半导体基础知识与晶体管工艺原理

1、 半导体基础知识与晶体管工艺原理 （生产线基础培训教程） 半导体技术 编著20028 目 录 第一章半导体的基础知识 1-1半导体的一些基本概念 1-1-1什么是半导体？41-1-2 半导体的基本特性. .41-1-3 半导体的分类.41-1-4 n型半导体和p型半导体.51-1-5 半导体的导电机构.61-2 p-n结9 1-2-1 p-n结的构成.91-2-2 p-n结内的载流子运动和平衡101-2-3 p-n结的基本特性10 1-3 二极管.12 1-3-1 二极管的基本构成.12 1-3-2 二极管的特性曲线（伏安特性）.121-3-3 二极管的分类13 1-4 晶体管（仅讲双极型）1

2、3 1-4-1 晶体管的构成.13 1-4-2 晶体管的放大原理.15 1-4-3 晶体管的特性曲线.18 1-4-4 晶体管的分类.21 1-4-5 晶体管的主要电参数.21 第二章晶体管制造工艺与原理 2-1典型产品工艺流程.242-1-1 晶体管的基本工艺流程.242-1-2 典型产品的工艺流程.24 2-2晶体管制造主要工艺的作用与原理.252-2-1 氧化工艺.252-2-2 扩散工艺.26 2-2-3 离子注入工艺.302-2-4 光刻工艺.312-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺.322-2-6 cvd工艺.332-2-7 台面工艺.342-2-8 三扩、磨抛工艺.352-2-9 清

3、洗工艺.362-2-10 中测、划片工艺362-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响.372-3-1 工艺质量问题分类372-3-2 常见的工艺质量问题举例372-4 工艺纪律和工艺卫生的重要性.412-4-1 半导体生产对空气洁净度的要求412-4-2 工艺卫生的内涵.422-4-3 工艺卫生好坏对半导体生产的影响.422-4-4 工艺纪律的内涵.432-4-5 工艺纪律的重要性.43 第一章 半导体基础知识 1-1半导体的一些基本概念1-1-1 什么是半导体？导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，叫做半导体。物质的导电能力一般用电阻率来表示。电阻率是指长1cm，截面积为1平方厘米的物质

4、的电阻值，单位是欧姆·厘米（符号是-cm）。电阻率越小，说明物质的导电性能越好；反之，电阻率越大，说明物质的导电性能越差。物质种类导体半导体绝缘体电阻率（-cm）10-410-31081091-1-2 半导体的基本特性1热敏特性随着温度的升高，半导体的电阻率减小，导电能力明显的增强。2光敏特性受到光线照射后，半导体的电阻率减小，导电能力大大增强。3杂质导电特性在纯净的半导体中，加入微量的某些其它元素（通常，称之为“掺杂”），可以使它的导电能力成百万倍的提高。这是半导体的一个最突出的也是最重要的特性。人们正是利用半导体的这些特性，制成了二极管、晶体管、热敏器件、光敏器件等。也正是由于半

5、导体的这种特性，在制造半导体器件的过程中，对工作环境的要求特别严格，以防有害杂质进入半导体而破坏器件的参数。 必须指出，以上特性只有纯净的半导体才具备。所谓纯净的半导体是指纯度在9个“9”以上，即99.9999999%以上。 1-1-3 半导体的分类1按化学成分元素半导体和化合物半导体2按是否含有杂质本征半导体和杂质半导体3按导电类型n型半导体和p型半导体 4按原子排列的情况单晶和多晶1-1-4 n型半导体和p型半导体1“载流子”半导体中的导电粒子（运载电流的粒子）：电子和空穴。2“杂质”的概念三、五族元素杂质（元素周期表中，三族：硼、铝、镓；五族：磷、砷、锑）受主杂质和施主杂质。3施主杂质和

6、受主杂质有一类杂质（比如五族元素磷），它在掺入半导体中后，会产生许多带负电的电子，这种杂质叫“施主杂质”。（施放电子）又有一类杂质（比如三族元素硼），它在掺入半导体中后，会产生许多带正电的空穴，这种杂质叫“受主杂质”。（接受电子）4 n型半导体和p型半导体掺有施主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由施主杂质产生的导电电子，我们称这种半导体为“n型半导体”（也叫“电子型半导体”）。掺有受主杂质的半导体，其导电作用主要依靠由受主杂质产生的导电空穴，我们称这种半导体为“p型半导体” （也叫“空穴型半导体”）。5多子与少子 1）在本征半导体中，载流子靠本征激发产生，而且电子数=空穴数=本征载流子浓度。即

