微电子器件基础- 课件全套 王颖 第1-6章 半导体物理基础-表征与测量

第一章

半导体物理基础第一章半导体物理基础1.1半导体晶格物质按导电能力分类：导体绝缘体半导体物质按物体形态分类：气体液体固体半导体材料是典型的固体材料，其导电能力介于导体和绝缘体之间。什么是半导体？半导体材料按组成成分分类：元素化合物半导体的分类？合金硅锗碳化硅磷化铟砷化镓氮化镓…Si1-xGexAlxGa1-xAs…硅是第一代半导体材料，也是应用最广泛的半导体材料。砷化镓、氮化镓、碳化硅等第二代、第三代、第四代半导体材料亦在不同领域有着广泛应用。第一章半导体物理基础1.1半导体晶格无定型（不存在长程有序）多晶（在小区域内完全有序）单晶（固体内的原子排列有序的阵列）半导体根据内部原子排列的不同，可分为三类，即无定形（非晶）、多晶和单晶。半导体的组成形态无定形（非晶）硅薄膜晶体管太阳能电池光电传感器多晶硅单晶硅金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极材料大部分器件的绝大部分组成部分主要以单晶作为讨论对象第一章半导体物理基础1.1半导体晶格每个角有1/4个原子对于单晶，晶格是用来形成其晶体结构的最小单元。晶格无须是惟一的晶格也无须是最小的注意！第一章半导体物理基础1.1半导体晶格几种常见的晶格简单立方晶格是一个等边的立方体，它的每个顶点上都有一个原子，每个顶点的原子为邻近的8个晶格所共有，因此每个晶格都只占有1/8个顶点原子。体心立方（bcc）晶格在简单立方晶格的基础上，其立方体中心有一个原子。面心立方（fcc）晶格在简单立方晶格的基础上，其晶面中心有一个原子。思考：每个简单立方晶格中存在几个原子，体心立方晶格和面心立方晶格呢？第一章半导体物理基础1.1半导体晶格典型半导体的晶体结构第一章半导体物理基础1.1半导体晶格晶面和晶向

晶列的取向称为晶向，为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量，则

第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型硅原子的电子结构示意图每个硅原子具有14个电子，其中10个电子占据着非常深的能级，并且被紧紧地束缚在原子核的周围。在化学反应或正常原子与原子间的相互作用中，这10个电子始终保持稳定的状态，这10个电子与原子核一起构成原子实。剩余的4个硅原子，其电子的束缚较弱，它们参与化学反应的能力却很强。这4个硅原子电子称为价电子，在描述原子之间的行为时，通常只考虑价电子的相互作用。第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型在价键模型中，圆圈表示半导体原子实，而线表示一个共价键的价电子（每一个原子都有8条线与之连接，不仅贡献出了4个共享的电子，而且需要接受4个从其他原子共享的电子）。价键模型是一种理想的模型，它有一定的应用范围第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型价键模型的典型应用场景第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型能带模型允带允带允带禁带禁带能级能带原子轨道(有N个能级)价键模型能够描述半导体内与空间有关的状态，在讨论半导体内与能量有关的物理量时，能带模型则变得更为重要在能带模型中，我们使用电子在某种状态时所具有的能量来描述周期性晶格势场影响下的电子。电子在周期性势场下的状态-能量关系，就称为能带结构。第一章半导体物理基础1.2半导体电子模型晶体中电子的薛定谔方程1.允带：允许电子填充的能带，称为允带。2.禁带：禁止电子填充的能量区间，称为禁带。3.空带：没有电子填充的能带，称为空带。4.满带：完全被电子填满的能带，称为满带。5.价带：价电子对应能级分裂而形成的能带，称为价带。6.导带：导带是位于价带之上第一个能带。在外电场作用下，该能带里的电子能从外电场吸收能量，从而形成电流，故称为导带。关于能带结构的基本知识第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数热平衡状态半导体是处于电中性的，这就意味着一旦带负电的电子脱离了原有的共价键位置，就会在价带中的同一位置产生一个带正电的“空状态”。随着温度的不断升高，更多的共价键被打破，越来越多的电子跃入导带，价带中也就相应产生了更多带正电的“空状态”。与之相反的过程也在同时进行，即电子也在从高能级的导带跃迁到低能级的价带，从而使导带中的电子和价带中的“空状态”减少，这一过程称为载流子的复合。在恒定温度下，这两种过程将建立动态平衡，又称为热平衡状态。第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数热平衡状态下的载流子浓度热平衡状态下的电子浓度热平衡状态下的空穴浓度热平衡状态下的本征浓度常见半导体材料本征载流子浓度随温度的变化第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数半导体中的E-k关系和有效质量真空中电子在电场作用下的运动方程晶格势场中电子在电场作用下的运动方程在半导体中我们直接把外力和加速度直接联系起来了，同时内部势场力的作用直接用描述为导带底有效质量，为正值为价带顶有效质量，为负值第一章半导体物理基础1.2本征半导体的分布函数状态密度在半导体的导带和价带中，有很多能级存在。但相邻能级的间隔很小，可以近似认为能级是连续的，因而可将能带分为一个一个能量很小的间隔来处理。假定在能带中能量范围E~E+dE内无限小的能量间隔内有个量子态，则状态密度可表示为状态密度的计算思路导带底和价带顶附近，单位能量间隔内的量子态数目gC(E）和gV(E），随电子的能量增加按抛物线关系增大，即能量越大，状态密度越大。在导带中的电子的分布，可由导带的态密度乘以1减分布函数而得在价带中的电子的分布，可由价带的态密度乘以分布函数而得第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体的掺杂掺杂是指通过控制特殊杂质原子的数量，从而有目的地提高电子或空穴的浓度。施主杂质：能够向半导体中提供多余电子，增加电子浓度的杂质受主杂质：能够向半导体中提供多余空穴，增加电子浓度的杂质第一章半导体物理基础半导体的掺杂对于施主杂质掺杂：当温度趋近于0时，所有施主都被束缚电子填满。随着温度的升高，弱束缚电子越来越多地进入导带。在室温下，几乎所有的施主杂质都被电离对于受主杂质掺杂：在低温时，所有的能级都是空的，这是因为当温度趋近0时，价带电子没有足够的能量向受主能级跃迁。随着温度的升高，热能不断地增大，促使价电子从价带跃迁到受主能级，价电子的移出使得价带中产生空穴。在室温下，基本上所有受主能级都被电子所填充。1.3载流子的运动与控制第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制掺杂半导体的载流子分布当EF在接近带隙中央时，电子和空穴的数量是相等的，表现为本征半导体。当EF位于带隙中央以上时，电子浓度大于空穴浓度，表现为n型半导体；当EF位于带隙中央以下时，空穴浓度大于电子浓度，此时表现为p型半导体。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制简并掺杂半导体在n型简并半导体中，EF和EC之间的能态大部分被电子填满，因此导带中电子的浓度非常大。同样在p型简并半导体中，EF和EV之间的能态大部分为空，因此价带中空穴的浓度也非常大。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制补偿半导体补偿半导体是指在同一区域内同时含有施主和受主杂质原子的半导体。我们可以通过向n型材料中扩散受主杂质或向p型材料中扩散施主杂质的方法来形成补偿半导体:当ND>NA时，形成n型补偿半导体；当NA>ND时，形成p型补偿半导体；当NA=ND时，形成完全补偿半导体。在器件生产过程中，补偿半导体的出现是必然的。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制掺杂半导体的漂移运动空穴的漂移电流密度空穴的漂平均漂移速度第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的主要散射机制半导体中主要有两种散射机制影响载流子的迁移率：晶格散射（声子散射）和电离杂质散射当温度高于热力学零度时，半导体晶体中的原子具有一定的热能，在其晶格位置上做无规则热振动。晶格振动破坏了理想周期性势场，固体的理想周期性势场允许电子在整个晶体中自由运动，而不会受到散射。但是热振动破坏了势函数，导致载流子电子、空穴

