秦明《半导体器件原理与工艺》加工工艺2_2010.
半导体器件的设计和制造工艺
半导体器件的设计和制造工艺随着时代的发展和科技的进步，现在的社会已经进入了一个数字化的时代。
在这个数字化的时代中，半导体器件无疑是整个科技行业中最重要的一环。
半导体器件的制造对于整个行业的发展起了至关重要的作用。
在这篇文章中，我们将会探讨半导体器件的设计和制造工艺。
半导体器件是什么？首先，我们需要明确一下半导体器件是什么。
半导体器件是使用半导体材料作为载体的电子器件，它具有比传统电路更高的运算速度和较低的功耗。
半导体器件通过它们自身的性质，来实现电子设备的读取、存储、处理和控制等功能。
半导体器件的设计和制造工艺半导体器件的设计和制造工艺是一个复杂的过程，由于半导体器件的特殊性质，制造过程中各种工序都需要极高的精度和规范性。
下面我们将会对半导体器件的设计和制造工艺进行探讨。
1. 设计工艺半导体器件的设计工艺是指在原材料和工艺技术基础上，通过各种工艺手段的组合，来实现半导体器件的功能。
设计工艺是半导体器件制造过程的第一步，也是影响半导体器件性能和成本的关键环节。
设计工艺的主要流程包括设计验证、设计布图、光刻及生产模拟等环节。
2. 制造工艺半导体器件的制造工艺是将半导体设计图形化并于半导体晶圆上进行制造的一种工艺过程。
制造工艺可以分为光刻、化学物料、清洗、高温处理工序等多个方面。
每个工序都需要精细规划，确保其可以按照设计要求进行。
制造工艺是半导体器件生产制造过程的核心，涉及到每个环节，影响到半导体器件的制造速度和产能。
3. 清理工艺清理工艺是指在制造过程中，需要对半导体器件进行清洁保护和光学处理，避免因外界污染、腐蚀等原因导致器件的失效。
这需要采用精密的清洁和修补过程，以确保半导体器件在整个设计生命周期内能保持一定的品质和可靠性。
半导体器件制造的市场现状半导体器件制造是一个非常具有潜力的市场，鉴于半导体器件在现代数码设备、汽车、航空航天和医疗器械等领域中的广泛应用，这个市场将在未来继续增长。
要想在这个市场上创造出业绩，就需要对半导体器件的制造过程了解清楚，同时不断关注最新的技术发展，了解新型工艺的变化和应用。
半导体器件原理与工艺
PECVD reactor ▪ Stress can be controlled during deposition
by controlling the excitation frequency of plasma:
➢ O2 : silane = 3:1 ➢ N2 diluent 改善表面 ➢ PSG(phosphosilicate
glasses) reflow ➢ BPSG(Borophosphosilic
ate glasses) reflow
半导体器件原理与工艺
Hot wall LPCVD
▪ 热壁
➢ 温度分布均匀、对 流效应小
▪ 介质膜在IC中的应用
➢ 钝化层（Passivation)
• A.淀积温度受到金属熔点的限制 • B.用于保护器件，使其免受水汽、灰尘、可动离子的影
响以及其他不希望的外界影响
▪ 半导体膜在IC中的应用
➢ CVD半导体膜可作为外延层、掺杂导电膜等，如 多晶硅，化合物半导体GaAs
▪ 导电膜在IC中的应用
➢ 硅片平放
▪ LPCVD = Low Pressure CVD
➢ 硅片竖放
▪ PECVD = Plasma Enhanced CVD
➢ 硅片平放
▪ HDPCVD = High-Density CVD
➢ 硅片平放
半导体器件原理与工艺
CVD膜在半导体生产中的应用
▪ 介质膜在IC中的应用
➢ 金属前介质层PMD
high freq. tensile stress Low freq. compressive stress
《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。
半导体器件的制备工艺
半导体器件是现代电子技术中最重要的基础元件之一。
它们广泛应用于计算机、手机、电视等各种电子设备中，起着控制电流和信号的作用。
要制备出高性能的半导体器件，一个关键的步骤就是制备工艺。
制备工艺是指在半导体材料上应用一系列的加工方法来制造半导体器件的过程。
第一步是原料的准备。
半导体器件常使用的材料有硅、锗等，这些材料必须具备高纯度和特定的电学特性。
因此，在制备工艺中，我们需要使用特殊的原料，如高纯度的金属硅或气相沉积的硅薄膜，来作为制备半导体器件的基础材料。
第二步是制备基底。
通常，制备半导体器件的基底是硅片。
硅片必须具备较高的纯度，且表面光滑。
制备基底的方法有多种，最常见的方法是通过切片和抛光的方式来获得高质量的硅片。
第三步是沉积薄膜。
在半导体器件的制备中，我们需要在基底表面形成一层特定厚度的薄膜，以用于电子组件的连接和绝缘。
沉积薄膜的方法有物理气相沉积（PVD）、热氧化、化学气相沉积（CVD）等。
第四步是图案化。
半导体器件的电路都是有特定的图案构成的，因此，在制备工艺中，我们需要使用光刻技术来对薄膜进行图案化处理。
这个过程包括了光刻胶的涂覆、曝光和显影，最后得到所需的图案。
第五步是蚀刻。
蚀刻是指将薄膜中的一部分物质逐渐去掉的过程，以形成半导体器件。