7、，no=po=ni 2）在杂质半导体中，载流子主要靠杂质电离而产生，此时，杂质电离产生的载流子浓度远大于本征激发产生的载流子浓度。因此，在杂质半导体中，电子数空穴数。其中，在n型半导体中：电子是多子，空穴是少子 。而在p型半导体中：空穴是多子，电子是少子。3）n型半导体和p型半导体的示意图（图1）因为在p型半导体中的绝大多数载流子是空穴，电子数很少，因此在画p型半导体的示意图时，只画出带正电荷的空穴；反之，在n型半导体的示意图中，只画出带负电荷的电子。 图1 n型半导体和p型半导体1-1-5 半导体的导电机构载流子的产生、运动和复合回答半导体是怎么导电的？1“载流子”是怎么产生的？a 本征激发

8、产生电子、空穴对本征载流子浓度（ni）1）半导体材料硅的晶格结构“共价键”结构因为，从原子结构理论知道，每个硅原子的最外层有4个价电子和4个空位，因此，在构成硅晶体时，每个原子周围都有4个最靠近的原子做它的邻居，每个原子拿出一个价电子和它的一个邻居共用。同样，每个邻居也拿出一个价电子和它共用。这一对共用的价电子使两个硅原子之间产生了一种束缚力，就叫做“共价键”。这样，每个原子就要和周围4个原子构成4个“共价键”。为了简化起见，我们把本来是立体的“共价键”结构画成平面示意图。（图2） 图2 硅“共价键”晶格结构平面示意图2）在价电子获得一定的能量（硅eg=1.1ev）时，就能冲破束缚（称为“激发

9、”），成为导电的自由电子（带负电）。与此同时，在“共价键”中留下一个空位，我们叫它“空穴”（带正电，也能导电）。这种同时产生的电子和空穴，称为“电子、空穴对”。我们称这种引起的价电子激发产生导电的电子、空穴对的过程，为“本征激发”。3）本征激发产生的载流子浓度，称为本征载流子浓度（ni）。在常温下，ni是个较小的常数；随着温度的升高，ni就很快增大。（它以指数形式上升）这就是为什么本征半导体，在常温下导电能力很弱，但随着温度升高，导电能力又明显增强的原因。4）“共价键”结构中产生本征激发的示意图（图3） 图3 本征激发产生电子空穴对的示意图b杂质电离产生电子或空穴电子浓度n和空穴浓度p 1）施

10、主杂质电离产生电子 在纯净的半导体硅中，掺入少量的五族元素（如磷），它以替位形式占据一个硅原子的位置，由于它比硅原子多一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就有一个多余的价电子。它不受共价键的束缚，只受磷原子核正电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使它克服引力而成为导电“电子”。而失去一个电子后的磷原子成为带正电的离子，但它处于共价键的稳定结构中，不能自由运动，因此，不是载流子。我们称施主杂质释放导电电子的过程，为施主电离。（请注意，这里只产生导电电子，不产生空穴）。 2）受主杂质电离产生空穴 在纯净的半导体硅中，掺入少量的三族元素（如硼），它以替位形式占据一

11、个硅原子的位置，由于它比硅原子少一个价电子，因此，在与周围4个硅原子组成共价键时，就要从周围硅原子的共价键中夺取一个价电子过来填充。这样，就在被夺取了一个电子的地方就产生了一个空穴。这个空穴不受共价键的束缚，只受硼离子负电荷的吸引，这种吸引力是很微弱的，因此，只要很小的能量就能使它克服引力而成为能导电的“空穴”。而硼原子由于多了一个电子而成为带负电的硼离子，但它同样也不能自由运动，因此，不是载流子。我们称受主杂质产生空穴的过程，为受主电离。（请注意，这里只产生空穴，不产生电子）。3）示意图（图4）图4a n型半导体中的施主杂质电离 图4b p型半导体中的受主杂质电离2 载流子的运动扩散和漂移

12、1）扩散运动 当一块半导体内的载流子浓度存在差异时，就会出现载流子从浓度高向浓度低的方向运动，这种运动就叫载流子的扩散运动。描述扩散运动的物理量是扩散系数dn、dp。2）漂移运动在电场的作用下，电子会进行逆电场方向的运动，空穴会沿着电场的方向运动。这种运动就叫载流子的漂移运动。描述漂移运动的物理量是迁移率n.p。3 载流子的复合和寿命1）载流子的复合导电电子和空穴相遇并同时消失的过程，叫 “复合”。2）平衡载流子和非平衡载流子半导体中的载流子总是在不断地产生和复合，只是，在平衡时（没有外界作用时），产生与复合处于相对平衡状态，产生数等于复合数，载流子浓度保持不变。当有外界作用（如，电场、光照）

13、时，就会产生非平衡载流子，一般非平衡载流子的数量比平衡载流子的数量少，但是，它们对半导体的导电能力的影响且很大。3)非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子从产生到复合的时间，叫“少子寿命”，用符号表示。（是个很重要的半导体材料参数，它直接影响晶体管的ts参数。） 1-2 p-n结1-2-1 p-n结的构成1定义由p型半导体和n型半导体组成的一个单块半导体薄层，称为p-n结。2实际构成的方法：在一块n型半导体中，通过采用氧化、光刻、扩散（硼扩散）的工艺方法，使其中一部分区域转变为p型半导体，这样，在p型区和n型区的交界面附近，就形成了一个p-n结。1-2-2 p-n结内的载流子运动和平衡 在p-

14、n结的p型导电区内，空穴很多，电子很少；而在n型导电区内，电子很多，空穴很少。因此，由于电子和空穴浓度在这两个区域的差别，出现载流子的扩散运动n区的电子就会向p区扩散；p区的空穴向n区扩散。使n区中靠近p区一侧的簿层1内，由于缺少电子而带正电；p区中靠近n区一侧的簿层2内，由于缺少空穴而带负电。从而，形成了一个由n区指向p区的电场称“自建电场”。在这个电场的作用下，就会出现载流子的漂移运动把电子拉回到n区，空穴拉回到p区。这样，在p区和n区的交界处，发生着扩散和漂移两种相反方向的运动，最后，达成动态平衡。（图5） 图5 p-n结内的载流子运动和平衡1-2-3 p-n结的基本特性 1 p-n结的

15、单向导电性（整流特性，伏安特性）：在正向偏置下（p区接正极，n区接负极），此时，外加电场与自建电场的方向相反，因此，当外加电场大于自建电场以后，p-n结内的载流子产生定向而连续的流动（n区的电子流向p区，p区的空穴流向n区），形成电流。而且，这种电流随着外加电压的增加很快增大，形成很大的正向电流。这就叫p-n结的正向特性。在反向偏置下（p区接负极，n区接正极），外加电场与自建电场的方向一致，势垒区加宽、加高。此时，p-n结内的多数载流子的运动受阻，只有p区的电子（少子）在电场的作用下被拉向n区，n区的空穴被拉向p区，形成一个很小的反向电流 。这就叫p-n结的反向特性。我们把这种正向电阻很小、电

16、流很大，而反向电阻很大、电流很小的特性，称为p-n结的单向导电性。示意图见图6。 图6a p-n结正向特性 图6b p-n结反向特性2 p-n结的电容特性 p-n结在正向偏置时，势垒区变窄；在反向偏置时，势垒区变宽，这个过程相当于一个平板电容器的充放电过程，因此，p-n结也具有电容特性。而且，这个电容数值的大小，是随着偏置电压大小变化而变化。变容二极管就是根据这个原理制成的。3 p-n结的击穿特性 1）击穿现象： 当p-n结上的反向偏压加大到一定数值时，就会出现反向电流急剧增大的现象，这就是p-n结的击穿特性。称，出现反向电流急剧增大时所加的反向电压为，反向击穿电压。而且，击穿电压的大小决定于

17、p-n结中杂质浓度较低一方的电阻率。电阻率越高，则击穿电压就越高；反之，电阻率越低，则击穿电压就越小。2）产生p-n结击穿的机理雪崩倍增。 反向电压很大时势垒区电场很强从p区流向n区的电子和势垒区原有的本征激发的电子，在强电场下高速运动（具有高能量）与硅原子碰撞撞出电子和空穴这种碰撞不断延续倍增象雪崩一样，产生大量的电子和空穴并在强电场下定向流动形成很大的电流。3）p-n结反向击穿特性的图示：（图7） 图7 p-n结的反向击穿特性1-3 二极管 1-3-1二极管的基本构成1由一个p-n结电极引出（引线孔，正面、背面金属化） 后道组装构成一个二极管。2 二极管的电学符号： 图8 二极管的电学符号

18、 1-3-2 二极管的特性曲线（伏安特性） 实际上就是p-n结的正向、反向和击穿特性的总合。（图9） 图9 二极管的特性曲线1-3-3 二极管的分类1整流二极管利用p-n结的单向导电性。2稳压二极管利用p-n结的击穿特性。3变容二极管利用p-n结的电容特性。4开关二极管5微波二极管 1-4 晶体管（仅讲双极型） 1-4-1 晶体管的构成 1 晶体管的基本构成1）结构框架由两个p-n结，三个导电区（发射区、基区、集电区），三个电极（发射极、基极、集电极）构成。2）两种结构类型npn和pnp 3）两种结构的示意图（图10） 图10a npn结构 图10b pnp结构 2实际的制作方法1）用氧化、光

19、刻、硼扩散、磷扩散、cvd、蒸发等工艺制作芯片。2）采用装片、烧结、键合、包封等工艺把芯片组装成管子。3晶体管的电学符号（图11） 图11a npn型 图11b pnp型 4晶体管的纵向剖面结构（图12） 图12a npn纵向结构 图12b pnp纵向结构 1-4-2 晶体管的放大原理1 晶体管的三种基本应用电路1）共基极电路（图13a） 2）共发射极电路（图13b）3）共集电极电路（图13c） 图13a 共基极电路 图13b共发射极电路 图13c共集电极电路 2 晶体管正常工作的必要条件 发射结正向偏置（输入阻抗ri小、有注入），集电结反向偏置（输出阻抗ro大、能收集电子）。基区宽度很小。发

20、射区浓度比基区浓度高得多。3 晶体管内部载流子的输运过程以npn晶体管，共发射极电路工作为例，加以说明。（见 图14） 发射区：在正向偏压下，大量的电子向基区注入（ine）进入基区后，小部分与基区空穴复合（ir）大部分扩散运动到达集电结，在反向电压的吸引下，被收集到集电区（inc）。 基区：在正向偏压下，一部分空穴向发射区注入(ipe)，一部分空穴与注入基区的电子复合（ir），另外，有少量的少数载流子电子在反向偏压作用下漂移运动进入集电区（-icbo）。 集电区：在反向偏压作用下，把到达集电结的电子收集到集电区（inc）；同时，有少量的少数载流子空穴漂移运动进入基区（icbo）。 这样，形成了

21、：ie = ine + ipeib = ipe + ir -icbo ie = ib+ icic = inc + icbo =（ine ir）+ icbo请注意：1）由于晶体管的发射区浓度比基区浓度高得多，因此，ineipe。2）由于晶体管的基区宽度很小，远小于电子的扩散长度，因此，复合电流很小，ir inc。3）晶体管集电极的反向漏电流icbo是很小的。 4）综合以上三点，就可以得到： icie，但非常接近于ie ib ic 当输入回路产生较小的电流变化ib时，就会引起输出回路较大的电流变化ic。 图14 晶体管内部载流子的输运过程 4晶体管的放大作用1）共发射极电路有电流放大、电压放大和功

22、率放大作用。 hfe=ic/ib , gv=rl/ri, gp=rl/ri (三个均为远大于1的数 )。2）共基极电路有电压放大和功率放大作用，没有电流放大作用。 =ic / ie1， 但仍有gv=rl/ri , gp=rl/ri。3）npn晶体管共发射极电路放大原理图（图15） 图15 npn晶体管共发射极电路放大原理图 4）共发射极电流放大系数 交流放大系数 =ic /ib 直流放大系数 hfe = ic / ib 5)如何提高晶体管的电流放大系数 要提高电流放大系数，必须：提高发射效率即要提高注入到基区的电子电流（ine）在总的发射极电流（ie）中的比例（也就是要减少从基区向发射区注入的

23、空穴电流ipe）必须提高发射区杂质浓度与基区杂质浓度之比。（工艺中要调节好基区和发射区的浓度） 减少电子在基区的复合必须减小基区宽度w（控制好两个结深xjc、xje）。必须提高少数载流子的寿命（材料完整性要好，工艺中要尽量减少产生二次缺陷和金属离子沾污。）1-4-3 晶体管的特性曲线1共发射极输出特性曲线 在特性曲线中可以看出：1） 当ib=0时， ic0（= iceo）2） 当ib=ib1时，ic=ib1 + iceo3） 对于某一ib=ibi，当vce=0时，ic=0。当vce电压开始增加时，集电极电流急剧增大，当vce电压增大到一定数值后，ic开始转向稳定。这一段ic增大的快慢程度，反映

24、了晶体管饱和压降的大小。1 输出特性曲线的三个工作区（见图17）可划分为三个工作区： 1）放大区 2）饱和区 3）截止区 图17 共发射极输出特性的三个工作区3 输出特性曲线的几种异常情况1）大电流特性差 （图18a） 2） 小电流特性压缩（图18b）3）饱和压降大 （图18c） 4）特性曲线倾斜（图18d）5）两段饱和特性（图18e） 6）c-e低击穿 （图18f） （图18a） （图18b） （图18c） （图18d） （图18e） （图18f） 1-4-4 晶体管的分类1按结构极性分npn和pnp型2按频率分高频（超高频、微波）：ft>3mhz低频：ft 3mhz2 按功率分大功率

25、：ptot>1w 小功率：ptot1w3 按工艺分平面、台面、台平面，-等4 按功能分放大、振荡、开关、-等1-4-5 晶体管的主要电参数1直流参数 击穿电压bvcbo、bvceo、bvebo（单位：v） 1） 测试方法在规定的测试电流下，测出两个对应电极间的击穿电压值。（一般在实际测试中，测不到真正的击穿点）。 2）bvebo的高低决定于基区的杂质浓度 3）bvcbo的高低决定于集电区的电阻率4）bvceo的高低决定于bvcbo的高低和的大小，而且有关系式：bvceo = bvcbo /（1+）1/n 反向电流 icbo、iceo、iebo（单位：a或ma)1）测试方法在规定的测试电压

26、下，测出两个对应电极间的反向电流值。2）iebo、icbo分别是发射结和集电结的反向漏电流，在正常情况下，应该是一个很小的数值（一般在na或 a数量级）。3）iceo的大小与icbo和有关iceo =（1+）icbo4）实际晶体管的反向电流大小决定于晶体管芯片p-n结表面的清洁度因此，在生产中必须加强清洗工艺。电流放大倍数hfe 1)测试方法在规定的vce、ic条件下，测出ic和ib值，然后，计算出hfe=ic/ib。 2）hfe的大小决定于硼、磷扩散的杂质浓度之比以及基区宽度的大小（在硼扩散条件不变的前提下，主要决定于磷扩散条件的控制和调试）。 饱和压降vces、vbes（单位：v）1） 测

27、试方法在规定的ic和ib条件下，测出vces、vbes。2） vces、vbes的大小决定于 放大倍数hfe的大小 材料电阻率的高低和外延层或高阻层的厚度 上下电极的欧姆接触好坏。 2 交流参数 特征频率ft（单位：mhz）1)测试方法在规定的测试频率和电压vce、电流ic条件下，在ft测试仪上测出ft。2）ft的大小决定于 基区宽度wb的大小（ wb小ft高） 发射结面积ae的大小（ae小ft高） 基区杂质浓度nbs的高低 (nbs低r大ft高) 输出电容cob (单位：pf )1)测试方法在规定的测试频率和电压vcb条件下，在cob仪上测出cob。2）cob的大小决定于 测试电压vcb的高

28、低（ vcb高 cob小） 集电结面积ac的大小 （ac小 cob小） 材料电阻率c的高低 (c 高cob小) 开关时间 td、 tr、ts、 tf（单位：s）延迟时间td，上升时间 tr，储存时间ts，下降时间tf （其中，ts和tf是两个主要的时间参数）1） ts的大小主要决定于 测试电流（ib1、ib2、ic）的大小。 基区和集电区的少子寿命（与材料缺陷、杂质、掺金量多少有关）。 外延层或高阻层厚度。 2） tf的大小主要决定于 测试电流（ib1、ib2、ic）的大小。 发射结面积和集电结面积的大小。 3 极限参数 集电极最大电流icm（单位：a）1）定义hfe下降到最大值的1/2时的集

29、电极电流值，为icm。2）提高icm的措施有 增加发射区周长和面积 降低材料电阻率 提高基区杂质浓度 最高结温 tjm 1)定义晶体管中p-n结所能承受的最高温度，叫tjm。2) tjm的大小与半导体材料的性质、电阻率有关。对硅晶体管来说，tjm=150-200。 集电极最大耗散功率ptot（pcm）1）ptot与最高结温tjm、热阻rt的关系式 ptot = tjmta / rt ptot = tjmtc / rt2)要提高ptot降低rt就要 增大芯片面积（集电结面积和周长） 减薄芯片厚度 选择合理的封装结构 改善背面金属化和烧结（粘片）工艺 第二章 晶体管制造工艺与原理 2-1典型产品工

30、艺流程2-1-1 晶体管的基本工艺流程 一次氧化一次光刻基区扩散二次光刻发射区扩散三次光刻（引线孔）蒸发四次光刻合金中测减薄背金划片后道组装成测打印包装出厂。2-1-2 典型产品的芯片工艺流程 1节能灯系列产品 三扩片（三扩、磨抛）一次（水汽）氧化一次光刻基区csd淀积二次氧化基区扩散二次光刻pocl3淀积发射区氧化扩散pgscvdhcl氧化三次光刻蒸发四次光刻n2合金n2烘焙pia光刻减薄（喷砂）背蒸中测划片。2高反压大功率系列 三扩片（三扩、磨抛）基区csd淀积（水汽）二次氧化基区扩散二次光刻pocl3淀积p+csd淀积发射区氧化扩散psgcvd氧退火三次光刻斜槽切割台面腐蚀电泳玻璃烧玻璃

