最新第十一章-半导体材料制备
半导体制备工艺
半导体制备工艺
半导体是一种特殊的材料，是将电路中所需的晶体管和二极管等元件制作在半导体晶片上。
这一类材料可以是金属，如金、银、铜、铝等，也可以是非金属，如硅、锗等。
半导体可以制造成各种不同形状的芯片，用于电子计算机、电视、电话和移动电话等装置上。
半导体的制备工艺，是把一个半导体晶片制造成所需形状的技术。
晶片是由硅和锗两种材料制成的。
硅是一种透明的晶体，其在自然界中存在的比例不到千分之一，它和锗一样是一种单质，但其在晶体结构上与锗不同，因此有很高的化学纯度。
目前一般把硅称为半导体，锗则称为非半导体。
由于硅和锗都具有一种特殊的导电性质，因此它们也被统称为半导体。
制作一块硅晶片所需的原料有：单晶硅、二氧化硅、金属镍或铜等。
在晶片加工中主要使用氧化铝蚀刻液和氧化硅蚀刻液，氧化铝蚀刻液有烧碱和氢氟酸两种。
在硅晶上刻蚀所需的氧化铝蚀刻液主要是烧碱，它可以用工业烧碱或一般工业用氢氧化钠来代替。
—— 1 —1 —。
芯片半导体制造工艺-第十一章 掺杂
理想的
横向扩散
浓度随深度变化的曲线
杂质 浓度 浓度 （原 子数 量） 浓度 （原 子数 量）
O
晶圆 纵深 方向
( a)
14 12 10
8 6 4 2
01 2 34 5 6
深度 （层 数）
( b)
14
12
10
8
6
结位 置
4
2
01 23 4 5 6 深度 （层 数） ( c)
扩散工艺
完成扩散过程所需的步骤：
半导体制造常用杂质
受主杂质
IIIA (P-Type)
元素
原子序 数
半导体
IVA
元素
原子序数
施主杂质
VA (N-Type)
元素
原子序数
Boron (B)
5
Carbon(C)
6
Nitrogen(N)
7
Aluminum(Al)
13 Silicon (Si)
14
Phosphorus (P)
15
Gallium(Ga)
N. 多晶硅
O. SiO2 掺杂
Table 17.2
B B P B P P B B As As BF2 BF2 Si
P or B
P or B
Diffusion Diffusion Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant Ion Implant or Diffusion Ion Implant or Diffusion
半导体材料制备 ppt课件
最佳生长温度
生长速度
1150
小
1100
中
1050
大
1000
中
空气中反应
高温热分解
冒烟
小
冒烟
小
着火
中
着火
大
硅外延生长步骤
（1）硅片清洗 （2）装硅片 （3）通氢排气 （4）升温 （5）高温处理 （6）气相抛光 （7）通氢排气 （8）外延生长 （9）通氢排气 （10）降温 （11）开炉取片
（1）硅片清洗
10.5 半导体外延生长技术
外延生长技术对于半导体器件具有重要意义 在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延层则保持 了与衬底相同的晶体结构和晶向 如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延 如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延
外延生长的优点
外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而 不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶 生长需要进行杂质掺杂。 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的 外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件 的制备尤为重要。 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备， 如GaN
（4）升温
升到反应所需要的温度
注意升温速率
（5）高温处理
温度升到12000C时，保温10分钟，进行高温 处理
目的是对衬底进一步清洁： 1. 除去吸附在衬底表面的杂质； 2. 除去表面的薄层SiO2，生成的SiO易挥发
SiO2 Si 2SiO
（6）气相抛光
气相抛光的目的是对衬底表面进行腐蚀， 以除去衬底表面1um的薄层，使硅表面以纯 净的硅原子，晶格较完整的状态进行外延 生长
半导体物理与器件第十一章1
VDS
VDS
L
ID
漏源电压VDS对漏电流ID有调制作用
求 L 与 VDS 的关系：
对漏和衬底形成的NP结，其可视为单边突变结， 施加的VDS可认为全部落在P衬底上，则漏源电压 为VDS时，漏-衬底结的空间电荷宽度为：
2 s xp (VB VDS ) qNA
当
VDS VDS (sat) VGS VT
11.1.2 沟道长度调制效应
沟道长度调制效应：当MOSFET偏置在饱和 区时，漏源电压VDS使漏端的耗尽区横向延 伸而进入沟道，沟道被夹断，从而减少了有 效沟道长度，影响到漏电流IDS的大小。
VDS (sat) VGS VT VDS VDS VDS (sat)
ID W nCox (VGS VT ) 2 2( L L)
kV D
kL
E
工作电流
kWn s o I D' (kVG VT ' ) 2 k 2 I D ktox kL
