第一章半导体器件与工艺技术的发展2
半导体工艺第一章
1-1什么是集成电路？解：集成电路是通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互联关系，“集成”在一块半导体单晶片上，冰封装在一个保护外壳内，能执行特定功能的复杂电子系统。
1-2集成电路制造的主要工艺有哪些？解：重复清洗、氧化、化学气相淀积、金属化、光刻、刻蚀、掺杂和平坦化。
1-3画出集成电路中电阻、电容、二极管、晶体管、场效应晶体管和CMOS反相器的结构图。
1-4半导体工艺经历了哪几种工艺发展过程？现在采用的是哪种工艺技术？解：（1）1952年肖克莱发明了生产型晶体管，其特点是在晶体管生长过程中形成NPN型晶体管。
（2）同年萨拜提出了合金结型晶体管，其原理是将铟球放置在锗片的两边，在高温下溶解锗而形成两个PN结。
（3）1954年贝尔实验室提出了采用气相扩散方法形成台面型结型晶体管。
（4）1960年，硅平面结型晶体管的发明；（5）1954年库尔特提出了用PN结来隔离集成电路中的各个晶体管和其他元件。
（6）1959年仙童公司的罗伯特提出了用平面工艺来制作硅集成电路。
现在采用的是硅平面工艺技术；1-5芯片制造包括哪几个阶段？简要描述各个阶段。
解：（1）硅片制备；将硅从沙中提炼并纯化，形成半导体级硅的多晶硅。
（2）芯片制造；硅片到达硅片制造厂，经过清洗、成膜、光刻、刻蚀、和掺杂（扩散、离子注入）等主要工艺之后，加工成的硅片具有永久刻蚀在硅片上的完整的集成电流。
（3）掩膜板制作；掩膜版中包括构成芯片的各层图形结构，现在最常用的掩膜版技术是石英玻璃涂敷，在石英玻璃掩膜版表面的洛层上形成芯片各层结构图形。
（4）装配与封装；芯片制造完成后，封装之前芯片要经过测试/挑选进行单个芯片的电学测试，拣选出合格芯片和不合格芯片，并作出标识，合格芯片包装在保护壳内。
（5）终测；为了确保芯片的功能，要对每个被封装的集成电路进行测试，以保障芯片的电学和环境特性参数满足要求。
半导体技术的发展
半导体技术的发展半导体技术是一种广泛应用于电子工程和信息技术的关键技术。
它涉及到半导体材料的性质、制备、应用以及其发展趋势。
本文将详细介绍半导体技术的发展历程、现状以及未来趋势。
一、半导体技术的发展历程半导体技术的发展可以追溯到20世纪初，当时科学家们开始研究半导体材料的性质。
随着科学技术的不断发展，半导体技术也得到了迅速的发展。
从早期的二极管、三极管，到现代的集成电路、光电子器件等，半导体技术的应用越来越广泛。
二、半导体技术的现状目前，半导体技术已经成为现代电子工业的核心技术之一。
在现代电子设备中，半导体器件的应用已经无处不在，如手机、电脑、电视、汽车、医疗设备等。
这些半导体器件的性能和稳定性直接影响到电子设备的性能和可靠性。
此外，随着半导体技术的不断发展，其应用领域也在不断扩大。
除了传统的电子工业外，半导体技术还在能源、航空、航天等领域得到了广泛的应用。
例如，太阳能电池、LED照明、电动汽车等都离不开半导体技术的支持。
三、半导体技术的未来趋势1.更高性能的芯片随着人工智能、物联网等新兴技术的发展，对芯片的性能和算力提出了更高的要求。
因此，未来半导体技术将更加注重提高芯片的性能和算力。
通过研发更先进的制程工艺、材料和设计方法，有望实现更高性能的芯片，以满足日益增长的计算需求。
2.集成化与微型化随着电子设备的集成化和微型化趋势，半导体技术也将朝着这个方向发展。
通过将不同功能的器件集成到同一芯片上，可以降低电子设备的体积和功耗，提高其性能和可靠性。
同时，纳米级别的制程工艺也将成为未来半导体技术的重要发展方向。
3.绿色环保和可持续发展随着环保意识的不断提高，半导体产业也需要关注绿色环保和可持续发展的问题。
未来半导体技术将更加注重采用环保材料和生产工艺，减少对环境的影响。
同时，通过研发高效节能的半导体器件和设备，也有助于降低能源消耗，实现可持续发展。
4.人工智能和大数据的应用人工智能和大数据技术的发展为半导体技术提供了新的应用场景和发展机遇。
半导体器件的基础知识
向电压—V（BR）CBO。 当集电极开路时，发射极与基极之间所能承受的最高反
向电压—V（BR）EBO。
精选课件
28
1.2 半导体三极管
③ 集电极最大允许耗散功率 PCM 在三极管因温度升高而引起的参数变化不超过允许值时， 集电极所消耗的最大功率称集电极最大允许耗散功率。
三极管应工作在三极 管最大损耗曲线图中的安 全工作区。三极管最大损 耗曲线如图所示。
热击穿：若反向电流增大并超过允许值，会使 PN 结烧 坏，称为热击穿。
结电容：PN 结存在着电容，该电容为 PN 结的结电容。
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5
1.1 半导体二极管
1.1.3 半导体二极管
1．半导体二极管的结构和符号 利用 PN 结的单向导电性，可以用来制造一种半导体器 件 —— 半导体二极管。 电路符号如图所示。