与振动的晶格原子发生相互作用，这种晶格散射也称为声子散射。掺入半导体的杂质原子可以控制或改变半导体的性质，室温下杂质已经电离，在电子或空穴与电离杂质之间存在库仑作用。库仑作用引起的碰撞（或散射）也会改变载流子的速度特性。晶格散射（声子散射）电离杂质散射第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制载流子的扩散运动空穴电流密度：空穴扩散电流密度：电子扩散电流密度：电子电流密度：菲克定理：对于均匀掺杂的半导体，如果非平衡载流子不均匀，同时又有外电场的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要做漂移运动第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制爱因斯坦关系迁移率反映了在电场作用下载流子运动的难易程度，扩散系数反映了在有浓度梯度时载流子运动的难易程度，两者存在着确定的数量关系。300K时Si、Ge和GaAs的迁移率和扩散系数第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的寿命在热平衡状态下，载流子会由于热激发而连续地产生，并且同时会以相同的速率复合而消失。但是在器件工作过程中，在激活区的载流子浓度与热平衡状态下不同，它们高于或低于按平衡公式（、和）得出的浓度。非平衡状态趋向于恢复到它本身的热平衡状态。在此期间，系统力求达到这样一种状态，此时注入/抽出和表面产生停止，这一时间是由非平衡载流子的寿命τ来决定的。这是一个可以调整的参数，其可以由载流子的净复合率表示，它决定了功率器件的动态和静态特性。电子和空穴的净复合率:第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制半导体中的复合机制三种复合的物理机理：①在复合中心上的复合，复合中心由深能级杂质或陷阱构成，而陷阱能级在禁带的深处；②带到带的俄歇（Auger）复合；③带到带的辐射复合。后两种机理发生在半导体晶格上，只与载流子浓度有关，而与常态的和深处的杂质浓度没有直接关系。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制带到带的辐射复合在释放的能量转移到光量子的过程中电子和空穴的直接复合，只有在直接半导体中才有高的概率。按照简单的统计，净复合率是:直接复合就是单位体积中每个电子在单位时间里都有一定的几率和空穴相遇而复合。从能带角度讲，就是导带电子直接落入价带与空穴复合，同时还存在着上述过程的逆过程，即价带电子也有一定的几率跃迁到导带中去，产生一对电子和空穴。第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制带到带的Auger复合在Auger复合中，在复合过程中释放的能量不被转移到光量子上，而是转移到第三个电子或空穴上，为了动量守恒，是需要声子参与的。所以，复合概率应该用正比于载流子浓度的一个系数来替代，因此，Auger复合率为对于硅:第一章半导体物理基础1.3载流子的运动与控制在复合中心上的复合由深能级杂质或晶格缺陷引起的禁带深能级复合是硅器件低掺杂或中等掺杂区域的主要复合机理。通过这些被称为“陷阱”的复合中心，其寿命能在一个很宽的范围内被控制，这通常在高频时用来缩短器件的开关时间和减小开关损耗。在工程实践中，通常先采用正常掺杂确定结构电导率，然后通过深能级杂质掺杂进行进一步调控。在器件的工艺史上，最初在硅中用金作为深能级杂质来控制寿命，其后许多功率器件都采用扩铂工艺，现在最主要的方法是采用电子、质子或离子辐射来产生具有深能级的晶格缺陷。第二章

半导体器件中的结与电容2.1PN结p区与n区的交界面称为冶金结PN结组成示意图平面示意图PN结的结构组成半导体材料一个区域为空穴掺杂的p型，相邻区域为电子掺杂的n型，形成PN结2.1PN结平面工艺与缓变结为了方便分析，采用剖面图并旋转90度，采用一维方式显示杂质分布平面工艺中的“选择性掺杂”：原始材料氧化光刻掺杂2.1PN结扩散电流空穴扩散流→←电子扩散流-Q+QE电子漂移流→←空穴漂移流P区和N区接触存在浓度差→扩散（复合）→出现空间电荷区→形成自建电场→漂移运动和扩散运动抵消→达到动态平衡载流子浓度半对数坐标载流子浓度线性坐标平衡PN结载流子浓度分布2.1PN结平衡PN结能带结构费米能级是电子填充能级水平的标志，当两块半导体结合形成PN结时，电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从P区流向N区，直到费米能级处处相等，PN结处于平衡状态。2.1PN结平衡PN结电位分布耗尽区电场的形成由正电荷和负电荷相互分离所致，对于突变结，空间电荷为均匀分布，电场分布为线性分布2.1PN结耗尽层1.耗尽层（1）耗尽层的含义：冶金结附近局部区域，载流子浓度远小于离化杂质浓度，就对空间电荷贡献而言，可以忽略载流子的作用，称为载流子“耗尽”。-Q+Q载流子“耗尽”的区与称为耗尽层2.1PN结耗尽层1.耗尽层（2）耗尽层近似：（a）耗尽层有确定的边界，分别记为-xp和xn（取冶金结处为坐标原点x=0）-Q+Q则耗尽层宽度W0=(xn+xp)（b）耗尽层范围内，n=p=0，耗尽层范围外，载流子维持原来浓度不变。2.1PN结空间电荷区-突变结（1）突变结空间电荷密度分布为：-Q+Q电中性条件：qNaxp=qNdxn2.1PN结空间电荷区-单边突变结（2）单边突变结若Nd>>Na

，则xn<<xp-Q+Q若突变结一侧掺杂浓度远大于另一侧，则称为单边突变结W0=(xn+xp)≈xp，耗尽层宽度主要在轻掺杂一侧电中性条件：qNaxp=qNdxn2.1PN结空间电荷区-内建电势与势垒区（1）内建电场：空间电荷区离化杂质电荷形成从n区指向p区的电场，称为内建电场。-Q+Q（2）内建电势：与自建电场对应由n区高于p区的电位分布n区与p区的电位差称为内建电势，记为Vbi2.1PN结空间电荷区-内建电势与势垒区（3）势垒区：电势的存在，对多子向对方移动形成“势垒”-Q+Q结论：平衡pn结的冶金结附近形成耗尽层，又称为空间电荷区，或者叫势垒区pn结的各种特性，如单向导电性、交流特性、击穿电压等均与这一区域密切相关。E2.1PN结正偏情况，Va>0，则W<W0

，耗尽层变窄。反偏情况，耗尽层变宽。随着反偏电压绝对值增加，W近似与反偏电压绝对值的开方成正比。平衡PN结耗尽层宽度2.1PN结PN结少子连续性方程及边界条件直流情况下，近似的少子连续性方程：少子空穴的净产生率：少子只考虑扩散电流：或者扩散长度扩散系数结合少子边界条件：势垒边界处载流子浓度：P区与势垒区边界N区与势垒区边界p区和n区端点处少子浓度:长二极管近似：在n区端点处，不存在非平衡少子空穴，该处空穴保持为平衡浓度pn0；在p区端点处，不存在非平衡少子电子，该处电子保持为平衡浓度np02.1PN结I-V特性求解N区P区N区少子空穴分布：求解常微分方程代入扩散电流公式N区少子空穴扩散电流密度：P区少子电子扩散电流密度：同理可得空穴和电子扩散电流之和即为总电流2.1PN结PN结单向导电性2.2异质结异质结的组成

两种不同禁带宽度的半导体接触以后，由于费米能级不同而产生电荷的转移，直到将费米能级拉平。电子和空穴的转移形成空间电荷区，内建电场的作用使能带发生弯曲；因禁带宽度不同，而产生了尖峰。未组成异质结前半导体能带图理想pN突变异质结的能带图2.2异质结异质结分类

反型异质结导电类型相反的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如p型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。同型异质结导电类型相同的两种不同半导体单晶材料所形成的异质结，如n型Ge与n型GaAs所形成的反型异质结。异质结的其它分类方法：突变异质结从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（）。缓变异质结过渡发生于几个扩散长度范围内。2.2异质结二维电子气如果三维固体中电子在某一个方向上的运动受到阻挡，被局限于一个很小的范围内,那么,电子就只能在另外两个方向上自由运动,这种具有两个自由度的电子就称为二维电子气（2-DEG）。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，即形成了（2-DEG）。特点：电子（或空穴）在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制。2.2异质结典型二维电子气在MOS结构中，半导体表面反型层中的电子可看成是典型的二维电子气。反型层中的电子在垂直于层面方向被限制在一个小于100Å的尺度内运动，而在平行于层面方向可以自由地运动。反型层中的2-DEG结构2.3金属-半导体结整流接触设有一金属和一N型半导体，它们未接触前，能带图如图(a)所示，并假设有qφm>qφx。当它们紧密接触以后，所形成的能带图如图(b)所示，并产生一势垒，称其为肖特基势垒。2.3金属-半导体结欧姆接触与整流接触不同，欧姆接触的半导体表面没有形成耗尽层，而形成的是多子的积累层。欧姆接触中的半导体应该是重掺杂的，这样即使半导体表面形成了耗尽层，其宽度也是很小的，使载流子能够容易地通过隧穿通过金属-半导体结。2.4pn结电容扩散电容扩散电容的定性分析（以正偏为例）N区中正负电荷随结偏压变化t=0：在直流偏置V0作用下，n区出现过剩少子空穴δpn(x)，对应n区出现正电荷+△Q0t=t1

：正偏电压Va↑导致pn(x=0)↑，n

区少子空穴分布随之发生变化导致n

区少子空穴正电荷增加t=t2

：正偏电压Va↓导致pn(x=0)↓n

区少子空穴分布随之发生变化2.4pn结电容势垒电容2.4pn结电容交流小信号数学模型交流小信号少子连续性方程：交流小信号势垒处边界条件：交流小信号PN结端点处边界条件：以N区少子电子为例求解常微分方程交流小信号少子分布：2.4pn结电容流过PN结交流分量：PN结等效交流导纳：微分电导，或称为扩散电导称为微分电容PN结等效交流导纳2.5MOS电容理想MOS电容结构绝缘层是理想的，不存在任何电荷，

绝对不导电；2.半导体足够厚（几百um），不管加什么栅电压，在到达接触点之前总有一个零电场区（硅体区）3.绝缘层与半导体界面处不存在界面陷阱电荷；4.金属与半导体之间不存在功函数差。2.5MOS电容MOS电容-累积态

负栅压——

多子积累状态

积累层相当于栅氧化层电容(COX)的下极板

金属一侧积累负电荷，半导体一侧感应等量正电荷（多子空穴）

外栅压产生从半导体指向金属的电场E

E作用下，体内多子顺E方向被吸引到S表面积累，形成空穴积累层

能带变化能带上弯，空穴在表面堆积，浓度大负栅压2.5MOS电容MOS电容-平带状态零栅压—平带状态理想MOS电容：绝缘层是理想的，不存在任何电荷；Si和SiO2界面处不存在界面陷阱电荷；金半功函数差为0。系统热平衡态，能带平，表面净电荷为02.5MOS电容MOS电容-耗尽状态金属极板积累正电荷，

S表面感应出等量负电荷（受主离子Na-

）

电场作用下，表面多子被耗尽，留下带负电的受主离子Na-

，不可动，

受半导体浓度Na

的限制，形

成一定厚度的负空间电荷区xd（1um左右）

能带变化：

P衬表面正空穴耗尽，浓度下降，

能带下弯

xd

：空间电荷区（耗尽层、势垒区）的宽度小的正栅压

小的正栅压——

多子耗尽状态2.5MOS电容MOS电容-耗尽状态

正栅压↑

,

增大的电场使更多的多子耗尽，

xd

↑,能带下弯增加

EFi

EF

EFi=

EF

，半导体表面处于本征态2.5MOS电容MOS电容-耗尽状态正VG

↑,能带下弯程度↑,表面

EFi

到

EF下，表面导电类型由p变n型

栅压增加，更多的多子被耗尽，P衬表面Na-增多，耗尽层展宽直至xdT

P衬体内热运动产生可动电子，被大的E吸引到表面，表面少子电子积累

少子电子特点：可导电，形成反型层(几个nm)

，可作为MOSFET沟道

栅压↑,反型层电荷数增加，反型层电导受栅压（电场）调制大的正栅压情形

注：

MOSFET沟道反型层电荷来源非衬底少子，而是源漏区多子

大的正栅压——反型状态XdT2.5MOS电容P衬底MOS电容表面电子状态累积状态耗尽状态本征状态反型状态2.5MOS电容MOS电容表面电子状态理想P衬MOS电容，