蚀刻方法有干法蚀刻和湿法蚀刻两种。
干法蚀刻常用于金属薄膜的蚀刻，湿法蚀刻则常用于硅等材料的蚀刻。
第六步是离子注入和扩散。
离子注入是指将特定种类的离子注入到半导体材料中，以改变其电学特性。
而扩散则是将特定的杂质通过热处理送入半导体材料中，以改变材料的导电性。
最后一步是清洁和包封。
在半导体器件制备的过程中，不可避免地会产生一些杂质。
所以，在制备工艺的最后一步，我们需要对器件进行清洁处理，以确保器件的性能和稳定性。
然后，将器件进行封装，使其能够在实际应用中更好地保护和使用。
综上所述，半导体器件的制备工艺是一个复杂而关键的过程。
只有掌握了制备工艺，才能生产出高性能和稳定性的半导体器件。
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。
半导体器件原理和工艺2
半导体器件
晶体管的频率特性---小信号模型
▪ 小信号工作条件：
➢ 输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压 (kT/q)
vBE VBE vbe iC IC ic
半导体器件
小信号模型-1
i1
i2
v1
T
v2
短路输入导纳 短路反向跨导纳
短路正向跨导纳 短路输出导纳
半导体器件
h参数 短路输入阻抗
小信号模型-2
短路正向电流传输系 数、即电流增益
开路反向电压传输系 数，即电压反馈系致
半导体器件
开路输出导纳
小信号模型-3
共发射极h参数等效电路
b vbe
c vce e
半导体器件
小信号等效电路
▪ 混合模型
g
-g
gm
go
由E-M方程：
正向有源区
半导体器件
混合模型-1
▪ 跨导gm
1. gm正比于Ic，反比于T。 2. gm只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材
半导体器件
Bardeen, Brattain, and Schockley 获1956年诺贝尔物理奖
晶体管的特性
半导体器件
半导体器件
理想NPN掺杂分布
▪ 集电结外延， 发射结离子 注入
eb
半导体器件
c
晶体管的静电特性
▪ 两个独立的PN结构成
N+
P
N
半导体器件
背靠背二极管
半导体器件
工作原理
半导体器件
特征频率和截止频率
▪ 特征频率fT和截止频率f 是根据hFE随频率的变化 关系定义的
半导体器件
特征频率和截止频率-1
半导体器件的结构和制备工艺流程
半导体器件的结构和制备工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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东南大学 秦明 老师半导体器件原理与工艺31
Lift-off requires the metal film to be thinner than the photoresist. This requirement limits the meta llinewidth. Thinner linewidths normally require thinner photoresist layers.
半导体器件原理与工艺
浸入光刻
A liquid with index of refraction n>1 is introduced between the imaging optics and the wafer.
优点:
分辨率与n成正比; 聚焦深度增加
半导体器件原理与工艺
电子束光刻
RSiO2/RSi>100:1
Si3N4的腐蚀
20 : 1 BHF at RT 10 Å/min H3PO4 , 140~200 ℃ ~100A/min 3: 10 mixture of 49 % HF(in H2O) and 70 % HNO3 at
70 ℃
半导体器件原理与工艺
常见材料的腐蚀
objectives, and image is electronically stored Wafer is then loaded with backside alignment marks facing the
microscope objectives The alignment marks is aligned to the stored image. After alignment, exposure of the mask onto the front-side of the
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Implantation Damage
微纳制造技术
Monte Carlo Simulation of 50keV Boron implanted into Si
微纳制造技术
离子注入损伤与退火
退火的作用： 1.消除晶格损伤 2.激活杂质 退火的方法： 1.高温热退火：用高温炉把硅片加热至 800-1000℃ 并保持30分钟 特点：方法简单，设备兼容，但高温长 时间易导致杂质的再扩散。
微纳制造技术
离子注入的优点
精确控制剂量和深度
从1010到1017个/cm2,误差 +/- 2%之间