将两个 NPN 管接入判断 三极管 C 脚和 E 脚的测试电 路，如图所示，万用表显示阻
值小的管子的 值大。
4．判断三极管 ICEO 的大小 以 NPN 型为例，用万用 表测试 C、E 间的阻值，阻值 越大，表示 ICEO 越小。
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33
1.2 半导体三极管
1.2.6 片状三极管
1．片状三极管的封装 小功率三极管：额定功率在 100 mW ~ 200 mW 的小功率 三极管，一般采用 SOT-23形式封装。如图所示。
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1.2 半导体三极管
由图可见： （1）当 V CE ≥ 1 V 时，特性曲线基本重合。 （2）当 VBE 很小时，IB 等于零，三极管处于截止状态。
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1.2 半导体三极管
（3）当 VBE 大于门槛电压（硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V） 时，IB 逐渐增大，三极管开始导通。
第1章-半导体器件基础
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
ui
ui
RL
uo
t
uo t
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR RL
uR
t
uo t
uo
t
1.2.5 稳压二极管
-
曲线越陡， I
电压越稳
定。
+
UZ
稳压
动态电阻： 误差
r U Z
Z
I Z
rz越小，稳 压性能越好。
UZ
IZ
U IZ IZmax
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ
（2）电压温度系数U（%/℃）
基区空穴
向发射区
的扩散可
忽略。
B
进 少入部P分区与R的基B 电区子的
空穴复合，形成
电流IBEE，B 多数
扩散到集电结。
C
N
芯片制造-半导体工艺教程
1 第一章半导体工业—3生产阶段by r53858固态器件的制造有四个不同的阶段。
（图1.19）它们是材料准备、晶体生长和晶圆准备、晶圆制造、封装。
在第一个阶段，材料准备（见第二章）是半导体材料的开采并根据半导体标准进行提纯。
硅是以沙子为原料通过转化成为具有多晶硅结构的纯硅（图1.21）。
在第二个阶段，材料首先形成带有特殊的电子和结构参数的晶体，再进行晶体生长，之后，在晶体生长和晶圆准备（见第三章）工艺中，晶体被切割成称为晶圆的薄片，并进行表面处理（图1.21）。
另外半导体工业也用锗和不同半导体材料的混合物来制作器件与电路。
材料准备晶体生长与晶圆准备晶圆制造封装第三个阶段是晶圆制造，也就是在其表面上形成器件或集成电路。
在每个晶圆上通常可形成200到300个同样的器件，也可多至几千个。
在晶圆上由分立器件或集成电路占据的区域叫做芯片。
晶圆制造也可称为制造、FAB、芯片制造或是微芯片制造。
晶圆的制造可有几千个步骤，它们可分为两个主要部分：前线工艺是晶体管和其它器件在晶圆表面上的形成；后线工艺是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层。
遵循晶圆制造过程，晶圆上的芯片已经完成，但是仍旧保持晶圆形式并且未经测试。
下一步每个芯片都需要进行电测（称为晶圆电测）来检测是否符合客户的要求。
晶圆电测是晶圆制造的最后一步或是封装（packaging）的第一步。
二氧化硅(沙子) 含硅气体硅反应炉多晶硅1.20 二氧化硅到半导体应用级硅的转化多晶硅硅晶体生长硅晶圆封装通过一系列的过程把晶圆上的芯片分割开然后将它们封装起来。
封装起到保护芯片免于污染和外来伤害的作用，并提供坚固耐用的电气引脚以和电路板或电子产品相连。
封装是在半导体生产厂的另一个部门来完成的。
绝大数的芯片是被单个地封装起来的，但是混合电路、多芯片模块（MCMs）或直接安装在电路板上（COB）的形式正在日趋增加。
混合电路是在陶瓷基片上将半导体器件（分立和IC）和厚或薄膜电阻及导线还有其它电子元件组合起来的形式，这些技术将在第18章中作出解释。
半导体器件附答案