P衬表面随栅压变化的规律：理想n衬MOS电容，

n衬表面随栅压变化的规律：n型(反型层+耗尽层)2.5MOS电容电容定义

dQ`m/dVox=COX,表征金属为上极板，氧化层为介质层的平板电容>

栅氧化层电容，

单位面积电容Cox

=

εox/tox

,定值

-dQ`s/dΦs

=C`s,表征半导体电容，>

负号表示Φs与Qs极性相反，>半导体表面状态不同，电荷Q`s

随Φs

的变化率不同，

C`s

为可变电容D

MOS电容C`=Cox与Cs`的串联

器件电容定义:小信号电容C=

MOS电容C`=dQ`/dVCoxCs`2.5MOS电容理想MOS电容的C-V特性

测量电源：

MOS外加栅压，在变化缓慢的直流电压上叠加一交流小信号电压

直流电压VG

：缓慢增加使MOS先后处于堆积、平带、耗尽、反型几种状态

交流小信号电压vg

：幅值比较小，不改变半导体的状态，使栅压变化dVg测每种状态下的交流电流，计算电容大小

P衬MOS电容的C-V特性测试曲线第三章

双极型晶体管3.1结构与工作原理双极型晶体管的基本概念适用的BJT结构需满足两个条件基区宽度远小于基区少子扩散长度:xB<<LB。发射区掺杂浓度远大于基区远大于集电区：NE>>NB>>NC。BJT由两个背靠背的pn结构成。晶体管三个区域分别称为发射区、基区和集电区。晶体管三个引出端分别称为发射极、基极和集电极。3.1结构与工作原理双极型晶体管的工作状态BJT的四种偏置状态BJT包含两个pn结，一共有四种偏置状态。(1)正向放大：发射结正偏，集电结反偏。(2)反向放大：发射结反偏，集电结正偏。(3)饱和：发射结正偏，集电结正偏。(4)截止：发射结反偏，集电结反偏。放大电路中主要采用正向放大。3.1结构与工作原理双极型晶体管的静电特性BJT可以视为由两个独立的pn结构成，所以建立的pn结静电特性（内建电势、电荷密度、电场、静电势和耗尽区宽度）可以不用修改地分别应用到E-B结和C-B结上。3.1结构与工作原理BJT中的载流子传输发射极电流：IE=InE+IpEBJT电流组成基极电流：IB=IpE+IRB-ICBO集电极电流：IC=InC+ICBOInE：发射结正偏，从发射区向基区注入的电子电流IpE：发射结正偏，从基区向发射区注入的空穴电流IRB：基区中电子和空穴的复合电流ICBO：集电结反偏，集电结的反向饱和电流InC：集电结反偏，到达集电结势垒区边界处的电子，在反向偏压作用下被扫进集电区的电子电流名词解释：3.1结构与工作原理BJT共基极放大系数共基极放大系数：共基极连接方式下，发射极是输入端，集电极是输出端端电流组成：共基极放大系数另一种表达方式：称为基区注入效率称为基区输运系数注入效率描述在输入电流中注入到基区的那一部分所占的比例。基区输运系数是注入到基区的电流中顺利通过基区的那一部分所占的比例。3.1结构与工作原理BJT共基极放大系数定量表达式称为基区注入效率称为基区输运系数定量表达式定量表达式求解少子连续性方程GB、GE为Gummel数，表示基区和发射区的掺杂总数3.1结构与工作原理BJT共发射极放大系数共发射极连接方式下，基极是输入端，集电极是输出端共基极放大系数：端电流组成：β0是发射极电流IE中传输到输出端的那部分InC与不能传输到输出端而成为IB电流的那部分(IpE+IRB)之比。ICEO是IB=0(即输入端B极开路Open)情况下流过输出端（即CE之间）的电流3.1结构与工作原理BJT共发射极放大系数定量表达式G3.2稳态响应BJT共基极特性曲线

共基极输入特性曲线实际就是正向PN结的特性曲线，由于基区宽变效应，输入特性曲线随UCB增大而右移共基极输出特性曲线3.2稳态响应BJT共发射极特性曲线

输入特性曲线与正向PN结伏安特性相似。当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，特性曲线随VCE的增加而右移。3.2稳态响应BJT击穿特性当基极开路时，CE之间的击穿电压为显然，基极开路时，击穿电压远小于基区正向放大偏置击穿电压BVCBO基区开路击穿基区穿通现象3.2稳态响应BJT基区串联电阻及自偏压效应A处：(V

be)aA=(V

be)app-[(RCon)B+RB2)]上压降B处：(V

be)aB=(V

be)aA

-(RB1)A上压降C处：(V

be)aC=(V

be)aB

-(RB1)B上压降D处：(V

be)aD=(V

be)aC

-(RB1)C上压降结论：(V

be)aD<(V

be)aC<(V

be)aB<(V

be)aA<(V

be)app由于RB上压降的影响，

不但结上电压小于(V

be)app

，而且结面上不同位置处结电压不同。距基极条越远，结电压(Vbe)a越小。这一现象称为基区自偏压效应。3.2稳态响应BJT基区串联电阻及自偏压效应

对于大功率晶体管来说，通常基极电流比较大，所以基极横向压降比较大。因此，发射极电流集边现象就更为显著。由于电流集边效应会使晶体管发射结有效面积变小，从而使得在较小的发射极电流下，通过集电区的电流密度就有可能达到了临界电流密度，出现电流放大系数和特征频率下降的现象。克服集边效应的关键在于减小发射结下面的基区（内基区）电阻。发射极单位周长的电容量发射极有效半宽度3.2频率响应交流小信号增益实验和理论分析均表明，随着工作频率的提升，BJT的交流小信号增益α和β均下降BJT的交流小信号增益α和β随频率变化表达式：3.3频率响应交流小信号传输过程发射结势垒电容发射结串联电阻基区少子扩散系数基区宽度集电结势垒区漂移速度集电结势垒区宽度集电结势垒电容集电结串联电阻3.3频率响应特征频率综合考虑不同因素对BJT其他特性参数的影响，提高特征频率的有效途径是(a)减小基区宽度xb(b)减小发射结的结面积Ae(c)减小集电结的结面积AC如何尽量减小发射结的结面积Ae和集电结的结面积AC是BJT版图设计中必须考虑的一条基本准则。3.4开关特性BJT开关波形分析过程抓住两点：1）发射结、集电结势垒电容充放电情况，两个结的偏置情况。2）基区、集电区电荷储存情况。1）延迟时间2）上升时间3）储存时间4）下降时间3.4开关特性BJT开关过程-关断到导通3.4开关特性BJT开关过程-导通到关断第四章

MOS场效应晶体管4.1结构与工作原理MOSFET和BJT的对比双极型晶体管(BJT)场效应晶体管（MOSFET）4.1结构与工作原理MOSFET和BJT的对比工艺要求低求4.1结构与工作原理MOS电容基本结构

金属和半导体分别引出电极，

形成双端MOS器件---MOS电容

金属电极：对应MOSFET的栅电极，

MOS结构所加电压也称为栅电压栅电压正负：金属相对于半导体Al或高掺杂的多

晶硅（poly-Si）氧化层介电常数n型硅或p型硅掺杂浓度NSiO2氧化层厚度4.1结构与工作原理MOSFET类型-n沟道

VTN>0

VTN<0

加栅压VGS>VTN,沟道开启

加栅压VGS<VTN,

沟道关闭

四种MOS晶体管:

N沟增强型；N沟耗尽型；

P沟增强型；P沟耗尽型4.1结构与工作原理MOSFET类型-p沟道

p沟耗尽型MOSFET

零栅压时存在反型沟道

VTP>0

加栅压VGS>VTP,

沟道关闭

p沟增强型MOSFET

零栅压时不存在反型沟道

VTP<0

加栅压VGS<VTP,

沟道开启

四种MOS晶体管:

N沟增强型；N沟耗尽型；

P沟增强型；P沟耗尽型4.1结构与工作原理四种MOSFET特性比较4.2阈值电压MOS电势

费米势：禁带中心能级(EFi)与费米能级(EF)之差的电势表示，

φf

(φfp

,φfn

)

表面势

：半导体表面电势与体内电势之差，体内EFi和表面EFi之差的电势表示，

φsφS

=

e

[EFi

(体内)

-

EFi（表面）]

可正可负

表面势是横跨空间电荷区的电势差：体内能带平，等电势区

空间电荷区和体内比：能带有弯曲，和体内比电子势能不同，即电势不同P型衬底1

阈值反型点：

表面势=

2倍费米势，

衬底表面处反型载流子浓度=体内多子浓度

阈值电压：

使半导体表面达到阈值反型点时的栅电压4.2阈值电压表面势与电学状态的关系s增加4.2阈值电压功函数

功函数：起始能量等于EF

的电子，

由材料内部（EF

）逸出体外到真空（E0

）所需最小能量。

金半功函数差（电势表示）硅的电子亲和能

金属的费米能级

硅的费米能级

真空能级

4.2阈值电压表面势与电学状态的关系

MOS紧密接触，假设有外部导线连接M和S,MOS成为统一的电子系统

0栅压下热平衡状态的能带图？

MOS成为统一系统，

0栅压下热平衡状态有统一的EF

SiO2

的能带倾斜

半导体一侧能带弯曲

变化原因：金属半导体Φms不为0

条件：零栅压，热平衡4.2阈值电压

半导体表面达到阈值反型点时所需的栅压VG

，

记为VT

VTN

，

VTP

，下标N/P指的是反型沟道的导电类型

强反型半导体表面，导电能力强，可作为MOSFET沟道

VG≥VTN：Φs≥2Φfp

，衬底表面强反型，

沟道形成，器件导通

VG<VTN：

Φs<2Φfp

，衬底表面未强反型，

沟道未形成，器件截止

阈值电压(ThresholdVoltage)：阈值电压定义4.2阈值电压阈值电压影响因素

VTN越小越好，可减小工作电压，降低功耗

不能太小，否则器件的开和关不好控制

VTN的影响因素：

COX

、

Q`SS

、

ΦmS

、

Na阈值电压VTN

=

－

＋2φfp

+

φms

VTN是MOSFET强反型沟道是否存在的临界电压，决定器件的开和关mS4.2阈值电压阈值电压影响因素COX越大，则VTN越小；COX越大，同样VG在半导体表面感应的电荷越多，阈值反型点时（负电荷总量不变）

所需VG越小，

VTN小，易反型45nm工艺前，减薄栅氧化层厚度，

65nm工艺栅氧厚1.2nm;45nm工艺后，选择介电常数大的绝缘介质，

HfO2

(SiO2

的6倍)COX提高途径：

Cox

=

|Q'SDmax|>>Q'ss

COX影响：4.2阈值电压阈值电压影响因素

Q

`SS影响：

Q

`SS越大，则VTN越小；

Q

`SS越大，其在半导体表面感应出的负电荷越多，阈值反型点时需VG感应出的负电荷越少，

VTN越小，易反型

注意：

Q

`SS对VT影响的大小与衬底掺杂浓度有关

，Na越大，

Q

`SS

的影响越小。4.2阈值电压阈值电压影响因素阈值反型点时需VG产生的负电荷越少，

所需VG越小，

VTN越小

P衬(n沟)配N+多晶硅栅

N+栅：

φms

＜0

电子从栅往半导体转移，表面能带下弯，易形成电子反型层越负，则VTN越小；越负，金属往半导体表面转移的负电荷越多，

φms

影响：φmsφms

4.3稳态响应沟道电荷来源

VGS越正，半导体表面的ΦS越正，源和半导体表面的势垒高度降低源区电子到达沟道区的几率越大

φs

≥

2φfp

：势垒足够低源区电子到达沟道区的多，形成反型沟道MOSFET反型层电子来源于源区多子MOS电容：反型层电子来源于衬底热运动少子

数量少，需要时间4.3稳态响应VGS的作用

MOSFET在VGS控制下可实现开关作用和放大作用

VGS

<VT

，半导体表面非强反型，

VGS

≥VT

，半导体表面强反型，沟沟道不存在，器件截止，

ID

≈0

道存在，器件导通，

ID

随VDS变化

VGS

越大，沟道载流子越多,

沟道

开关作用：

电导增加，ID增加。

VGS

控制器件在导通和截止间转换

放大作用：

ΔVGS

ΔID

MOSFET电压控制器件：VGS通过栅电容COX控制器件沟道的电导，从而控制沟道电流ID4.3稳态响应线性区

VDS

＜

＜

VGS-

VT,

VDS对Vox的抵消作用可忽略，→沟厚不等的现象可忽略，

反型层和耗尽层近似均匀Rch

=

P

→沟道等效电阻Rch不变→ID

∝

VDS

（线性区）VGS

>VTN

的某常数时，

ID

随VDS

的变化曲线输出特性曲线-线性区4.3稳态响应输出特性曲线-过渡区

脱离线性区后，

VDS

↑,

VDS对Vox的抵消作用不可忽略→

VDS造成的沟厚从源到漏越来越薄，沟道横截面A越来越小→ID

随VDS

的增长率减小（过渡区）→沟道等效电阻Rch增加=

PRch4.3稳态响应

饱和点：VGD

=

VGS

-VDS

=VT

→漏端处于临界强反型点

→漏端沟道刚好消失

→漏端反型电荷面密度≈0DS

DS(sat),

D

D(sat)

临界强反型点：

沟道夹断点(x)>

→

VGx

=VT>

→

VxS=VGS-VT=VDS(sat)

器件预夹断，

V=V

I

=

I

VDS(sat)

=

VGS

-

VT输出特性曲线-饱和点4.3稳态响应输出特性曲线-饱和区

VDS>VDS(sat)，原沟道L=反型沟道L`+夹断区ΔL=L-L`,电流夹断了吗？

（VDS-VDS(sat)

）在夹断区ΔL上产生横向电场，

电场方向

反型沟道区：可导电，有电势差VDS(sat)