31、cvd（udo+sin）四次光刻蒸发五次光刻n2合金h2处理n2烘焙喷砂背蒸（涂硅油）中测（去油）划片。3超高频大功率系列 外延片一次氧化一次光刻p+cvdp+扩散p+氧化磷吸杂湿氧氧化一次光刻ah/o合成一次光刻b基区注入基区扩散二次光刻pocl3淀积铝下cvd发射区扩散三次光刻蒸发四次光刻h2合金铝上cvd五次光刻n2烘焙中测减薄背蒸划片。 2-2晶体管制造主要工艺的作用与原理2-2-1 氧化工艺 1氧化的作用：1）p-n结表面保护（表面沾污影响器件成品率和可靠性，sio2能把p-n结表面覆盖起来，起到保护作用）。（图19a）2）掩蔽杂质扩散（sio2性能稳定，在高温下能掩蔽硼、磷等杂质的

32、扩散，从而达到选择扩散的目的。）(图19b)2氧化层的生长方法1）氧化法水汽氧化、湿氧氧化、干氧氧化、氢氧合成2） cvd法生长udo（不掺杂氧化层）3） 其它方法3氧化层厚度的测量膜厚测试仪（根据光的干涉原理）。4氧化层的质量要求 氧化层颜色均匀一致，光亮清洁。 表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔。 氧化层致密、均匀、并达到厚度要求。2-2-2 扩散工艺 1扩散的目的掺杂杂质补偿形成p-n结。 2扩散形成p-n结的过程（以npn管为例）1）硼扩散形成p型基区形成p-n结（图20a）2）磷扩散形成n型发射区形成p-n结（图20b） 3扩散方法的分类 1）液态源扩散如：pocl3扩散2）掺杂氧化

33、物源扩散如：p+cvd扩散 3）涂覆源扩散如：csd扩散、铂扩散、金扩散4）离子注入源扩散先采用离子注入方法，把杂质离子注入到硅片表面，然后，再在高温下进行退火和再扩散。 4扩散的杂质分布1）恒定表面源扩散余误差分布（一般预淀积过程属于此类）2）限定源扩散高斯分布（一般再扩散过程属于此类）5扩散的工艺参数方块电阻r 和 结深xj1）方块电阻r 的定义一个正方形的扩散薄层所具有的电阻值，就称为扩散层的方块电阻r（也叫薄层电阻）。(见图21) 图21 r 示意图 2）方块电阻的单位：/3）方块电阻的物理意义：方块电阻的大小代表了扩散层杂质总量的多少。杂质总量越多r越小；反之，杂质总量越少r就越大。

34、4）方块电阻的测试方法四探针法（图22） 图22 四探针法示意图 计算公式 r = c× v / i 其中 i1，4针之间的电流v2，3针之间的电压c修正系数（与样片形状、单面或双面扩散有关） 5）结深xj的定义从表面到pn结所在位置的距离，就叫扩散的结深。符号为xj。单位是m。（见图23） 图23 结深的示意图 6）结深xj的测量方法：磨角法（图24） 公式： xj = a× tg磨槽法（图25） 公式： xj = x y / d 其中 d（为滚筒直径）= 2r 图 24磨角法测量结深 图形 25磨槽法测结深示意6 扩散工艺条件的三要素炉温(t)、时间（t）、流量（l）以

35、及与方块电阻r 和 结深xj的关系1） 扩散工艺条件的三要素中，最主要的是炉温(t)。因为温度越高，杂质在半导体中的扩散速度越快，扩散速度的大小用扩散系数d来表示。一般温度升高10度，扩散系数d就要增加一倍左右。2） 结深xj与扩散炉温(t)、时间（t）有如下关系： xj = 5.4 (d·t)1/2 （所以，如果炉温升高10度，结深xj大约要增加1.4倍左右。） 3） 方块电阻与扩散炉温(t)、时间（t）的关系：在预淀积过程中，炉温越高，时间越长，r越小。在再扩散过程中，一般有两种情况： a)在氧气气氛中，炉温越高，时间越长，r越大。 b)在氮气气氛中，在一定的时间范围内，炉温越高

36、，时间越长，r越小。但在较长时间后，r 就趋向一定的数值。4） 气体流量（l）对r和xj的大小以及均匀性也有较大的影响。7 表面杂质浓度ns与方块电阻r、结深xj的关系1） 扩散层的平均电导率：= 1/ r·xj2） 扩散层的表面杂质浓度：ns（与衬底浓度no以及扩散方法有关）。3） 实际应用：测出r和xj计算出= 1/ r·xj根据已知的no和扩散方法查相关的曲线，得到ns。 2-2-3 离子注入工艺 1离子注入的作用掺杂形成p-n结（代替扩散或扩散的预淀积过程）。2离子注入的原理杂质原子在强电场下电离成离子，它具有极高的能量并以极高的速度运动，轰击并打入硅片表面，达到掺