第一章、半导体器件（附答案）一、选择题1．PN 结加正向电压时，空间电荷区将 ________A. 变窄B. 基本不变C. 变宽2．设二极管的端电压为 u ，则二极管的电流方程是 ________A. B. C.3．稳压管的稳压是其工作在 ________A. 正向导通B. 反向截止C. 反向击穿区4．V U GS 0=时，能够工作在恒流区的场效应管有 ________A. 结型场效应管B. 增强型 MOS 管C. 耗尽型 MOS 管5．对PN 结增加反向电压时，参与导电的是 ________A. 多数载流子B. 少数载流子C. 既有多数载流子又有少数载流子6．当温度增加时，本征半导体中的自由电子和空穴的数量 _____A. 增加B. 减少C. 不变7．用万用表的 R × 100 Ω档和 R × 1K Ω档分别测量一个正常二极管的正向电阻，两次测量结果 ______A. 相同B. 第一次测量植比第二次大C. 第一次测量植比第二次小8．面接触型二极管适用于 ____A. 高频检波电路B. 工频整流电路9．下列型号的二极管中可用于检波电路的锗二极管是： ____A. 2CZ11B. 2CP10C. 2CW11D.2AP610．当温度为20℃时测得某二极管的在路电压为V U D 7.0=。
若其他参数不变，当温度上升到40℃，则D U 的大小将 ____A. 等于 0.7VB. 大于 0.7VC. 小于 0.7V11．当两个稳压值不同的稳压二极管用不同的方式串联起来，可组成的稳压值有 _____A. 两种B. 三种C. 四种12．在图中，稳压管1W V 和2W V 的稳压值分别为6V 和7V ，且工作在稳压状态，由此可知输出电压O U 为 _____A. 6VB. 7VC. 0VD. 1V13．将一只稳压管和一只普通二极管串联后，可得到的稳压值是（ ）A. 两种B. 三种C. 四种14．在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 __（1）__，而少数载流子的浓度与 __（2）__有很大关系。
半导体技术的发展历程
3.9 5-6 7 10 10-20 15-30 30
High k介质材料
淀积方法： • MOCVD • PVD (溅射, 蒸发) • ALE (原子层淀积) • MBE
18
High k介质材料 ALD (原子层淀积)
15
High k介质材料
材料要求 : • • • • • 高介电常数 热稳定性 界面质量 易于处理 可靠性
16
High k介质材料
• • • • • • •
SiO2 Si3N4/SiO2 stack Si3N4 Al2O3 ZrSiOy, HfSiOx, LaSiOx ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3 crystal Pr2O3
9
2、太阳能电池技术；
（3）异质结结构： 最早专利申请始于1956年 （4）肖特基结结构： 专利申请始于1966年
10
2、太阳能电池技术；
（5）MIS结结构 专利申请始于1971年 （6）超晶格能带结构 专利申请始于1982年 （7）能带渐变结构 最早专利申请始于1977年
4
二、半导体技术的热点
1、纳米技术； 2、太阳能电池技术（光电）； 3、LED技术（OLED技术，电光）； 4、FinFET技术。
5
2、太阳能电池技术；
（1）单晶硅太阳能电池 目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，单晶 硅太阳能电池一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用， 使用寿命一般可达15年，最高可达25年。 （2）多晶硅太阳能电池 多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电 池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12％左右。 （3）非晶硅太阳能电池 非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，目前国际先进水平为 10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。
半导体器件工艺基础知识
半导体器件⼯艺基础知识半导体基础知识和半导体器件⼯艺第⼀章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。
第⼀类为导体，它可以很好的传导电流，如：⾦属类，铜、银、铝、⾦等；电解液类：NaCl⽔溶液，⾎液，普通⽔等以及其它⼀些物体。
第⼆类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、⽊板等。
第三类为半导体，其导电能⼒介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，⼆、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。
物体的导电能⼒可以⽤电阻率来表⽰。
电阻率定义为长1厘⽶、截⾯积为1平⽅厘⽶的物质的电阻值，单位为欧姆*厘⽶。
电阻率越⼩说明该物质的导电性能越好。
通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘⽶以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘⽶以上。