，电子漂移到夹断点

漂移到夹断点的电子，在夹断区电场作用下被扫向漏极，形成ID

整个器件的电流仍存在，

大小？

由导电沟道区决定

饱和区4.3稳态响应转移特性曲线

转移特性曲线：

VDS

为>0的某常数时，

ID

随VGS

的变化曲线

VGS

越大，

ID越大沟道载流子越多，

RCH越小，相同VDS

下，

ID越大

工作区不同，电流随栅压的依赖关系不同

线性区：

ID

∝

VGS

饱和区：

ID

∝(VGS-

VT)2

NMOSFETVGS4.3频率响应分析电路频率特性的一般方法

为准确预测设计的电路性能，

需利用电路仿真软件对电路仿真验证

常用的电路仿真软件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE

仿真：围绕器件建立电路的IV关系，数学求解

电路中元器件要用模型和模型参数来替代真正的器件

能正确反映元器件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解

模型：器件特性的定量表达式

，可采用数学表达式、等效电路等形式

常用模型：等效电路模型（行为级模型）

模型参数：描述等效电路中各元件值4.3频率响应交流小信号跨导与漏极输出电阻

ΩS、mS或Ω-1单位表达式定义式rdsgm符号漏极输出电阻跨导参数名称②①序号跨导是MOSFET的转移特性曲线的斜率，它反映了MOSFET的栅源电压VGS对漏极电流ID的控制能力，所以反映了MOSFET的增益。4.3频率响应“黑箱”模型

等效电路模型建立方法：

首先通过器件物理分析确定器件等效电路模型的具体形式，

从代工厂获得MOSFET器件样品

再把器件看成一个“黑箱”，

测试其端点的电学特性从测试数据提取器件模型参数，

得到一等效电路模型代替相应器件

模型参数是根据代工厂工艺线制备的器件提取

生产工艺线不同，器件模型参数不同

代工厂不同，器件模型参数也不同4.3频率响应交流小信号等效电路及Y参数4.3频率响应N沟道MOSFET中的Cgd和Cgsn沟道MOSFET中的Cgdn沟道MOSFET中的Cgs当VDS=0时：当VDS=V‘GS，即饱和时：4.3频率响应最高工作频率和最高震荡频率-定义定义：使最大输出电流与输入电流相等，即最大电流增益下降到1时的频率，称为最高工作频率，记为fT

。当输出端短路时，能够得到最大输出电流。最大输出电流将随频率的提高而下降。当输出端实现共轭匹配，即RL

=rds时，能够得到最大输出功率。最大输出功率将随频率的提高而下降。定义：使最大功率增益Kpmax下降到1时的频率，称为最高振荡频率，记为fM

。4.3频率响应最高工作频率

当输出端短路时，根据最高工作频率

fT的定义，可得

当忽略寄生电容

C

gs

和

C

gd

时，得本征最高工作频率为

4.3频率响应最高震荡频率提高fM

的主要措施是提高fＴ，即缩短沟道长度

L，并提高rds，即降低有效沟道长度调制效应。

考虑到寄生参数后，Kpmax

和

fM

会比上式低一些。

根据最高振荡频率fM的定义，可得第五章

现代半导体器件5.1Si基场效应晶体管栅材料的变化铝栅MOS多晶硅栅MOS金属硅化物与多晶硅层叠栅金属栅5.1Si基场效应晶体管高K栅MOSFETMOSFET最初的栅氧化层介质：

SiO265nm特征尺寸：

SiO2厚度=1.2nm45nm工艺：若采用SiO2

，需再减薄→

隧穿电流非常严重HK（高介电常数）介质材料取代了SiO2

典型的HK材料：

HfO2，相对介电常数24，是SiO2

的6倍(εH/

εL=6）6nm厚的HfO2产生的电容(εH/tH=6εL/6tL

）相当于1nm厚的SiO2

(εL/tL）

同电容大小要求下，高K材料厚度厚，

漏电小与HK介质对应的栅为TiN、W等金属栅5.1Si基场效应晶体管多晶硅栅MOS晶体管与高K栅MOS晶体管结构的比较5.1Si基场效应晶体管SOIMOSFET

FD-SOI晶体管(FullDepletionSilicon-On-Insulator)

在28nm节点开始采用

器件做在SiO2埋层上的超薄Si层上，硅膜(p/n区)厚在栅长的1/4左右

硅膜非常薄，

沟道厚度小，器件关闭时栅压控制下可完全耗尽

栅压可有效控制沟道，

减小亚阈值电流

SiO2埋层：可减少寄生电容，提高晶体管工作速度5.1Si基场效应晶体管SOIMOSFET结构简化SOIMOSFET结构图在20世纪60年代，最早出现了使用蓝宝石作为衬底的外延硅（SOS，SiliconOnSapphire）技术，然后在硅膜上制造MOSFET，这可以看作SOIMOSFET的雏形。然而，由于硅与二氧化硅系统具有更佳的界面特性、机械性能和热稳定性，因此随着SOI基片制造技术的不断成熟，如注氧隔离技术（SI-MOX，SeparationbyIMplantedOXygen），现在通常采用二氧化硅作为硅膜下的绝缘层。5.1Si基场效应晶体管SOIMOSFET能带图对于体硅MOS，当中性体区没有接地而处于悬浮状态，并且漏电流较大时，就会出现浮体效应5.1Si基场效应晶体管SOIMOSFET转移特性SOIMOSFET的特征长度不仅可以通过减小栅氧化层厚度来降低，还可以通过减小硅膜厚度来降低。也就是说，可以通过采用超薄硅膜来减小短沟道效应，降低关态泄漏电流，从而降低对栅氧化层厚度减小的限制，这也是薄膜SOI器件的一大优势。SOIMOS器件转移特性与硅膜厚度及漏电压的关系曲线5.1Si基场效应晶体管FinFET

FinFET:鳍型场效应晶体管，也称3栅晶体管

22nm节点开始采用

沟道区域凸起，被三面栅极包裹，成鳍状

每一栅都控制硅表面的一部分，三个栅电极都用来控制沟道电流

栅对沟道的静电控制增强，抑制短沟道效应5.1Si基场效应晶体管GAAFET

环绕式栅极技术

(gate-all-around，简称GAA)技术

三星3nm节点开始采用

环栅→使得栅极与沟道之间的接触面积更大

栅对沟道的静电控制增强，更好地抑制短沟道效应5.1Si基场效应晶体管平面体硅MOSFET结构和FinFET结构比较5.1Si基场效应晶体管多栅结构特征长度特征长度减小，使得电子势垒高度增大、厚度增大、关态泄漏电流减小5.1Si基场效应晶体管按比例缩小-发展方向尺寸缩小好处：单管尺寸减小提高集成度：同样功能所需芯片面积更小提升功能：同样面积可实现更多功能降低成本：单管成本降低改善性能：器件和互连电容减小→

电路延时减小→速度加快；电容和电源电压减小→器件的功耗降低若尺寸缩小30％，则•栅延迟减少30%,工作频率增加43%•单位面积的晶体管数目加倍•每次切换所需能量减少65%•节省功耗50%按比例缩小的约束条件：关态电流要保证足够低尽可能减小短沟道效应保证电路的可靠性5.1Si基场效应晶体管按比例缩小-缩小方式恒场按比例缩小(ConstantElectrical完全按比例缩小FullScaling)