功耗
P' VD' I D' kVD k 2 I D 3k 2 P
数据来源：THE INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS
则：
VTH
1 (QG QS ) Cox
QDS
Xd
QG
QDS
Xs
eN A xdT L L' (1 ) CO 2L
由几何推导可得：
2
L L' 2 2 (rj xdT ) (rj ) xdT 2
2 xdT L ' L 2r j [ 1 1] rj
半导体芯片制作流程工艺
半导体芯片制作流程工艺半导体芯片制作可老复杂啦，我给你好好唠唠。
1. 晶圆制造(1) 硅提纯呢，这可是第一步，要把硅从沙子里提炼出来，变成那种超高纯度的硅，就像从一群普通小喽啰里挑出超级精英一样。
这硅的纯度得达到小数点后好多个9呢，只有这样才能满足芯片制造的基本要求。
要是纯度不够，就像盖房子用的砖都是软趴趴的，那房子肯定盖不起来呀。
(2) 拉晶。
把提纯后的硅弄成一个大的单晶硅锭，就像把一堆面粉揉成一个超级大的面团一样。
这个单晶硅锭可是有特殊形状的，是那种长长的圆柱体，这就是芯片的基础材料啦。
(3) 切片。
把这个大的单晶硅锭切成一片一片的，就像切面包片一样。
不过这可比切面包难多啦，每一片都得切得超级薄，而且厚度要非常均匀，这样才能保证后面制造出来的芯片质量好。
2. 光刻(1) 光刻胶涂覆。
先在晶圆表面涂上一层光刻胶，这光刻胶就像给晶圆穿上了一件特殊的衣服。
这件衣服可神奇啦，它能在后面的光刻过程中起到关键作用。
(2) 光刻。
用光刻机把设计好的电路图案投射到光刻胶上。
这光刻机可厉害啦，就像一个超级画家，但是它画的不是普通的画，而是超级精细的电路图案。
这图案的线条非常非常细，细到你都想象不到，就像头发丝的千分之一那么细呢。
(3) 显影。
把经过光刻后的晶圆进行显影，就像把照片洗出来一样。
这样就把我们想要的电路图案留在光刻胶上啦，那些不需要的光刻胶就被去掉了。
3. 蚀刻(1) 蚀刻过程就是把没有光刻胶保护的硅片部分给腐蚀掉。
这就像雕刻一样，把不要的部分去掉，留下我们想要的电路结构。
不过这个过程得非常小心，要是腐蚀多了或者少了，那芯片就报废了。
(2) 去光刻胶。
把之前用来形成图案的光刻胶去掉，这时候晶圆上就留下了我们想要的电路形状啦。
4. 掺杂(1) 离子注入。
通过离子注入的方式把一些特定的杂质原子注入到硅片中，这就像给硅片注入了特殊的能量一样。
这些杂质原子会改变硅片的电学性质，从而形成我们需要的P型或者N型半导体区域。
高中物理必修三第十一章电路及其应用经典知识题库(带答案)
高中物理必修三第十一章电路及其应用经典知识题库单选题1、如图所示的电解池接入电路后，在t秒内有n1个一价正离子通过溶液内某截面S，有n2个一价负离子通过溶液内某截面S，设e为元电荷，以下说法正确的是（）A．当n1=n2时，电流为零B．当n1 > n2时，电流方向从A→B，电流为I=(n1−n2)etC．当n1 < n2时，电流方向从B→A，电流为I=(n2−n1)etD．无论n1、n2大小如何，电流方向都从A→B，电流都为I=(n1+n2)et答案：D由题意可知，流过容器截面上的电量q= (n1＋n2)e则电流为I=(n1+n2)et方向与正电荷的定向移动方向相同，故由A到B。
故选D。
2、一个用半导体材料制成的电阻器D，其电流I随它两端的电压U的关系图像如图甲所示，将它与两个标准电阻R1、R2并联后接在电压恒为U的电源上，如图乙所示，三个用电器消耗的电功率均为P。
现将它们连接成如图丙所示的电路，仍然接在该电源的两端，设电阻器D和电阻R1、R2消耗的电功率分别为PD、P1、P2，它们之间的大小关系为（）A．P1=4P2B．P D<P2C．P1>4P2D．P D>P2答案：BBD．在图乙中，三个电阻相等。
在图丙中，电阻器D的电压减小电阻增大R D>R1=R2根据P=U 2R得P D<P2B正确，D错误；AC．根据欧姆定律I D<I2又因为I1=I2+I D所以I1<2I2根据P=I2R得P1<4P2AC错误。
故选B。
3、如图电流表A1和A2是用相同的表头改装而成，量程分别为0.6A和3A，现将它们串联后用来测量电路的电流，则（）A．两表头的指针示数相同，偏角之比1∶5B．两表头的指针示数相同，偏角之比5∶1C．两表头的指针的偏角相同，示数之比1∶5D．两表头的指针的偏角相同，示数之比5∶1答案：B由于两电流表串联在电路中，所以两表头指针的示数相同。
半导体的制备工艺流程
半导体的制备工艺流程半导体是一种电子材料，具有介于导体和绝缘体之间的电导率。
它在现代电子技术中扮演着重要的角色，被广泛应用于计算机、通信、光电子、医疗等领域。
半导体的制备工艺流程是一个复杂的过程，需要经过多个步骤才能得到高质量的半导体材料。
第一步：晶圆制备晶圆是半导体制备的基础材料，通常采用硅晶圆。
晶圆制备的过程包括多个步骤，如去除表面污染物、切割、抛光等。
其中，抛光是一个非常关键的步骤，它可以使晶圆表面变得非常平整，从而提高半导体器件的制备质量。
第二步：沉积沉积是指将半导体材料沉积在晶圆表面的过程。
常用的沉积方法有化学气相沉积、物理气相沉积、溅射等。
这些方法可以在晶圆表面形成非常薄的半导体膜，用于制备各种半导体器件。
第三步：光刻光刻是一种将图案转移到晶圆表面的技术。
它使用光刻胶将图案转移到晶圆表面，然后使用化学腐蚀或离子注入等方法将图案转移到半导体材料上。