37、杂的目的。3离子注入形成p-n结的过程(图26a和图26b) 4 离子注入的优点1） 均匀性好，有利于提高成品率。 2） 结深和杂质浓度都可以精确控制，有利于做浅结，而且高浓度和低浓度都可以实现。3） 没有横向扩散，有利于做细线条图形的p-n结。5 离子注入工艺条件的两大要素剂量（q）和能量（e）。 2-2-4 光刻工艺1 光刻的目的在氧化层和金属化层上刻蚀出各种图形，以便下一步进行定域扩散或引出电极。（形成图形） 2 光刻的工艺过程：（图27） 图27 光刻的工艺过程示意3光刻的原理光刻是一种照相与刻蚀相结合的综合技术。它利用光刻胶的光致化学特性，在暴光和显影后，使不暴光区域的光刻胶被去掉，

38、暴光区域的光刻胶留下来，然后，再利用化学腐蚀方法，在氧化层或金属化层上刻蚀出所需要的图形。 4光刻胶的类型 1）负性胶黑图形不暴光显影去除胶腐蚀出窗口。 2）正性胶黑图形不暴光显影留下胶腐蚀时保留氧化层。5光刻的质量要求1） 刻蚀图形完整、线条尺寸符合要求。2） 图形边缘整齐、线条陡直。3） 图形内无小岛、不染色、腐蚀干净。4） 片子氧化层上无针孔、表面清洁、不发花、没有残留物质。5） 图形套版准确。2-2-5 蒸发（真空镀膜）工艺 1蒸发的目的制作欧姆接触电极。（正面e、b电极；背面c电极）。 2蒸发的分类 1）电阻加热式蒸发 2）电子束蒸发 3）溅射 3 蒸发的原理1）电阻加热式蒸发：在真

39、空下，加热熔化金属材料，蒸发出来的蒸汽原子，在真空中直线运动，淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。2） 电子束蒸发：在真空下，具有高能量的电子束高速运动，轰击金属材料表面，使材料局部表面产生高温而熔化，并蒸发出金属原子，在真空中直线运动，淀积到硅片表面，形成一层金属薄膜。4 蒸发用的金属材料1） 正面蒸发铝、钛-铝2） 背面蒸发钒、镍、金、金锗、金锗5 影响蒸发质量的因素 1）真空度 2）清洁度 （蒸发源、真空室、片子）3)蒸发工艺条件（电压、电流、时间等）6 蒸发的质量要求1）膜厚与均匀性，2）表面质量光亮、清洁、不沾污、不发灰。3）不掉铝、掉金。2-2-6 cvd工艺 1 cvd的名字解释化

40、学气相沉积。 2 cvd的作用淀积sio2、bsg、psg、sin，作表面钝化、杂质扩散源、加厚氧化层。3 cvd的原理在一定的温度和气氛条件下，化合物产生热分解和化合反应，生成钝化层或掺杂氧化层。例如，sih4si +2 h2 si + o2sio24 cvd的分类常压cvd、 低压cvd、 等离子体cvd （apcvd） 、（lpcvd） 、（pecvd） 5 cvd的质量要求：1） 膜厚达到一定的厚度（但不开裂）2） 掺杂浓度达到r 的要求3） 表面质量颜色均匀，光亮，不发灰，无“流水”、“气泡”。2-2-7 台面工艺 1 什么是台面工艺？台面工艺有什么作用？对已经用平面工艺形成p-n结

41、的硅片，通过采用：光刻斜槽切割腐蚀的方法，使p-n结变成台面结构；然后，再通过采用：电泳玻璃烧玻璃的方法，把暴露在台面处的p-n结用玻璃保护起来。这样整个的工艺过程，就叫台面工艺。台面工艺的作用就是，形成台面，保护p-n结，提高和稳定击穿电压。 2 两种不同的台面结构正斜角和负斜角结构（图28a 、28b）3 正斜角台面结构的工艺流程 (图29) 光刻斜槽切割腐蚀电泳玻璃粉玻璃烧成 。 图29 台面成形工艺流程 4 台面工艺的质量要求1）斜槽的深度和光洁度要切透高阻层，槽面要腐蚀光洁（不要毛刺）。2）斜槽的角度要保证，台面成形要符合要求。3）玻璃的结晶状态，高度和平整度 4）清洁度2-2-8

