半导体器件与工艺.ppt
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半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
《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。
现代半导体器件物理与工艺ppt课件
聚焦电子束扫描主要分成两种形式：顺序扫描、向量扫描。
顺序扫描（左）和矢量扫描
SCALPEL
利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影 电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽 容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。
图12.15
各种图形曝光技术的比较如下
光刻机
掩模版 抗蚀剂
光源 衍射限制 曝光法 步进与扫描 200mm硅晶片的
产率（片/h） 缩小倍率 光学邻近修正 辐射路径 单层或多层 化学放大抗蚀剂
光学 248/193nm 激光 有 折射式 是 40
4x 需要 穿透 单层 是
SCALPEL
电子束 没有 折射式 是 30-35
传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的 电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。 因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。
相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。 要反相，使用一透明层，厚度满足：
d
2(n 1)
光学邻近修正（OPC）利用邻近的次解析几何图案来修正图像，因而改善成像能 力。
EUV已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA抗蚀剂上制作出50 nm的图案。
挑战：所以的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真 空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而且必须覆盖多层的覆盖层 才可以参数1/4波长的布喇格反射分布。掩模版空片必须覆盖多层膜，以 便在波长为10-14nm得到最大的反射率。
WCE在半导体工艺中广泛使用，从半导体晶片被切割开始，WCE就用在 研磨与抛光上，以获得平整与无损伤的表面。热氧化与外延前，化学清 洗去除污染。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与III-V族化合物 等作整片的腐蚀。
顺序扫描（左）和矢量扫描
SCALPEL
利用电子束投影的图形曝光技术，SCALPEL系统（散射角度限制的投影 电子束图形曝光），此技术集电子束图形曝光特有的高分辨率和工艺宽 容度（聚焦深度20-30um，传统为1um）以及高产率。
图12.15
各种图形曝光技术的比较如下
光刻机
掩模版 抗蚀剂
光源 衍射限制 曝光法 步进与扫描 200mm硅晶片的
产率（片/h） 缩小倍率 光学邻近修正 辐射路径 单层或多层 化学放大抗蚀剂
光学 248/193nm 激光 有 折射式 是 40
4x 需要 穿透 单层 是
SCALPEL
电子束 没有 折射式 是 30-35
传统掩模版的透光区的电场是相同的，由于衍射与分辨率使得晶片上的 电场分散开来。相邻缝隙的衍射使得光被干涉而增强缝隙间的电场强度。 因此两个投影的像若太接近，就不容易分辨出来。
相移掩模版（PSM）是将相移层覆盖于相邻的缝隙上，使得电场反相。 要反相，使用一透明层，厚度满足：
d
2(n 1)
光学邻近修正（OPC）利用邻近的次解析几何图案来修正图像，因而改善成像能 力。
EUV已经证实可利用波长为13nm的光源，在PMMA抗蚀剂上制作出50 nm的图案。
挑战：所以的材料对EUV光都有强的吸收能力，所以曝光过程必须在真 空下进行。照相机必须使用反射透镜器件，而且必须覆盖多层的覆盖层 才可以参数1/4波长的布喇格反射分布。掩模版空片必须覆盖多层膜，以 便在波长为10-14nm得到最大的反射率。
WCE在半导体工艺中广泛使用，从半导体晶片被切割开始，WCE就用在 研磨与抛光上，以获得平整与无损伤的表面。热氧化与外延前，化学清 洗去除污染。尤其适合将多晶硅、氧化物、氮化物、金属与III-V族化合物 等作整片的腐蚀。
半导体工艺技术优质课件
7 ➢第六次光刻：接触孔刻蚀；
8
➢金属Al淀积； ➢第七次光刻：生成金属化图形；
课程设计作业一
课程设计作业一
形成N阱
初始氧化 淀积氮化硅层 光刻1版，定义出N阱 反应离子刻蚀氮化硅层 N阱离子注入，注磷
形成P阱
去掉光刻胶
在N阱区生长厚氧化层，其他区域被氮化硅层保护 而不会被氧化
优点是选择性好、反复性好、生产效率高、 设备简朴、成本低
缺陷是钻蚀严重、对图形旳控制性较差
干法刻蚀
溅射与离子束铣蚀：经过高能惰性气体离子旳物理轰
击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差
等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生旳游
离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选 择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差
➢热氧化生成场氧； ➢氮化硅刻蚀； ➢缓冲层刻蚀； ➢清洗表面； ➢阈值电压调整旳离子注入； ➢栅氧生长；
4
➢CVD淀积N+多晶硅栅； ➢第三次光刻：形成多晶硅图形，定义栅极；
5
➢第四次光刻：打开N+区旳离子注入窗口； ➢磷注入；
5
➢光刻胶掩蔽条； ➢第五次光刻：P+区离子注入；
6
➢光刻胶掩蔽条； ➢CVD淀积SiO2； ➢离子注入退火；
掺杂旳均匀性好 温度低：不大于600℃ 能够精确控制杂质分布 能够注入多种各样旳元素 横向扩展比扩散要小得多。 能够对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统旳原理示意图
离子注入到无定形靶中旳高斯分布情况
退火