低温:小于125℃ 掩膜材料多样
photoresist, oxide, poly-Si, metal
表面要求低 横向均匀性好(< 1% for 8” wafer)
微纳制造技术
微纳制造技术
微纳制造技术
半导体加工工艺原理
概述 半导体衬底 热氧化 扩散
光刻 刻蚀
离子注入
化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS MEMS加工
微纳制造技术
定义
先使待掺杂的原子或分子电离，再加速 到一定的能量，使之注入到晶体中，然 后经过退火使杂质激活
Fick第二定律
微纳制造技术
D的温度依赖性
D=Doexp(-EA/kT), 式中EA是激活能
微纳制造技术
微纳制造技术
预沉积分布
微纳制造技术
余误差函数
微纳制造技术
预沉积
预沉积剂量
浓度梯度
微纳制造技术
预沉积与推进后浓度与深度关系
微纳制造技术
结深计算
当杂质浓度等于衬底浓度时,对应的深度为 xj
剂量的控制
Faraday cup
DI=It/A
微纳制造技术
库仑散射与离子能量损失机理
微纳制造技术
垂直射程
高斯深度分布
微纳制造技术
垂直投影射程
投影射程：
Rp
Rp
0
0 dE dE dx E0 dE / dx E0 S S n e 0
2 MiMt R p R p 3 M M t i
微纳制造技术
扩散分布的测试分析
浓度的测量
四探针测量方块电阻
范德堡法
Rs
1 q (C )Ce ( x)dx
dx
结深的测量
磨球法染色
扩展电阻 CV SIMS RBS AES
L L R Wt t W
W t
L
微纳制造技术
扩散系统
固态源 液态源
填隙扩散机制
硅原子挤走杂质，杂质再填隙
微纳制造技术
两种扩散机制并存
挤出 机制
FrankTurnbull机制
P, B 同时靠这两种机制扩散
微纳制造技术
扩散杂质
替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩 散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工 艺容易控制
微纳制造技术 慢扩散杂质的扩散系数
微纳制造技术原理
概述 半导体衬底 热氧化
扩散
离子注入 光刻 刻蚀
化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS MEMS加工
微纳制造技术
掺杂
扩散
扩散的基本原理 扩散方法
扩散层的主要参 数及检测 掺杂 离子注入的 离子 基本原理 主要适用 注入 离子注入设备 于浅结细
预沉积扩散: CB x j 2 Dt erfc C 0 推进扩散:
1
Q x j 4 Dt C Dt 0
微纳制造技术
基区陷落效应
也叫发射区推进效应
现象：发射区下的基区推进 深度较发射区外的基区推进 深度大 产生原因：在扩散层中又掺 入第二种高浓度的杂质，由 于两种杂质原子与硅原子的 晶格不匹配，造成晶格畸变 从而使结面部份陷落 改进措施：采用原子半径与 硅原子半径相接近的杂质
在高温下，杂质在浓度梯度的驱使
下渗透进半导体材料，并形成一定 的杂质分布，从而改变导电类型或 杂质浓度。
微纳制造技术
杂质扩散
预扩散
剂量控制
推进
结深控制
微纳制造技术
杂质扩散源
微纳制造技术
掺杂机制
O, Au, Fe, Cu, Ni, Sn, Mg
微纳制造技术
P, B, As, Al, Ga, Sb, Ge
Mv 2 qvB r
2qVext 2E v M M
选择所需要的杂质离子， 筛选掉其他的杂质离子
Mv 1 M r 2 Vext qB B q
微纳制造技术
加速器
利用强电场使离子加速获得足够的能量能 够穿跃整个系统并注入靶中 离子束
+100kv
100 M 100 M 100 M 100 M 100 M
快扩散杂质的扩散系数
一维扩散模型
微纳制造技术
扩散模型
采用连续性方程
J1 dx J2
C J Adx A( J 2 J1 ) Adx t x 或 C ( x, t ) J C D t x x x
微纳制造技术
扩散模型
如果D与x无关,
加速管 注入深度取决于加速管的电场能量
微纳制造技术
注入剂量
靶室：接受注入离子并计算 出注入剂量 ：注入剂量
Q It q qA
I: 束流强度
A：硅片面积 t: 注入时间
微纳制造技术
法拉弟杯电流测量
带硅片的扫描盘 在盘上的 取样狭缝 离子束 抑制栅孔径 + 法拉弟杯
电流积 分仪
微纳制造技术
主要用于结较深 （≥ 0.3m)线 条较粗（≥ 3 m）
离子注入后的损 线条图形 伤与退火
微纳制造技术
掺杂
掺杂在半导体生产中的作用：
1.形成PN结 2.形成电阻
3.形成欧姆接触
4.形成双极形的基区、发射区、集电区， MOS管的源、漏区和对多晶硅掺杂 5.形成电桥作互连线
微纳制造技术
扩散
扩散的定义：
离子注入
微纳制造技术
离子注入机的组成
离子注入机种类： 外形
低能量60Kev 卧式 能量 中能量60kev-200kev 立式 高能量200kev以上
离子注入机结构图
微纳制造技术
离子注入系统
系统包含
离子源(BF3, 3,
PH3) 加速管 终端台
微纳制造技术
质量分析器
由经典力学