尺寸（水平尺寸和垂直尺寸）

与电压按同样比例缩小

电场强度保持不变

最为理想，但难以实现一些和材料密切相关的参数，

如VT不能按比例缩小恒压按比例缩小(ConstantVoltage

：FixedVoltageScaling)

尺寸按比例缩小，电压保持不变

L>1um,保持标准的5V电源电压

电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重一般化按比例缩小(GeneralScaling)

尺寸和电场按不同的比例因子缩小5.1Si基场效应晶体管U-MOSFETU-MOSFET结构20世纪80年代后期，硅刻槽技术迎来了重大发展，主要是由于其在制造DRAM芯片中电荷存储电容方面的广泛应用。随后，功率半导体领域也采用了这一技术，用于开发槽形栅或U-MOSFET结构。如图5-23所示，在这种结构中，槽从晶体管的表面穿过源区，经过p型基区，一直延伸至n型漂移区。在槽的底部和侧壁进行热氧化后，栅氧化层形成于槽内，进而形成栅极5.1Si基场效应晶体管U-MOSFET当栅极不加偏压、漏极加正偏压时，U-MOSFET结构可以承受高压。此时，p型基区与n型漂移区构成的结反偏，电压主要由厚的轻掺杂n型漂移区承担。既然在阻断模式下栅极处于零电位，栅氧内也产生一高电场，为避免由槽栅拐角处栅氧的强电场引发的可靠性问题，通常需要圆化槽栅底部结构。当栅极施加正偏压时，在U-MOSFET结构中，漏极电流开始形成。这时，在槽栅的纵向侧壁上形成了p型基区表面的反型层沟道。当漏极也施加正偏压时，这个反型层沟道为电子提供了一条从源区流向漏区的传输通道。电子从源区穿越沟道后，进入了槽栅底部的n型漂移区。随后，电流在整个单元横截面内扩散传播。这种结构的内部电阻降低为U-MOSFET器件在20世纪90年代的发展提供了机遇。5.2非Si基场效应晶体管SiC的优势Si基和SiC基电力电子器件的额定截止电压的对比4H-SiC半导体材料的物理特性主要有以下优点：（1）SiC的禁带宽度大，是Si的3倍、GaAs的2倍；（2）SiC的击穿电场强度高，是Si的10倍、GaAs的7倍；（3）SiC的电子饱和漂移速率高，是Si及GaAs的2倍；（4）SiC的热导率高，是Si的3倍、GaAs的10倍。SiC基电力电子器件与Si基电力电子器件相比：（1）具有更高的额定电压。（2）具有更低的导通电阻。（3）具有更高的开关频率。5.2非Si基场效应晶体管SiC器件的发展历程5.2非Si基场效应晶体管SiCMOSFET功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高开关速度、低导通电阻和高稳定性，在Si基电力电子器件中，功率MOSFET获得了巨大成功。同样，SiCMOSFET也是最受瞩目的SiC基电力电子器件之一。Wolfspeed公司的水平沟道结构的SiCMOSFETROHM公司的双沟槽结构的SiCMOSFET5.2非Si基场效应晶体管SiCMOSFET全Si模块、混合Si/SiC模块和全SiC模块的损耗对比5.2非Si基场效应晶体管HEMT器件HEMT是通过栅极下面的肖特基势垒来控制GaAs/AlGaAs异质结的2-DEG的浓度而实现控制电流的。由于肖特基势垒的作用和电子向未掺杂的GaAs层转移，栅极下面的N型AlGaAs层将被完全耗尽。转移到未掺杂GaAs层中的电子在异质结的三角形势阱中即该层表面约10nm范围内形成2-DEG；这些2-DEG与处在AlGaAs层中的杂质中心在空间上是分离的，不受电离杂质散射的影响，所以迁移率较高。5.2非Si基场效应晶体管HEMT器件栅电压可以控制三角型势阱的深度和宽度，从而可以改变2-DEG的浓度，以达到控制HEMT电流的目的。属于耗尽型工作模式。减薄N型AlGaAs层的厚度，或减小该层的浓度，那么在Schottky势垒的作用下，三角型势阱中的电子将被全部吸干，在栅电压为零时尚不足以在未掺杂的AlGaAs层中形成2-DEG，只有当栅电压为正时才能形成2-DEG，则这时的HEMT属于增强型工作模式。N型AlxGa1-xAs层的厚度越小，可降低串联电阻，但太小会产生寄生沟道，通常取35~60nm。N型AlxGa1-xAs层的组分x越大，禁带宽度越大，导带突变增大，可增大2-DEG浓度，但组分x太大时，晶体的缺陷增加，一般取x=0.3。5.2非Si基场效应晶体管HEMT器件如果AlGaAs/GaAs异质结中存在缓变层，缓变层厚度WGR的增大将使2-DEG的势阱增宽，使势阱中电子的子能带降低，从而确定的Fermi能级下，2-DEG的浓度增大；但是，WGR的增大，使异质结的高度降低，又将使2-DEG的浓度减小。WGRGaAsE2E1EFN-AlGaAs5.2非Si基场效应晶体管HEMT器件存在一个最佳的缓变层厚度，使2-DEG的浓度最大。对于不存在隔离层N-Al0.37Ga0.63As/GaAs异质结，计算给出2-DEG的浓度ns与AlGaAs中掺杂浓度ND和缓变层厚度WGR的关系如下所示。5.2非Si基场效应晶体管GaNHEMT氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）首次亮相是在2004年，是由日本的Eudyna公司制造的耗尽型射频晶体管。这种GaNHEMT采用碳化硅（SiC）衬底，专为射频应用而设计。HEMT结构最早于1975年由T.Mimura等人首次报道，而在1994年，M.A.Khan等研究人员的工作揭示了在AlGaN和GaN异质结界面存在异常高浓度的二维电子气。借助这一发现，Eudyna公司能够在千兆赫兹级的频率范围内实现出色的功率增益。2005年，Nitronex公司推出了采用SIGANTICR技术在硅衬底上生长的第一款耗尽型射频GaNHEMT器件。第六章

表征与测量第六章表征与测量表征是对没有标准的参数或特性进行研究。测量是按照国际标准进行，确保测试是有意义。半导体产业链相关的表征和测量半导体测试具有“及时性”????????原位测试，即监测半导体材料器件在实时和原位条件下的变化，也是以无损检测技术为主的，对测试速度和测试环境有更高的要求。离线测试：无太多限制，可以使用机械、电子束、离子束等。在线测试：多以无损检测技术为主，比如光学、激光、X射线、光电、电容、超声波及热磁等。第六章表征与测量6.1来料检测类型：以用途不同分类；质量：纯度要求在99.999999999%以上，表面平整度小于1nm，微粒小于1nm；（以12寸单晶硅晶圆为例）工业生产中的晶圆（1）表面缺陷（2）电阻率（3）导电类型（4）其他相关的测试项目全自动晶圆挑片分选机AP-1800晶圆检测仪