退火：也叫热处理，集成电路工艺中全部旳 在氮气等不活泼气氛中进行旳热处理过程都 能够称为退火
形成N管源漏区
光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来 离子注入磷或砷，形成N管源漏区
半导体器件与工艺
V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性， 结合强度增大
电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
半导体器件与工艺
12
Ru Huang, ime, PKU
❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
20
Ru Huang, ime, PKU
❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
大量载流子微观运动表现出来
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
• 从能带及温度特性来半区导体分器件与工艺
6
Ru Huang, ime, PKU
❖ 主要的半导体材料
元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe
➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs
➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
半导体器件与工艺
15
Ru Huang, ime, PKU
❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
半导体器件与工艺
16
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
半导体器件与工艺
10
电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
半导体器件与工艺
12
Ru Huang, ime, PKU
❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
20
Ru Huang, ime, PKU
❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
大量载流子微观运动表现出来
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
• 从能带及温度特性来半区导体分器件与工艺
6
Ru Huang, ime, PKU
❖ 主要的半导体材料
元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe
➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs
➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
半导体器件与工艺
15
Ru Huang, ime, PKU
❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
半导体器件与工艺
16
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
半导体器件与工艺
10
《半导体工艺概述》PPT课件
接触式 湿化学
扩散 离子注入
掺杂
开放式炉管—水平/竖置 封闭炉管
快速热处理 中/高电流离子注入
低能量/高能量离子注入
热处理
制程方法 加热
热辐射
具体分类 加热盘 热对流 快速加热
红处线加热
芯片制造的特点
超洁超净 半导体芯片尤其是高密度的集成电路，极易受到多种污染物的损害，主要体
现在器件成品率，器件性能，器件可靠性。 污染物：微粒、金属离子、化学物质、细菌
2、硼离子注入，形成 PMOS 源 、 漏 区 。 硼 离 子 注 入 剂 量 5*1015cm-2 ，能量100keV.
3、离子注入退火和推 进：在N2下退火，并将 源、漏区推进，形成 0.3~0.5微米深的源、 漏区。
化学气相淀积 磷硅玻璃介质 层
刻金属化的接触孔
磷硅玻璃回流，使 接触孔边缘台阶坡 度平滑，以利于金 属化。否则在台阶 边缘上金属化铝条 容易发生断裂。在 N2气氛下，1150℃ 回流30分钟。
利用氮化硅掩蔽氧 化的功能，在没有 氮化硅、并经硼离 子注入的区域，生 长一层场氧化层， 厚度400nm
去除N阱中非PMOS有 源区部分的氧化硅 和氮化硅，这部分 将是场区的一部分 。
对N阱中场区部分磷 离子注入，防止寄 生沟道影响。
一般采用湿氧 氧化或高压氧 化方法生长一 层1微米厚的 SiO2
首 先 生 长 缓 冲 SiO2 薄层，厚度600nm， 目的是减少淀积的 氮化硅与硅衬底之 间的应力。
其次低压CVD氮化硅 ，用于掩蔽氧化， 厚度100nm
确定NMOS有源区：利 用第二块掩膜版，经 曝光、等离子刻蚀， 保留NMOS有源区和N 阱区的氮化硅，去掉 场区氮化硅，NMOS场 区硼注入，剂量 1*1013cm-2，能量 120keV，防止场区下 硅表面反型，产生寄 生沟道。
半导体制造工艺流程课件PPT(共 105张)
三、IC构装制程
• IC構裝製程（Packaging）：利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路
• 目的：是為了製造出所生產的電路的保 護層，避免電路受到機械性刮傷或是高 溫破壞。
半导体制造工艺分类
MOS型
双极型
PMOS型 NMOS型 CMOS型 饱和型
非饱和型
BiMOS TTL I2L ECL/CML
SiO2
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
第三次光刻—P型基区扩散孔
决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2
外延层淀积
1。VPE（Vaporous phase epitaxy) 气相外延生长硅 SiCl4+H2→Si+HCl 2。氧化
Tepi>Xjc+Xmc+TBL-up+tepi-ox SiO2
N-epi
N+-BL
N+-BL
P-SUB
第二次光刻—P+隔离扩散孔
• 在衬底上形成孤立的外延层岛,实现元件的隔离.
半导体制造工艺流程
半导体相关知识
• 本征材料：纯硅 9-10个9
250000Ω.cm
• N型硅： 掺入V族元素--磷P、砷As、锑 Sb
• P型硅： 掺入 III族元素—镓Ga、硼B
• PN结：
P
-
-
++ + ++
N
半导体元件制造过程可分为
• 前段（Front End）制程 晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）、 晶圆针测制程（Wafer Probe）；
半导体工艺技术PPT课件
半导体工艺技术
精选ppt课件最新
1
目录
第一章：半导体产业介绍 第二章：器件的制造步骤 第三章：晶圆制备 第四章：芯片制造 第五章：污染控制 第六章：工艺良品率
精选ppt课件最新
2
第一章 半导体产业介绍
概述
微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金 管）问世，50年代中期出现了硅平面工艺，此工 艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将 多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路 成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微 电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。
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11
第二章 器件的制造步骤
半导体器件制造分4个不同阶段： 1.材料准备 2.晶体生长与晶圆准备 3.芯片制造 4.封装
材料 准备
晶体生 长与晶 圆准备
晶圆 制造
精选ppt课件最新
封装
12
第一步 材料准备
第二步晶体生长与晶圆准备
精选ppt课件最新
13
第三步 芯片制造
制造
电性测试 （芯片分捡）
尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。
芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，将此定义 为制造复杂性水平的标准。
通常用微米来表示。一微米为1/10000厘米。
Gordon Moore在1964年预言IC的密度每隔18～24 个月将翻一番，------摩尔定律。
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8
一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量， 因制程技术的提升，每18个月到两年晶体管数量会 加倍，IC性能也提升1倍。现以1961年至2006年 期间半导体技术的发展为例加以说明，IC电路线宽由 25微米减至65纳米，晶圆直径由1英寸增为12英寸， 每一芯片上由6个晶体管增为80亿个晶体管， DRAM密度增加为4G位，晶体管年销售量由1000 万个增加到10的18次方至19次方个，但晶体管平均 售价却大幅下降10的9次方倍。
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第一章：半导体产业介绍 第二章：器件的制造步骤 第三章：晶圆制备 第四章：芯片制造 第五章：污染控制 第六章：工艺良品率
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第一章 半导体产业介绍
概述
微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金 管）问世，50年代中期出现了硅平面工艺，此工 艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将 多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路 成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微 电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。
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11
第二章 器件的制造步骤
半导体器件制造分4个不同阶段： 1.材料准备 2.晶体生长与晶圆准备 3.芯片制造 4.封装
材料 准备
晶体生 长与晶 圆准备
晶圆 制造
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封装
12
第一步 材料准备
第二步晶体生长与晶圆准备
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13
第三步 芯片制造
制造
电性测试 （芯片分捡）
尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。
芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，将此定义 为制造复杂性水平的标准。
通常用微米来表示。一微米为1/10000厘米。
Gordon Moore在1964年预言IC的密度每隔18～24 个月将翻一番，------摩尔定律。
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8
一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量， 因制程技术的提升，每18个月到两年晶体管数量会 加倍，IC性能也提升1倍。现以1961年至2006年 期间半导体技术的发展为例加以说明，IC电路线宽由 25微米减至65纳米，晶圆直径由1英寸增为12英寸， 每一芯片上由6个晶体管增为80亿个晶体管， DRAM密度增加为4G位，晶体管年销售量由1000 万个增加到10的18次方至19次方个，但晶体管平均 售价却大幅下降10的9次方倍。
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大量载流子微观运动表现出来
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
量子跃迁
21
Ru Huang, ime, PKU
❖ 量子态
半导体中的量子态
➢ 共价键电子 ➢ 摆脱共价键后自由运动的电子 ➢ 掺杂原子可以将电子束缚在周围运动
大量电子在各类量子态中的分布情况：电子 的统计分布
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1
绝缘体: 小于10-10(cm)-1
• 金属、半导体和绝缘体之间的界限不绝对
半导体中的杂质含量很高：金属性
纯净半导体在低温下的电阻率很低：绝缘性
• 从能带及温度特性来区分
6
Ru Huang, ime, PKU
❖ 主要的半导体材料
❖ III-V族化合物半导体
共价键结合 每个III族原子周围有4个V族原子，V族原子周围有4个
III族原子 V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性，
结合强度增大 电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
12
Ru Huang, ime, PKU
❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
15
Ru Huang, ime, PKU
❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
16
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件与工艺
2004年8月
1
Ru Huang, ime, PKU
❖ 半导体器件
IC的基础 数字集成电路建库等 模拟集成电路、射频集成电路设计 侧重工作原理、特性分析、模型
2
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容
❖预备知识：半导体物理
❖半导体器件主要组成模块：
PN结—— BJT
22
Ru Huang, ime, PKU
❖ 原子中电子的量子态和能级
硅原子的14个电子在三层轨道上运动
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
17
Ru Huang, ime, PKU
❖ 导电能力的表征
电导率、电阻率 迁移率
❖均匀导电材料：电阻或电导来表示导电
能力，电场不很强，欧姆定律 ❖ 杂质：半导体的导电
电流不均匀 微分欧姆定律：j＝E＝E/
金属－半导体接触
MIS结构 —— MOSFET
异质结
超晶格、量子阱等
❖ BJT器件
❖MOSFET基础：原理、特性、模型
长沟MOSFET
短沟MOSFET
3
Ru Huang, ime, PKU
半导体器件方面的课程内容(续)
❖器件发展趋势
scaling down：roadmap bottom up
电导率与杂质浓度的关系
18
Ru Huang, ime, PKU
定量分析
❖ 常温下电子无规则运动：不会形成电流 ❖ 漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子
沿电场方向的运动，产生一定定向速度 ❖ j=nqv，v是平均速度
单位时间通过单位面积的电荷量
❖ j＝E＝E/
❖ v＝uE：u为载流子的迁移率
❖ ＝nqu
Ru Huang, ime, PKU
原子结合形式：共价
键
9
半导体的结合和晶体结构 金刚石结构
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
10
Ru Huang, ime, PKU
半导体中的载流子： 电子和空穴
电子：Electron，价电子脱离共价键束缚 后，成为 自由运动的电子，带负电的导电载流子
7
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种பைடு நூலகம்和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
8
Ru Huang, ime, PKU
1. 半导体的结构
大部分半导体材料：共价键晶体
以硅为例，最外层4个电子：价电子：决 定硅的物理化学性质
每两个相邻原子之间有一对 电子，与两个原子核有吸引 作用：共价键
引入迁移率的概念
与n有关
与u有关
➢迁移率：导电能力， 载流子运动速度
19
Ru Huang, ime, PKU
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
20
Ru Huang, ime, PKU
❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
❖non-classical MOSFETs
衬底：SOI CMOS器件 栅， S/D， 沟道 新工作机制
4
Ru Huang, ime, PKU
半导体及其 基本特性
5
Ru Huang, ime, PKU
什么是半导体? 气体、液体、固体、等离子体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分
元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe ➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs ➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research Si: 1962－ III-V族：1970－ 宽禁带半导体： SiC, GaN，1990－ 有机半导体、纳米半导体..….？
空穴：Hole，价电子脱离原子束缚 后形成的电子 缺位，可以自由移动，正电的导电载流子
载流子：能够导电的自由粒子
11
Ru Huang, ime, PKU
❖ 电子摆脱共价键的能量 不同的半导体，电子摆脱束缚需要的能量不同
➢ 硅：1.12eV ➢ 锗：原子序数32，对价电子的束缚较弱，0. 78eV ➢ 化合物半导体
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
➢ 杂质
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半导体的掺杂
B
As
受主掺杂 III族：B等
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施主掺杂 V族：P,As,Sb等
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施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。 硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电 N型半导体
❖ 电子的运动方式
稳恒运动，具有完全确定的能量：量子态 相应的能量：能级
量子跃迁
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❖ 量子态
半导体中的量子态
➢ 共价键电子 ➢ 摆脱共价键后自由运动的电子 ➢ 掺杂原子可以将电子束缚在周围运动
大量电子在各类量子态中的分布情况：电子 的统计分布
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1
绝缘体: 小于10-10(cm)-1
• 金属、半导体和绝缘体之间的界限不绝对
半导体中的杂质含量很高：金属性
纯净半导体在低温下的电阻率很低：绝缘性
• 从能带及温度特性来区分
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❖ 主要的半导体材料
❖ III-V族化合物半导体
共价键结合 每个III族原子周围有4个V族原子，V族原子周围有4个
III族原子 V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性，
结合强度增大 电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV
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❖电子摆脱共价键的能量
晶体内原子的热运动
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。 硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电 P型半导体
施主和受主浓度：ND、NA
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❖ 杂质补偿：
同时有施主、受主
ND－NA ：供导电
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半导体器件与工艺
2004年8月
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❖ 半导体器件
IC的基础 数字集成电路建库等 模拟集成电路、射频集成电路设计 侧重工作原理、特性分析、模型
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半导体器件方面的课程内容
❖预备知识：半导体物理
❖半导体器件主要组成模块：
PN结—— BJT
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❖ 原子中电子的量子态和能级
硅原子的14个电子在三层轨道上运动
❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
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❖ 导电能力的表征
电导率、电阻率 迁移率
❖均匀导电材料：电阻或电导来表示导电
能力，电场不很强，欧姆定律 ❖ 杂质：半导体的导电
电流不均匀 微分欧姆定律：j＝E＝E/
金属－半导体接触
MIS结构 —— MOSFET
异质结
超晶格、量子阱等
❖ BJT器件
❖MOSFET基础：原理、特性、模型
长沟MOSFET
短沟MOSFET
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半导体器件方面的课程内容(续)
❖器件发展趋势
scaling down：roadmap bottom up
电导率与杂质浓度的关系
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定量分析
❖ 常温下电子无规则运动：不会形成电流 ❖ 漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子
沿电场方向的运动，产生一定定向速度 ❖ j=nqv，v是平均速度
单位时间通过单位面积的电荷量
❖ j＝E＝E/
❖ v＝uE：u为载流子的迁移率
❖ ＝nqu
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原子结合形式：共价
键
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半导体的结合和晶体结构 金刚石结构
立体结构 形成的晶体结构： 具 有 金刚石晶体结构 两个面心立方套在一 起，沿体对角线平移 1/4
原子规则排列成晶格
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半导体中的载流子： 电子和空穴
电子：Electron，价电子脱离共价键束缚 后，成为 自由运动的电子，带负电的导电载流子
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❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种பைடு நூலகம்和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
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1. 半导体的结构
大部分半导体材料：共价键晶体
以硅为例，最外层4个电子：价电子：决 定硅的物理化学性质
每两个相邻原子之间有一对 电子，与两个原子核有吸引 作用：共价键
引入迁移率的概念
与n有关
与u有关
➢迁移率：导电能力， 载流子运动速度
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❖ 基本导电性 ❖ 影响导电性的因素
掺杂：杂质的种类和数量 光照等
❖ 导电能力的表征 ❖ 半导体中的载流子
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❖ 以电子为例 ❖ 载流子的统计规律
❖non-classical MOSFETs
衬底：SOI CMOS器件 栅， S/D， 沟道 新工作机制
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半导体及其 基本特性
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什么是半导体? 气体、液体、固体、等离子体
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分
元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体
➢ IV族：SiC, SiGe ➢III-V族：GaAs、InP、GaP, InAs ➢ II-V族: ZnS, ZnSe, CdS
❖ 发展
Ge: 1947-1958, now some research Si: 1962－ III-V族：1970－ 宽禁带半导体： SiC, GaN，1990－ 有机半导体、纳米半导体..….？
空穴：Hole，价电子脱离原子束缚 后形成的电子 缺位，可以自由移动，正电的导电载流子
载流子：能够导电的自由粒子
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❖ 电子摆脱共价键的能量 不同的半导体，电子摆脱束缚需要的能量不同
➢ 硅：1.12eV ➢ 锗：原子序数32，对价电子的束缚较弱，0. 78eV ➢ 化合物半导体
➢ 常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少， 对硅的导电性影响很小
光照
❖ 常温下硅的导电性
➢ 杂质
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半导体的掺杂
B
As
受主掺杂 III族：B等
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施主掺杂 V族：P,As,Sb等
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施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。 硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电 N型半导体