这个过程非常关键，因为它可以制备出各种复杂的半导体器件。
第四步：清洗清洗是指将晶圆表面的残留物清除的过程。
这个过程非常重要，因为残留物会影响半导体器件的性能。
清洗通常使用化学方法或物理方法，如超声波清洗、离子束清洗等。
第五步：测试测试是指对制备好的半导体器件进行测试的过程。
测试可以检测器件的性能和可靠性，以确保它们符合规格要求。
测试通常包括电学测试、光学测试、机械测试等。
半导体的制备工艺流程是一个复杂的过程，需要经过多个步骤才能得到高质量的半导体材料。
这些步骤包括晶圆制备、沉积、光刻、清洗和测试等。
只有在每个步骤都严格控制质量的情况下，才能制备出高质量的半导体器件。
半导体物理第11章半导体的热电性质
一、塞贝克效应
半导体中塞贝克效应的温差电动势（以n型半导体为例）为：
Vs = α∆T
其温差电动势率（即塞贝克系数）为：
α = −(
Ec − E F qT
+
3 k0 2 q
)
对于 P 型半导体材料可作类似的讨论，P型半导体材料的温差电动势的方 向与n型半导体相反。根据这一点可以用温差电动势的方向来判断半导体材料 。 的导电类型。
第十一章 十一章 半导体的热电性质
Part 第十一章 1
11.1 热电效应 11.1 11.2 半导体的热导率
前言
所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程 。 所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程 热电效应，即指把热能转换为电能的过程。 半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是 说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的 转换效率。 半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方 面得到了广泛的应用。
热电效应
一、塞贝克效应
在如图所示的结构中，n 型半导体的两端与同一种金属接触， 在如图所示的结构中，n 并保持有温度差△T ，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差 并保持有温度差△ ，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差 电流，产生该电流的电动势称为温差电动势。这种由于两端存在温 电流，产生该电流的电动势称为 温差电动势。这种由于两端存在温 ，产生该电流的电动势称为温差电动势 度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应 塞贝克效应。
（r为泊松比）
若电流由金属流向半导体（P型）为吸热过程，上式取“ + ”号；若电流由 半导体（P型）流向金属为放热过程，上式取“ - ”号。 实际中，已利用珀耳贴效应的原理制造出了半导体制冷器和半导体发热器件。
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粗硅提纯到电子级多晶硅
粗硅与氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
实成烷S际iH反4、应S极iH复3C杂l、，Si除H2生Cl成2、SiSHiCCll43等外各，种还氯可化能硅生
合成温度宜低，温度过高易生成副产物
其中三氯代硅烷产量大、质量高、成本低的优 点，是当前制取多晶硅的主要方法
生长热力学 生长动力学 生长系统中传输过程
11.1 体单晶生长
结晶过程驱动力 杂质分凝 组分过冷
结晶过程驱动力
G L T Tc
杂质分凝
杂质在液相和固相中的浓度不同
K0
CS CL
组分过冷
生长过程中，杂质不断排向熔体，使熔体 中杂质浓度越来越高，过冷度愈来愈大， 离固液界面越远
分子束外延 （Molecular Beam Epitaxy） 分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的分 子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一 种技术。
汽相外延生长的优点
1. 汽相外延生长具有生长温度低和纯度高的优点 2. 汽相外延技术为器件的实际制造工艺提供了更
大的灵活性 3. 汽相外延生长的外延层和衬底层间具有非常明
3. 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备， 如GaN
外延生长的技术
汽相外延 （Vapor Phase Epitaxy） 使化学气体中半导体成分结晶在衬底表面，从而生长 出半导体层的过程称为汽相外延。
液相外延 （Liquid Phase Epitaxy） 采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延;
第十一章-半导体材料制备
生长技术
体单晶生长技术 单晶生长通常利用籽晶在熔融高温炉里拉伸得到 的体材料 ，半导体硅的单晶生长可以获得电子级 （99.999999%）的单晶硅
外延生长技术 外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。 新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸 而成，故称“外延层”。
