础知识，包括半导体材料、 PN 结、场效应晶体管、双极晶体管等常见器件的原理、特性和制作工艺。
同时，通过实验教学，让学生掌握半导体器件的测试方法、参数提取和分析技能。
本课程面向大学物理、电子、通信等相关专业的本科生，也适用于参加工程实践或校外比赛的学生。
2. 教学目标•理解半导体物理学的基本概念，包括禁带宽度、载流子浓度、掺杂浓度等；•掌握 PN 结的原理、特性以及二极管的基本参数和测试方法；•了解场效应晶体管、双极晶体管等晶体管的结构、工作原理和特性，并能分析其直流和交流特性；•熟悉半导体器件制造工艺流程，掌握光刻、腐蚀、离子注入等常用制造工艺；•能够实现半导体器件的基本测试和参数提取，包括测量二极管的 I-V 特性、测量场效应晶体管的门电压-漏电流特性等。
3. 教学内容3.1 半导体物理基础•三种基本原子构型及其化学键•晶体结构和缺陷•能带理论和半导体掺杂•PN 结的形成和特性3.2 PN 结和二极管•PN 结的 IV 特性与等效电路•二极管的整流特性和温度特性•稳压二极管和 Zener 二极管•光电二极管和光伏二极管3.3 晶体管基础•晶体管结构和工作原理•MOSFET 和 JFET 两种类型的场效应管•双极晶体管和集成放大器3.4 半导体器件制造工艺•半导体器件制造流程•光刻、腐蚀、离子注入等工艺的基本原理•制造器件的误差来源和控制方法3.5 半导体器件测试•二极管的 I-V 特性测试•场效应晶体管的门电压-漏电流特性测试•参数提取和曲线拟合4. 教学方法•讲授理论知识，注重讲解半导体器件的物理概念和特性，以及常见器件的原理和制造工艺；•安排实验，让学生亲手操作器件，测量其电学参数，并进行曲线拟合和参数提取；•进行案例分析和讨论，让学生了解实际工程应用中器件的选型、测试和控制策略。
5. 实验内容•二极管的 IV 特性测量及等效电路的实现•场效应晶体管的门电压-漏电流特性测量及参数提取•半导体制造工艺的仿真实验和流程演示6. 实验要求•学生需要具备一定的基本电路知识和实验技能，能够操作多用表等基础仪器设备；•学生需要了解实验器材的基础原理和使用方法，具备一定的安全意识和操作规范。
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2.3 g/cm3
➢ 热导率 1.57 Wcm-1°C-1
➢ 热膨胀系数 2.33x10-6 °C-1
➢ 电阻率(P) n-型 1 - 50 Ω.cm ➢ 电阻率(Sb) n-型0.005 -
10Ω.cm ➢ 电阻率(B) p-Si 0.005 -50
Ω.cm ➢ 少子寿命 30 -300 μs ➢ 氧 5 -25 ppm ➢ 碳 1 - 5 ppm ➢ 缺陷 <500 cm-2 ➢ 直径 Up to 200 mm ➢ 重金属杂质 < 1 ppb
▪ 氧化过程中加入少量的HCl 或TCE(三氯乙烯)
➢ 减少金属沾污 ➢ 改进Si/SiO2界面性能
Cl对氧化速率的影响
初始阶段的氧化
limdtox B
t0 dt A
Deal-Grove模型严重低估了薄氧化层厚度 多种模型解释薄氧化特性
•表面电场 •薄氧层微孔 •应力 •氧在氧化层中的溶解度增加
▪ 概述
▪ 半导体衬底
▪ 热氧化 ▪ 扩散 ▪ 离子注入 ▪ 光刻 ▪ 刻蚀
▪ 薄膜淀积 ▪ CMOS
半导体衬底
▪ 硅是目前半导体中用的最 多的一种衬底材料
▪ 每年生产约1.5亿片，总面 积约3~4km2
▪ 硅的性能
➢ 屈服强度 7x109 N/m2
➢ 弹性模量 1.9x1011 N/m2
➢ 密度
硅微机械加工技术
黄庆安, 科学出版社
半导体加工工艺
▪ 概述 ▪ 半导体衬底 ▪ 热氧化 ▪ 扩散 ▪ 离子注入 ▪ 光刻 ▪ 刻蚀
▪ 薄膜淀积：物理和化 学
▪ CMOS
半导体加工工艺概述
▪ 上世纪40年代发明的 晶体管及随后发明的 集成电路，完全改变 了人类生活。
微电子的发展
半导体加工概述
▪ Moore定律
(100mm) 掺杂P、B、Sb、As
300mm硅片和Pizza比较
芯片加工厂一角
•芯片直径增大, 均匀性问题越来越突出
区熔法晶体生长
▪ 主要用于制备高纯度硅或无氧硅 ▪ 生长方法
➢ 多晶硅锭放置在一个单晶籽晶上，多晶硅锭由一个外 部的射频线圈加热，使得硅锭局部熔化，随着线圈和 熔融区的上移，单晶籽晶上就会往上生长单晶。
热氧化原理
▪ 反应方程：
➢ Si(固体)+O2(气体)SiO2
Deal-Grove 模型
Deal-Grove 模型
J1
D02
Cg Cs tsl
Cg
n v
pg kT
tsl :Boundary layer thickness k: Boltzmann constant Pg : Partial pressure of O2
➢ “Component counts per unit area doubles every two years”
Feature size reduction enables the increase of complexity.