NC-6800方法目的用途抛光片研磨和化学腐蚀去除平整性瑕疵，去除表面缺陷存储芯片、功率器件外延片以原始硅片为籽晶进行薄膜沉积控制晶格缺陷，满足线宽需求；调控外延层参数，优化芯片结构CPU、GPU等先进制程退火片在惰性气体环境中进行高温退火减少抛光引起局部的原子晶格缺陷及硅片表面的含氧量CMOS电路、DRAMSOI片键合或离子注入减小寄生电容、抑制短沟道效应，提高集成度、提高运行速度、降低功耗射频芯片、功率器件、传感器等结隔离片光刻、离子注入和热扩散实现客户特定的电气性能需求—第六章表征与测量6.1来料检测表面冗余物：通过计数每平方厘米多少个颗粒；（8寸晶圆表面每平方厘米少于0.13个颗粒，尺寸要小于或等于0.08μm）晶体缺陷：通过计数的方式计算缺陷密度；（12寸晶圆中每平方厘米的缺陷不到1个）表面缺陷人工目检（镜检）：人工获取图像+人工识别半自动检测AVI：自动获取图像+人工识别自动光学检测AOI：自动获取图像+机器视觉识别相关的测试项目机械划伤：不允许存在，通过研磨抛光等方式消除；一般只做外观测试，不能做功能测试，主要采用光学的方式进行检测或捕捉。第六章表征与测量6.1来料检测图像采集摄影系统（光电传感器）、照明系统和控制系统；数据处理背景噪声减小（低通滤波+积分/平均值平滑）、图像增强和锐化等（例如二值化、傅里叶变换、直方图）；图像分析特征提取（如直方图）、分割图像(如灰度阈值分割法）、模板比较（包括模板匹配、模式匹配、统计模式匹配等）；缺陷报告增加比对次数和扩大范围进行多重判定；表面缺陷——AOI第六章表征与测量6.1来料检测电阻率晶圆图（WaferMapping）IC芯片用硅片：1～10Ω·m功率器件用硅片：MΩ级正方形薄层在半导体工业中，方块电阻Rs是设计和制造之间的接口基于编码来可视化半导体器件或芯片的性能；可扩展到设计、封装、测试等步骤中，实现半导体工业全流程的可追溯性；分析半导体制造过程中数据的最流行的方法之一。第六章表征与测量6.1来料检测电阻率——接触测量四探针法直接测量，作为其他方法测量的参考标准；线性四点法：测量传感方向电阻率不同；范德堡法：围绕样品周边放置的探针；（常与霍尔系数测试集成在一起）肖特基结探针法三探针法：一根探针与半导体构成肖特基结；C-V法：探针与硅片表面接触，形成金-半结构；测量电阻率与深度的关系：剥离表面（薄层）→测量电阻率→剥离→测量...第六章表征与测量6.1来料检测电阻率——非接触测量电学测量电容法、电感法、微波法等；涡流法：电感法的一种，用于测试均匀掺杂晶圆、半导体上金属层的电阻和厚度。非电学测量以光学方法为主;光调制光反射（热探针）：主要用于测量低剂量离子注入；太赫兹时域光谱：高灵敏度；Therma-Probe®680XP第六章表征与测量6.1来料检测几何尺寸——直径几何尺寸——厚度通过中心点横穿表面且不包含参考面或基准区的直线尺寸光学比较仪（轮廓投影仪）D=L+(S-F)给定点处穿过晶圆的垂直距离，中心点的厚度称为标称厚度静电电容法干涉法第六章表征与测量6.1来料检测几何尺寸——平坦度几何尺寸——粗糙度晶圆表面平整、均匀、无表面不规则的程度；属于宏观几何形状误差；总厚度偏差TTV、弯曲度bow、翘曲度Warp、总指示读数TIR等静电电容法和红外线干涉法；晶圆表面平整、均匀、无表面不规则的程度；属于微观几何形状误差；表面平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq、最大高度粗糙度Rmax等测量方法与平坦度基本相同；第六章表征与测量6.1来料检测其他——导电类型热电动势法（冷热探针）利用温度梯度产生的热电动势来判断导电类型整流法利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触的特点，可根据检流计的偏转方向或示波器的波形判断导电类型。对于n型衬底：第六章表征与测量6.1来料检测其他——少子寿命微波光电导衰减法μ-PCD测量有效寿命，但不适合寿命分布不均匀的样品准稳态光电导法QSSPC利用金属探针与半导体材料表面容易构成整流接触即微波信号的变化量与电导率的变化量成正比第六章表征与测量6.1来料检测其他——碳氧含量间隙氧OI氧原子融入晶格内形成间隙杂质，在一定温度下倾向于从硅中以SiOx的形式沉淀出来，可以吸收杂质或形成缺陷，改变电阻率和反向击穿电压。替位碳CS碳原子通常占据硅原子的位置,可能形成SiOx积累的中心，会影响OI的行为方式，增大漏电流。傅里叶转换红外光谱FTIR第六章表征与测量6.2工艺监测质量工程工艺能力指数Cpk找到最佳性能的工艺，并将干扰因子的影响减到最小；来料检查：事前预防控制工艺监测：事中过程控制出货检查：事后验证，将量测结果与规范进行比较工艺能力指数下限工艺能力指数=(平均—下限值)/(3σ)上限工艺能力指数=(上限值—平均值)/(3σ)多采用统计过程控制（SPC）1）测量过程；2）消除过程中的差异，使其保持一致；3）监控过程；4）改进工艺。循环并持续改进实际工艺中要求不大于1.33，即±1.5σ或99.379%第六章表征与测量6.2工艺监测薄膜量测分类光学检测：基于光的波动性和相干性电子束检测：高精度X射线量测：表征薄膜检测（Inspection）在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷。量测（Metrology）对被观测的晶圆电路上的结构尺寸和材料特性做出的定量描述。复检（Review）工业中多采用光学检测和电子束检测互补的形式第六章表征与测量6.2工艺监测量测——膜厚THK透明薄膜：光学方法不透明薄膜：通过方块电阻与横截面积计算（如金属）椭偏光谱仪SE在椭偏仪的基础上加入光栅单色仪组件，产生波长连续变化的入射光，突破单波长量测的限制，向多波长的光谱量测拓展。适用于表征单层薄膜、复杂多层膜及超薄膜等结构。白光干涉光谱WLRS利用光学干涉原理量测膜厚并获得表面轮廓，通常使用宽带光源（UV、VIS或NIR），不同基底厚度对应不同范围的光谱。适用于表面粗糙度、台阶高度、微观结构分析等方面的测量。第六章表征与测量6.2工艺监测量测——关键尺寸CD半导体芯片中的最小线宽一般称为关键尺寸光学关键尺寸OCD将偏振光投射到被测对象表面，受到表面形貌的影响而反射，通过收集被测