42、三扩、磨抛工艺 1什么是三扩工艺？什么是磨抛？它们的作用是什么？通过扩散的方法，把n型硅单晶片做成n+/n/n+结构的工艺，就叫三重扩散（简称三扩）。经过三扩后的片子，通过磨片、抛光，去掉一面的n+层，而且把n层（高阻层）控制到要求的厚度，这个过程就叫磨抛。三扩磨抛的作用就是，为某些采用n/n+单晶材料生产的产品，在投料前，进行材料的制作准备，使n型单晶变成n/n+结构（n三扩后成为n+/n/n+磨抛后成为n/n+）。2 三扩磨抛的工艺过程pocl3淀积（图30a）主扩散（图30b）磨抛（30c）。3 三扩、磨抛工艺的质量要求1） 三扩的r和xj要符合制管要求，而且均匀性要好。2） 磨抛后高阻

43、层厚度要符合要求，而且平整性要好。3） 磨抛后的表面质量（光亮、无划道、扫把状等机械缺陷，位错等微缺陷要少）4） 表面清洁度要求2-2-9 清洗工艺 1 清洗的目的清洁硅片表面，去除一切有机物质和无机金属离子对硅片表面的沾污，为各道工艺过程的顺利进行，确保产品的性能和可靠性奠定基础。 2 清洗用的试剂分类 1）有机溶剂 2）酸性溶液 3）碱性溶液 4）去离子水3 二分厂现用的主要清洗剂 有机溶剂三氯乙烯 酸性溶液sh液、sc-2液、cp8、王水、hf、hcl、h2so4等。 碱性溶液ncw-601液、sc-1液、naoh、koh等。4 清洗工艺的质量要求1）去离子水的纯度电阻率12 m2） 各

44、种清洗液的配比和纯度符合工艺文件要求3） 清洗设备和工夹具的清洁度符合工艺文件要求4） 清洗的工艺条件严格按工艺文件要求进行。 2-2-10 中测、划片工艺 1 中测的目的 按产品中测程序要求，对圆片上的管芯进行检测，判别合格与否，并以打点记号加以区分。2 中测的质量要求1） 按产品中测程序进行中测2） 调准探针和中测步距，防止误测。3） 防止探针划伤芯片铝层4） 防止墨水沾污芯片表面5） 中测时要避免灯光直接照射 3 划片的目的分裂大片，形成芯片，为后道组装提供方便。 4划片的质量要求1） 要根据产品不同的工艺（背金、芯片厚度、划片槽宽度）选取合适的贴膜、刀片和进刀深度。2） 要根据芯片尺寸

45、设定划片步距。3） 防止划伤芯片表面、边缘毛刺和缺角。4） 防止表面沾污2-3 常见的工艺质量问题以及对产品质量的影响2-3-1 工艺质量问题分类 1表面问题沾污、破坏点、斑点、合金点、白雾、开裂、梅花斑-等 2内在问题r、xj偏大或偏小，低、软击穿，hfe偏大或偏小与均匀性以及其他电参数问题。 3图形问题光刻图形针孔、小岛、毛刺、钻蚀、浮胶、线条粗细、图形变形、刻不出等。 4接触问题掉金、掉铝、铝层发灰等。 2-3-2 常见的工艺质量问题举例 1氧化层厚度不均匀表现为同一片子上氧化层颜色不均匀和同一炉片子的氧化层颜色不均匀。 氧化层厚度不均匀主要会影响光刻操作，无法选择合适的腐蚀时间，影响光

46、刻图形的质量。 产生的主要原因有：氧气流量或水汽压力不均匀、炉子温度不均匀，恒温区太短等。 2氧化层、扩散层表面有“斑点”小黑点、小亮点、合金点、破坏点等。 这些“斑点”的出现，可使氧化层在这些点上对杂质不起隐蔽作用；而且突出的斑点还会影响光刻操作，引起针孔、浮胶等。在扩散窗口中的合金点、破坏点会引起局部的扩散尖峰或管道，引起低击穿、软击穿。 产生的主要原因有：硅片清洗不干净、石英管清洗不干净或剥落的石英颗粒、硅片表面本来有的亮点、硅片上有水迹未烘干、扩散源蒸汽压过高等。3 扩散层的方块电阻和结深的偏大或偏小1)产生的原因主要与扩散工艺条件选取不当、炉温偏高或偏低、扩散时间偏长或偏短有关。（在上一节扩散工艺原理中已有讲过。）2）r、xj偏大或偏小的后果使基区或发射区的杂质浓度分布发生较大的偏离，引起管子的主要电参数(hfe、ft)不符合规范要求。3）解决的办法做先行试片，调节炉温和时间，测出试