半导体加工概述
半导体加工概述
半导体加工概述
半导体加工概述
半导体加工工艺原理
hg: mass transfer caefficient
tox : oxide thickness
J1Jga shg(C gC s)
留在大气层中的气流
第二个流量:
J2
Do2
CO Ci tox
第三个流量: J3 = ksCi
J1= J2 = J3
Deal-Grove 模型
▪ 利用Henry定律 Co=H Ps
半导体器件原理与工艺
MEMS教育部重点实验室 Tel:025-83792632 ext.8809 Email:mqin@
教材与参考书
▪ 教材
微电子制造科学原理与工程技术(第二版)
Stephen A. Campbell, 电子工业出版社
▪ 参考书
微加工导论
Sami Franssila,电子工业出版社
g
N1
t o 2 At o B
Linear and Parabolic Rate Coefficients
•氧化层足够薄时:
tox
B t
A
(B/A : linear rate coeff )
•氧化层足够厚时:
to2xBt
(B=parabolic rate coeff )
热氧化
热氧化
含Cl氧化
Henry常数
=H (kT Cs)
Deal-Grove 模型
Ci
1
HPg ks kstox
hD
界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数, 得到生长速率:
R J dotx
Hskpg
N1 dt N11khs kD stox
初始氧化层厚度为t0
to 2xAotxB(t)
A
2D
1 ks
1 hg
2 DHP B
▪ 电阻率高 ▪ 无杂质沾污 ▪ 机械强度小，尺寸小
大直径硅片的优点
晶体结构
基本术语
晶面
硅切片工艺
半导体加工工艺原理
▪ 概述 ▪ 半导体衬底
▪ 热氧化
▪ 扩散 ▪ 离子注入 ▪ 光刻 ▪ 刻蚀
▪ 薄膜淀积 ▪ CMOS
热氧化
▪ SiO2的基本特性
➢ 热SiO2是无定形的
密度 = 2.2 gm/cm3 分子密度 = 2.3E22 molecules / cm3 晶体 SiO2[Quartz] = 2.65 gm/cm3
➢ 良好的电绝缘材料
Resistivity> 1E20 ohm-cm 带隙 Energy Gap ~ 9 eV
➢ 高击穿电场
> 10MV/cm
热氧化
▪ SiO2的基本特性
➢ 稳定和可重复的Si/SiO2界面 ➢ 硅表面的生长基本是保形的
热氧化
▪ SiO2的基本特性
➢ 杂质阻挡特性好 ➢ 硅和SiO2的腐蚀选择特性好
氧化中消耗硅的厚度
硅表面形貌对Xi的影响
热氧化的影响因素
▪ 温度 ▪ 气氛（干氧、水汽、HCl） ▪ 压力 ▪ 晶向 ▪ 掺杂
高压氧化
▪ 对给定的氧化速率，压力增加，温度可降低 ▪ 温度不变的情况下，氧化时间可缩短
高掺杂效应
▪ 900oC下干氧速率是掺杂浓度的函数
硅的晶体生长
▪ 硅的纯化
➢ SiO2+2CSi(冶金级）+2CO ➢ Si+3HClSiHCl3+H2 ➢ 2SiHCl3(蒸馏后
的)+2H22Si(电子级)6HCl
直拉法单晶生长
多晶硅放在坩埚中，加热 到1420oC将硅熔化，将已 知晶向的籽晶插入熔化硅 中然后拔出。 •硅锭旋转速度 20r/min •坩埚旋转速度 10r/min •提升速度：1.4mm/min