半导体的性质既不象⼀般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能⼒介于导体和绝缘体之间，⽽是由于半导体具有以下的特殊性质：(1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能⼒。
当温度升⾼时，电阻率会降低。
⽐如Si在200℃时电阻率⽐室温时的电阻率低⼏千倍。
可以利⽤半导体的这个特性制成⾃动控制⽤的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这⼀特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件⾃⾝产⽣的热量，需要考虑器件使⽤环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。
(2) 半导体在受到外界光照的作⽤是导电能⼒⼤⼤提⾼。
如硫化镉受到光照后导电能⼒可提⾼⼏⼗到⼏百倍，利⽤这⼀特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。
(3) 在纯净的半导体中加⼊微量（千万分之⼀）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能⼒提⾼百万倍。
这是半导体的最初的特征。
例如在原⼦密度为5*1022/cm3的硅中掺进⼤约5X1015/cm3磷原⼦，⽐例为10-7（即千万分之⼀），硅的导电能⼒提⾼了⼏⼗万倍。
物质是由原⼦构成的，⽽原⼦是由原⼦核和围绕它运动的电⼦组成的。
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因此可以相信，传统的193nm浸液式光刻技术加上两次图 形曝光技术(DP)，甚至4次，从分辨率上在2015年时有可能达 到10nm，这取决于业界对于成本上升等的容忍度。
何时能够到7nm或5nm？ 截至今日尚无人能够回答，因为EUV何时进入也不清楚。 乐观的估计可能在2015年或2016年。 如果真能如愿，可能从10nm开始就采用EUV技术，一直走到 5nm。 但是目前业界比较谨慎，通俗一点的说法仍是两条腿走路。
关键尺寸
芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。 描述特征尺寸的另一个术语是电路几何尺寸。硅片上的最小 特征尺寸，也称为关键尺寸或CD。 自半导体制造业开始以来，器件的CD一直在缩小，从20世纪 50年代初期以大约125um的CD开始，目前主流是45nm或者更 小，可以量产的最小CD已达到28nm。 半导体产业使用“技术节点”这一术语描述在硅片制造中使 用的可应用CD。从1um以下的CD实际的和预计的产业技术节 点如下表所示。
Year of introduction Transistors
1971
2,250
1972
2,500
1974
5,000
1978
29,000
1982
120,0001985ຫໍສະໝຸດ 275,0001989
1,180,000
1993
3,100,000
1997
7,500,000
1999
24,000,000
2000
42,000,000
可变成在工作过程中低失效的产品。
1.3 趋势3：降低芯片成本
半导体微芯片的价格一直持续下降（见下图）。 1996年之前的近50年中，半导体微芯片的价格以 一亿倍的情况下降。例如，1958年一个质量低劣 的硅晶体管价值大约10美元。在今天，10美元可 以买到具有超过两千万晶体管的一块存储器芯片、 或一个等量的其他元件以及必要的互连以便做成 一个有用的芯片。等等。
图）。
摩尔定律
1964年，戈登·摩尔，半导体产业先驱和英特尔公司的创始 人，预言在单位芯片上的晶体管数大约每隔一年翻一番。关 于微处理器上的晶体管数，如图所示，摩尔定律惊人地准确。
功耗 芯片性能的另一重要参数是功耗。真空管功耗很大，
而半导体器件确实功耗很小。随着器件的微型化，功耗相应 减小。尽管每块芯片上晶体管数迅速增加，芯片的功耗却逐 步降低（见图）。这已成为便携式电子产品市场增长的一个 关键性能参数。
Nikon正努力延伸193nm的浸液式技术，甚至包含450mm硅片;而
ASML{阿斯麦（中国大陆）、艾司摩尔（中国台湾）,总部设在
荷兰,全球最大的半导体设备制造商之一，ASML的股票分别在阿 姆斯特丹及纽约上市}。 ASML由于获得英特尔、三星及台积电的支持，正加快 NXE3300B实用机型的设备在客户处使用，累积产出硅片已达 44000片。另外，下一代EUV设备NXE3300B已开始安装调试，计 划2013年供货。
观察近期的报道，2013年应该进入14纳米节点，而 且仍是英特尔挑起大樑。 尽管摩尔定律快“寿终正寝”的声音已不容置辩， 但是14nm的步伐仍按期走来，原因究竟是什么?
