半导体材料制备 ppt课件
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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
第四章半导体材料-PPT课件
0 0
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体工艺(第1章2)衬底材料制备PPT课件
高温中，将晶体缺陷和杂质沉积团解体， 并以原子态溶于晶体中，然后再使它们运 动至有源区以外，或被俘获，或被挥发。
本征吸除：
在晶片内引入一些缺陷，以此吸除在表 面附近的杂质和缺陷；
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
国内自造单晶炉设备图如下
直拉法制备单晶硅生长原理
点击视屏
单晶材料中的原生缺陷与有害杂质
硅单晶中存在多种原生缺陷和有害杂质。
宏观缺陷：
孪晶、裂纹、夹杂、位错等
原生缺陷：晶体生长过程中形成的缺陷
微缺陷 ：微沉积
➢ 有害杂质是指会影响晶体性质的杂质或杂 质团：施主、受主、重金属、碱金属等。
➢ 孪晶：晶体中有两个或以上生长晶核
（2）晶片平整度：晶片微细加工中，晶片的 翘曲将对图形加工质量产生严重影响。欲 减少翘曲，必须增加晶片厚度、减小晶片 所受的加工应力。
2、器件浅结化对硅材料的要求
➢ 随着器件图形特征尺寸的缩小，器件结深也 越来越浅。
➢ 因此器件特性对硅材料表面质量和界面性质 更为敏感。
➢ 任何表面缺陷都可能引起器件失效或可靠性 降低。
➢ 材料中的缺陷和有害杂质是工艺诱生缺陷 的主要核化中心，因此必须通过单晶生长 过程中的质量控制和后续处理来提高单晶 的质量，使单晶材料趋于完美。
➢ 减少单晶材料缺陷和有害杂质的后续处理 方法通常采用吸除技术。 本征吸除 背面损伤 物理吸除 应力吸除 扩散吸除 吸除技术 溶解度增强吸除 化学吸除
物理吸除过程：
硅单晶体制备
➢多晶硅是制备单晶硅的原始材料 （一）多晶硅制备 多晶硅制备方式主要有三种： ✓ 四氯化硅氢还原法 ✓ 三氯氢硅氢还原法 ✓ 硅烷热分解法
本征吸除：
在晶片内引入一些缺陷，以此吸除在表 面附近的杂质和缺陷；
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
国内自造单晶炉设备图如下
直拉法制备单晶硅生长原理
点击视屏
单晶材料中的原生缺陷与有害杂质
硅单晶中存在多种原生缺陷和有害杂质。
宏观缺陷：
孪晶、裂纹、夹杂、位错等
原生缺陷：晶体生长过程中形成的缺陷
微缺陷 ：微沉积
➢ 有害杂质是指会影响晶体性质的杂质或杂 质团：施主、受主、重金属、碱金属等。
➢ 孪晶：晶体中有两个或以上生长晶核
（2）晶片平整度：晶片微细加工中，晶片的 翘曲将对图形加工质量产生严重影响。欲 减少翘曲，必须增加晶片厚度、减小晶片 所受的加工应力。
2、器件浅结化对硅材料的要求
➢ 随着器件图形特征尺寸的缩小，器件结深也 越来越浅。
➢ 因此器件特性对硅材料表面质量和界面性质 更为敏感。
➢ 任何表面缺陷都可能引起器件失效或可靠性 降低。
➢ 材料中的缺陷和有害杂质是工艺诱生缺陷 的主要核化中心，因此必须通过单晶生长 过程中的质量控制和后续处理来提高单晶 的质量，使单晶材料趋于完美。
➢ 减少单晶材料缺陷和有害杂质的后续处理 方法通常采用吸除技术。 本征吸除 背面损伤 物理吸除 应力吸除 扩散吸除 吸除技术 溶解度增强吸除 化学吸除
物理吸除过程：
硅单晶体制备
➢多晶硅是制备单晶硅的原始材料 （一）多晶硅制备 多晶硅制备方式主要有三种： ✓ 四氯化硅氢还原法 ✓ 三氯氢硅氢还原法 ✓ 硅烷热分解法
半导体8 半导体材料制备
基本原理
籽晶杆及其传动组件； 坩埚杆及其传动组件； 进气、排气系统； 功率加热系统；
直pter 8
盛于（石英）坩埚中多晶硅被（电阻）加热熔化，待 其温度在熔点附近并稳定后，将籽晶浸入熔体，并与 其熔接好后以一定速度向上提拉籽晶（同时旋转）引 出晶体（即引晶）。生长一定长度的细颈（细颈以防 籽晶中位错延伸到晶体中），经过“放肩”，“转肩” （晶体逐渐长大到所需直径），等（直）径生长，收 尾，降温，就完成一根单晶锭的拉制。
用一种惰性液体（覆盖 剂B2O3）覆盖着被拉制 材料的熔体，生长室内 冲入惰性气体，使其压 力大于熔体的离分压力， 以抑制熔体中挥发性组 元的蒸发损失，然后按 CZ拉制。
覆盖剂必须满足的条件：
密度小于所拉制材料，使之能浮于熔体表面；
对人体和坩埚在化学上必须是惰性的，不能与熔 体混合，但必须浸润晶体及坩埚； 熔点要低于被拉制材料的熔点，且蒸气压很低； 有较高纯度，熔融状态下透明。 B2O3： 密度1.8g/cm2、软化点450℃、
3. 组分过冷 重掺杂情况下，且K＜1，生长过程中杂质不断 “排”向熔体，使熔体中杂质浓度越来越高，从 而造成熔体内部的过冷度大于扩散层附近熔体过 冷度，，而且离固液界面越远，过冷度越大，这 将使固液界面不稳定，甚至导致枝蔓生长。
降低杂质浓度，提高温度梯度，降 低结晶速度，防止发生组分过冷
4、多晶硅 由砂即（二氧化硅）开始，经由电弧炉的 提炼还原成 冶炼级的硅，再经由盐酸氯 化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透 过慢速分 解过程，制成棒状或粒状的多 晶硅。
RCA1 RCA2
5H2O : 1H2O2 : 1NH4OH 有机物 5H2O : 1H2O2 : 1HCl 金属离子
七、晶片的几何参数和参考面
一种典型半导体材料SiC2PPT课件
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。
随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
教学课件PPT基本半导体材料及晶圆制备
由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为 正外延和负外延（反外延）；
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
由外延的生长环境状态可分为 液相外延、气 相外延和分子束外延；由外延过程中的生长 机构可分为直接外延和间接外延。
“切克劳斯基法”生长单晶 硅
单晶硅生长
拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接 着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生 成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶 体。200毫米晶圆的晶体将会重达450磅，需 要花费三天时间生长。
掺杂：生长时，可在熔融硅中掺入杂质来获 得期望的电阻率
杂质控制：不受欢迎的杂质会影响器件的特性， 要严格控制。少量氧有益，可作为俘获中心束缚 金属沾污，但要适量。
半导体的电导率：σ =μ n*n+ μ p*p μ n 电子迁移率。 μ p 空穴迁移率。 半导体的电导率与掺杂浓度成正比
4、本征硅半导体的 结构
1）形成的晶体结构： 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构； 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电 子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原 子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原 子核都有吸引作用，称为共价键。
3多晶和单晶
多晶:在本征半导体中，晶胞间不是规则的排 列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似， 每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具 有多晶结构。
。
单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测 的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可 预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾， 晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的 晶元是至关重要的
3. 电阻率和迁移率
1、电阻率/电导率定义：衡量材料材料传导电流的
能力（称导电性）的物理量。电阻率和电导率互为
倒数。
R
半导体材料 ppt课件
1.2.3 固溶半导体
由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质， 就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。 因为不可能作出绝对纯的物质，材料经提纯后总要残留一定数量的杂质，而且半导 体材料还要有意地掺入一定的杂质，在这些情况下，杂质与本体材料也形成固溶体， 但因这些杂质的含量较低，在半导体材料的分类中不属于固溶半导体。 另一方面，固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比 所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及 有关性质也随之变化。 固溶体增加了材料的多样性，为应用提供了更多的选择性。 为了使固溶体具有半导体性质常常使两种半导体互溶，如Si1-xGex（其中x <1)；也 可将化合物半导体中的一个元素或两个元素用其同族元素局部取代，如用Al来局部取 代GaAs中的Ga，即Ga1-xAlxAs，或用In局部取代Ga，用P局部取代As形成Ga1xInxAs1-yPy 等等。 固溶半导体可分为二元、三元、四元、多元固溶体；也可分为同族或非同族固溶体 等（见表1.1 ）。
表1.1 半导体材料分类及其开发情况 * 此处所列子项只举其中重要者，并未完全列出。
1.2.1 元素半导体 已知有12个元素具有半导体性质，它们在元素周期表中的位置如图1.1所示。 从这里也可以看出半导体材料与物质结构的密切关系。
处于III-A族的只有硼，其熔点高(2300oC)，制备单晶困难，而且其载流子迁移率 很低，对它研究的不多，未获实际应用。 IV-A 族中第一个是碳，它的同素异形体之一金刚石具有优良的半导体性质，但制 备单晶困难，是目前研究的重点；石墨是碳的另一个同素异形体，系层状结构，难 以获得单晶，故作为半导体材料未获得应用。 IV-A族的第二个元素是硅，具有优良的半导体性质，是现代最主要的半导体材料。 再往下是锗，它具有良好的半导体的性质，是重要的半导体材料之一。 锡在常温下的同素异形体为b-Sn，属六方晶系，但在13.2oC以下 可变为立方晶 系灰锡（a-Sn）。灰锡具有半导体性质，属立方晶系。在从b-Sn转化为a-Sn 的过 程中，体积增大并变粉末，故难以在实际中应用。
半导体制造流程PPT课件
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晶圆处理制程
融化（MeltDown）
颈部成长（Neck Growth）
晶柱成长制程
晶冠成长（Crown Growth）
晶体成长（Body Growth）
尾部成长（Tail Growth）
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晶圆处理制程
切片 （Slicing）
圆边 （Edge Polishin
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晶圆处理制程
• 离子注入是另一种掺杂技术，离子注入掺杂也分为两 个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高 能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被 注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护 层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子 在一定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深 度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新使它们再分 布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺 杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。
• 一个现代的IC含有百万个以上的独立组件，而其尺寸通 常在数微米，在此种尺寸上，并无一合适的机械加工机 器可以使用，取而代之的是微电子中使用紫外光的图案 转换(Patterning),这个过程是使用光学的图案以及光感 应膜來将图案转上基板,此种过程称为光刻微影 (photolithography）
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晶圆处理制程
曝光（exposure） • 在光刻微影过程，首先为光阻涂布，先将适量光阻滴上基
板中心，而基板是置于光阻涂 布机 的真空吸盘上，转盘 以每分钟數千转之转速，旋转30-60秒，使光阻均匀涂布 在 基板上，转速与旋转时间，依所需光阻厚度而定。 • 曝照于紫外光中，会使得光阻的溶解率改变。紫外光通过 光罩照射于光阻上，而在光照及阴影处产生相对应的图形 ，而受光照射的地方，光阻的溶解率产生变化，称之 为光 化学反应， 而阴影处的率没有变化，这整个过称之为曝光 （exposure）。
《半导体制程简介》PPT课件
• 8’ Wafer
– 8’的晶园采用Notch。
• 12’, 16’,…… Wafer
– 采用Notch，为什么呢？——猜想。
1.4 晶园抛光
• Lapping & Polishing
– 切片结束之后，真正成型的晶园诞生。 – 此时需要对晶园的表面进行一些处理——抛光。 – 主要的步骤有以下几步：
Epi(p/p+) Wafer
p+
- >10um DZ - COP free surface
COP(typical grown-in defect)
BMD(Body Micro Defects)
- Grown-in defect free in device active layer
- Controllable intrinsic gettering ability
• 机械研磨(使用氧化铝颗粒) • 蚀刻清洗(使用硝酸、醋酸、氢氧化钠) • Wafer抛光(化学机械研磨，使用硅土粉) • 表面清洗(氨水、过氧化氢、去离子水)
1.5 晶园外延生长
• Wafer Epitaxial Processing
– 经过抛光，晶园表面变得非常平整，但是这个 时候还不能交付使用。
Affect of COP on Device Performance
Wiring
Gate Capacitor
STI
Source
COP in subsurface
Drain STI
COP in top surface
Si Substrate
COP causes current leakage failure in device
1) Crystal growth technology -N-doped and heat control
– 8’的晶园采用Notch。
• 12’, 16’,…… Wafer
– 采用Notch，为什么呢？——猜想。
1.4 晶园抛光
• Lapping & Polishing
– 切片结束之后，真正成型的晶园诞生。 – 此时需要对晶园的表面进行一些处理——抛光。 – 主要的步骤有以下几步：
Epi(p/p+) Wafer
p+
- >10um DZ - COP free surface
COP(typical grown-in defect)
BMD(Body Micro Defects)
- Grown-in defect free in device active layer
- Controllable intrinsic gettering ability
• 机械研磨(使用氧化铝颗粒) • 蚀刻清洗(使用硝酸、醋酸、氢氧化钠) • Wafer抛光(化学机械研磨，使用硅土粉) • 表面清洗(氨水、过氧化氢、去离子水)
1.5 晶园外延生长
• Wafer Epitaxial Processing
– 经过抛光，晶园表面变得非常平整，但是这个 时候还不能交付使用。
Affect of COP on Device Performance
Wiring
Gate Capacitor
STI
Source
COP in subsurface
Drain STI
COP in top surface
Si Substrate
COP causes current leakage failure in device
1) Crystal growth technology -N-doped and heat control
半导体芯片制造技术晶圆制备课件
4.氧含量
控制硅锭中的氧含量水平的均匀性是非常重要 的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。 少量的氧能起到俘获中心的作用，它能束缚硅中的 沾染物。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和 电学特性。例如，氧会导致P-N结漏电流的增加，也 会增大MOS器件的漏电流。
硅中的氧含量是通过横断面来检测的，即对硅 晶体结构进行成分的分析。一片有代表性的硅被放 在环氧材料的罐里，然后研磨并抛平使其露出固体 颗粒结构。用化学腐蚀剂使要识别的特定元素发亮 或发暗。样品准备好后，使用透射电镜（TEM）描述 晶体的结构，目前硅片中的氧含量被控制在24到 33ppm。
一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出 一个参考面，如图4-4所示。
图4-4定位面研磨
图4-5 硅片的类型标志
四、切片
单晶硅在切片时，硅片的厚度，晶向，翘曲度和 平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求 是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小，无缺损， 无裂缝，刀痕浅。
单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片 机。
图4-18 硅片变形
2.平整度
平整度是硅片最主要的参数之一，主要是因为 光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片 平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是 通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。 对一个硅片来说，如果它被完全平坦地放置，参考 面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压 力把它拉到一个清洁平坦的面上，如图4-19所示， 平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平 整度，也可以规定为整体平整度，它是在硅片表面 的固定质量面积（FQA）上整个硅片的平整度。固定 质量面积不包括硅片表面周边的无用区域。测量大 面积的平整度要比小面积难控制。
然而，晶圆具有的一个特性却限制了生产商随 意增加晶圆的尺寸，那就是在芯片生产过程中，离 晶圆中心越远就越容易出现坏点，因此从晶圆中心 向外扩展，坏点数呈上升趋势。另外更大直径晶圆 对于单晶棒生长以及芯片制造保持良好的工艺控制 都提出了更高的要求，这样我们就无法随心所欲地 增大晶圆尺寸。
半导体材料ppt课件
Plasma assisted etching sequence Take a molecular gas CF4 Establish a glow discharge CF4+e CF3 + F + e Radicals react with solid films to form volatile product Si + 4F SiF4 Pump away volatile product (SiF4 )
H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
Metal-organic reaction MOCVD
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
H2O→H+ +OH阴极 6H+ 6e→3H2↑ 阳极 6OH-- 6e→3H2O 3[O]
2M 3[O] →M2O3 阳极氧化膜的生长过程是在膜的增厚和溶解这一矛盾过程中展开的。 通电瞬间，由于氧和M的亲和力特别强，在M表面迅速生成一层致密 无孔的氧化膜，它具有很高的绝缘电阻，称之为阻挡层。由于在形 成氧化M时体积要膨胀，使得阻挡层变得凹凸不平，在膜层较薄的 地方，氧化膜首先被电解液溶解并形成空穴，接着电解液变通过空 穴到达M基体表面，使电化学反应能够继续进行，孔隙越来越深， 阻挡层便逐渐向M基体方向扩展，即得到了多孔状的氧化膜。
TMAl TEAl TMGa TEGa TMIn TEIn DEZn Cp2Mg
P at 298 K
(torr) 14.2 0.041 238 4.79 1.75 0.31 8.53 0.05
A
B Melt point
(oC)
2780 3625 1825 2530 2830 2815 2190 3556
Metal-organic reaction MOCVD
(CH3)3Ga(g) ＋AsH3(g) GaAs(s) ＋3CH4(g)
Advantages:
《半导体材料》课件
解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
半导体制造工艺流程课件(PPT 97张)
第四次光刻—N+发射区扩散孔
• 集电极和N型电阻的接触孔,以及外延层的反偏孔。 • Al—N-Si 欧姆接触：ND≥1019cm-3，
N+
P+
P
N+-BL
SiO2 P+
P+
P N-epi
N+-BL
P-SUB 去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—扩散
5.0um NA NA NA 7
半 导体元件制造过程
前段（Front End）制程---前工序 晶圆处理制程（Wafer Fabrication； 简称 Wafer Fab）
典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程
衬底制备 基区光刻 基区扩散 一次氧化 再氧化 再分布及氧化 隐埋层光刻 隔离扩散 发射区光刻 隐埋层扩散 隔离光刻 背面掺金 外延淀积 热氧化 发射区扩散
P型Si ρ 10Ω.cm 111晶向,偏离2O~5O
晶圆（晶片） 晶圆（晶片）的生产由砂即（二氧化硅）开始， 经由电弧炉的提炼还原成 冶炼级的硅，再经由 盐酸氯化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后，透 过慢速分 解过程，制成棒状或粒状的「多晶 硅」。一般晶圆制造厂，将多晶硅融解 后，再 利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒。一支85公分 长，重76.6公斤的 8寸 硅晶棒，约需 2天半 时间长成。经研磨、抛光、切片后，即成半导 体之原料 晶圆片
曝光方式:紫外线、X射线、电子束、极紫外
蝕刻技術（Etching Technology）
蝕刻技術（Etching Technology）是將材料使用化學 反應物理撞擊作用而移除的技術。可以分為: 濕蝕刻（wet etching）:濕蝕刻所使用的是化學溶液， 在經過化學反應之後達到蝕刻的目的. 乾蝕刻（dry etching）:乾蝕刻則是利用一种電漿蝕 刻（plasma etching）。電漿蝕刻中蝕刻的作用，可 能是電漿中离子撞擊晶片表面所產生的物理作用， 或者是電漿中活性自由基（Radical）与晶片表面原 子間的化學反應，甚至也可能是以上兩者的复合作 用。 现在主要应用技术:等离子体刻蚀
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最佳生长温度
生长速度
1150
小
1100
中
1050
大
1000
中
空气中反应
高温热分解
冒烟
小
冒烟
小
着火
中
着火
大
硅外延生长步骤
（1）硅片清洗 （2）装硅片 （3）通氢排气 （4）升温 （5）高温处理 （6）气相抛光 （7）通氢排气 （8）外延生长 （9）通氢排气 （10）降温 （11）开炉取片
（1）硅片清洗
10.5 半导体外延生长技术
外延生长技术对于半导体器件具有重要意义 在外延生长过程中，衬底起到籽晶的作用，外延层则保持 了与衬底相同的晶体结构和晶向 如果衬底材料和外延层是同一种材料，称为同质外延 如果衬底材料和外延层不是同一种材料，称为异质外延
外延生长的优点
外延生长中，外延层中的杂质浓度可以方便地 通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而 不依赖于衬底中的杂质种类与掺杂水平。单晶 生长需要进行杂质掺杂。 外延生长可以选择性的进行生长，不同材料的 外延生长，不同成分的外延生长，这对于器件 的制备尤为重要。 一些半导体材料目前只能用外延生长来制备， 如GaN
（4）升温
升到反应所需要的温度
注意升温速率
（5）高温处理
温度升到12000C时，保温10分钟，进行高温 处理
目的是对衬底进一步清洁： 1. 除去吸附在衬底表面的杂质； 2. 除去表面的薄层SiO2，生成的SiO易挥发
SiO2 Si 2SiO
（6）气相抛光
气相抛光的目的是对衬底表面进行腐蚀， 以除去衬底表面1um的薄层，使硅表面以纯 净的硅原子，晶格较完整的状态进行外延 生长
实际反应极复杂，除生成SiHCl3外，还可能生 成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅 烷 合成温度宜低，温度过高易生成副产物 其中三氯代硅烷产量大、质量高、成本低的优 点，是当前制取多晶硅的主要方法
精馏
利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法分 离提纯 沸点 SiCl4 (57.6oC) SiHCl3 (33oC) SiH2Cl2 (8.2oC) SiH3Cl (-30.4oC) SiH4 (-112oC) HCl (-84.7oC)
（2）装衬底片
衬底片要求：光亮，平整，无亮点，无划痕， 无水迹，无灰尘 衬底放在基座上，不要太靠近基座的边缘； 装衬底时，防止划伤衬底表面和落上灰尘
（3）通氢排气
目的：1. 将空气排出，避免加热时爆炸； 2. 保证生长过程中氢气的纯度 一般会在系统中加一个真空系统，在通氢前， 先把系统抽成真空状态，然后再通氢气
汽相外延生长的优点
汽相外延生长具有生长温度低和纯度高的优点
汽相外延技术为器件的实际制造工艺提供了更大 的灵活性 汽相外延生长的外延层和衬底层间具有非常明显 清晰的分界 因此，汽相外延技术是制备器件中半导体薄膜的 最重要的技术手段
例子：硅的气相外延生长
将硅衬底在还原性气氛中加热，并输入硅源气 体，使之反应，生成硅原子沉积在衬底上，长 出具有与衬底相同晶向的硅单晶层。
（9）通氢排气
清洗的目的：去除表面杂质，获得清洁的 表面，有利于外延生长 表面杂质的来源：硅片是硅锭经过定向、 切割、研磨、倒角、腐蚀、抛光、清洗等 工序制备的。
存放和使用过程中，环境不清洁也会带来 杂质的污染。
表面杂质的类型
以分子形式附在硅表面：物理吸附－－油污染
以离子形式附在硅表面：化学吸附－－腐蚀液污染
硅的单晶生长
第三步：电子级多晶硅到单晶硅
最后一步：研磨，切割，抛光
外延生长的技术
汽相外延 （Vapor Phase Epitaxy） 使化学气体中半导体成分结晶在衬底表面，从而生长 出半导体层的过程称为汽相外延。
液相外延 （Liquid Phase Epitaxy） 采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相外延; 分子束外延 （Molecular Beam Epitaxy） 分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的分 子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一 种技术。
主要参数：衬底温度，源气体流量和载气流量
衬底温度影响对外延层的晶体完整性和生长速 度； 源气体流量影响生长速度；
载气流量影响外延层厚度的均匀性；
硅源
性质 常温常压 沸点 分子量 Si含量 SiCl4 液体 57.1 169.9 16.5 SiHCl3 液体 31.7 135.5 20.7 SiH2Cl2 气体 8.2 101.0 27.8 SiH4 气体 －112 32.1 87.5
直拉法
磁控直拉法 液体复盖直拉法 垂直生长 蒸汽控制直拉法
悬浮区熔法
体单晶生长 水平生长
垂直梯度凝固法 垂直布里奇曼法
水平布里奇曼法
例子：硅的单晶生长
第一步：石 英（90%）还 原 脱 氧 成 为 熔 炼 级 硅（99％）
第二步：熔 炼 级 硅（99％）到电子级多晶硅
粗硅提纯到电子级多晶硅
粗硅与氯化氢在200℃以上反应 Si十3HCl==SiHCl3+H2
温度：12000C；时间10分钟；腐蚀用HCl浓 度为总氢气载气的1%左右
（7）通氢排气
目的是排出反应室内残余的HCl等杂质
通氢排气时间一般为5分钟
（8）外延生长
生长温度1180～12000C
通SiCl4，在高温下氢气和SiCl4反应，还原出 硅原子并在衬底上进行外延生长
可以改变各种气体的长技术
体单晶生长技术 单晶生长通常利用籽晶在熔融高温炉里拉伸得到 的体材料 ，半导体硅的单晶生长可以获得电子级 （99.999999%）的单晶硅
外延生长技术 外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。 新生单晶层的晶向取决于衬底，由衬底向外延伸 而成，故称“外延层”。
10.2 体单晶生长方法
以原子形式吸附在表面：原子附着－－加工机械
清洗步骤
（1）丙酮和乙醇超声清洗去除有机物 （2）1号洗液清洗 （温度800C，时间15分钟） 高纯去离子水＋过氧化氢＋氨水 比例： 7: 1: 1 （3）2号洗液清洗（温度800C，时间15分钟） 高纯去离子水＋过氧化氢＋盐酸 比例： 8: 2: 1 （4）去离子水冲洗干净