晶体生长问题
如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质 外延
如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异 质外延
外延生长的优点
1. 外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便 地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节， 而不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单 晶生长需要进行杂质掺杂。
2. 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料 的外延生长，不同成分的外延生长，这对于器 件的制备尤为重要。
10.2.2 直拉生长技术的改进
磁控直拉法-----Si 连续生长法-----Si 液体覆盖直拉法-----GaAs，InP，GaP，
GaSb，InAs 蒸汽控制直拉法-----GaAs，InP
10.2.3 悬浮区熔法
利用悬浮区的移动进行提纯和生长 无坩埚生长技术，减少污染 杂质分凝 Si
10.2 体单晶生长方法
体单晶生长
垂直生长 水平生长
直拉法 磁控直拉法
液体复盖直拉法 蒸汽控制直拉法 悬浮区熔法 垂直梯度凝固法 垂直布里奇曼法
水平布里奇曼法
10.2.1 直拉法
温度在熔点附近 籽晶浸入熔体 一定速度提拉籽晶
最大生长速度 熔体中的对流 生长界面形状 各阶段生长条件的差异
沉是积 由氮 硅化 烷硅 和膜 氮反(Si应3N形4)就成是的一。个很好的例子，它
化学气相沉积的优点
准确控制薄膜的组分和掺杂水平 可在复杂的衬底上沉积薄膜 不需要昂贵的真空设备 高温沉积可改善结晶完整性 可在大尺寸基片上沉积薄膜
例子：硅的气相外延生长
将硅衬底在还原性气氛中加热，并输入硅源气 体，使之反应，生成硅原子沉积在衬底上，长 出具有与衬底相同晶向的硅单晶层。
10.3 片状晶生长
熔体生长技术，主要用于制备太阳能级用 片状硅
避免硅锭切割造成的损失，节约加工成本
D-Web技Biblioteka S-R技术 EFG技术切片 倒角 腐蚀 抛光 清洗
10.4 晶片切割
10.5 半导体外延生长技术
外延生长技术对于半导体器件具有重要意义
在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延 层则保持了与衬底相同的晶体结构和晶向
精馏
利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法分 离提纯
沸点 SiCl4 (57.6oC) SiHCl3 (33oC) SiH2Cl2 (8.2oC) SiH3Cl (-30.4oC) SiH4 (-112oC) HCl (-84.7oC)
硅的单晶生长
第三步：电子级多晶硅到单晶硅
最后一步：研磨，切割，抛光
显清晰的分界 因此，汽相外延技术是制备器件中半导体薄膜的
最重要的技术手段
1）真空热蒸发沉积
真空热蒸发沉积是物理气相沉积技术的一种。
所谓的物理气相沉积是指利用某种物理过程， 如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面 原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到 薄膜的可控转移的过程。
所谓的热蒸发，是指蒸发材料在真空室中被加 热到足够温度时，物质从固相变成气相的过程。
饱和蒸气压
众所都知，任何物质总在不断 地发生着固、气、液三态变化。
设在一定环境温度T下，从固 体物质表面蒸发出来的气体分 子与该气体分子从空间回到该 物质表面的过程能达到平衡， 该物质的饱和蒸气压为Ps：
饱和蒸气压和温度呈指数关系， 随着温度的升高，饱和蒸气压 迅速增加。
H
Ps Ke RT
10.2.4 垂直梯度凝固法和垂直布里奇 曼法
VGF
VB
多段加热炉 温度梯度 GaAs，InP
加热炉相对于石英管 移动
温度梯度
CdTe，HgS，CdSe， HgSe
例子：硅的单晶生长
第一步：石 英（90%）还 原 脱 氧 成 为 熔 炼 级 硅（99％）
第二步：熔 炼 级 硅（99％）到电子级多晶硅
ΔH为分子蒸发热 K为积分常数 R＝8.3l44焦耳/摩尔
2）化学气相沉积
化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为 广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围 的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。
从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以 上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他 们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料， 沉积到晶片表面上。