-------传统的光刻技术与日俱进
光刻技术
当尺寸缩小到22/20nm时，传统的光刻技术已无 能力，必须采用辅助的两次或多次图形曝光技术。 提高光刻的分辨率有三个途径：缩短曝光波长、 增大镜头数值孔径NA以及减少工艺参数。显然， 缩短波长是最主要的，而且方便易行。目前市场 的193nmArF光源是首选，再加入浸液式技术等， 实际上达到了28nm，几乎已是极限。
体产业就引入新的制造技术。伴随微芯片技术的发
展有三个主要趋势：
• 提高芯片性能
提高芯片可靠性
• 降低芯片成本
1.1 趋势1：提高芯片性能
从20世纪60年代早期，小规模集成电路时代以来，半导体微 芯片的性能已得到了巨大的提高。 判断芯片性能的一种通用方法是速度。 器件做得越小，在芯片上放置得越密，芯片的速度就会越快。 这是因为通过电路得电信号传输距离更短了。 提高速度的另一方法：使用材料，通过芯片表面的电路和器 件来提高电信号的传输。
1.2. 趋势2：提高芯片可靠性
芯片可靠性就是致力于使可靠性趋于芯片寿命的功能的 能力。
技术上的进步已经提高了芯片产品得可靠性（见下图）。 例如，通过无颗粒空气净化间的使用以及控制化学试剂
纯度，来控制沾污。 为提高器件可靠性，不间断地分析制造工艺，减少污染
的时间和空间。 通过硅片监控和微芯片测试以验证可接受的性能。这样
ASML2013年描绘了业界期待已久的EUV光源路
线图，近期Cymer公司已推出了专为ASML光刻机配置 的40W极紫外(EUV)光源，工作周期高达每小时30片， 并计划在2014年时NXE3300B中的光源升级达到50W， 相当于43WPH（wafers per hour)水平。而100W光源可能 要等到2015年或2016年，相当于73WPH。至于何时出现 250WEUV光源，至少目前无法预测。500W光源写进路 线图中是容易的，但是未来能否实现还是个问题。
只要实现73WPH，可以认为EUVL已达到量产水平， 因为与多次曝光技术相比，它的成本在下降。 在10nm节点以下如果继续釆用多次曝光技术，则 可能需要4x甚至8x的图形成像技术。
每块芯片上的元件数
元件芯片的特征尺寸 减小，在硅片上制作 元件的数量就更多。 对于微处理器，通过 减小芯片CD，增加芯 片的集成度，提高芯 片表面的晶体管数量， 由于芯片上的晶体管 数连年急剧增加，芯 片性能也已提高（见
第一章、半导体器件与工艺技术的发展2
半导体工艺技术 中国半导体工业的发展 微电子技术发展
一、半导体工艺技术的发展
推动半导体业进步的两个轮子：工艺尺寸缩小和硅
片直径增大，而且总是尺寸缩小为先。超大规模集
成电路的设计和制造所需的快速技术变化，导致新
设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导
❖Intel 公司CPU芯片集成度的发展
Intel’s CPU 4004 8008 8080 8086 286 386™ processor 486™ DX processor Pentium® processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor