半导体器件物理 第二章

引言
• 70年代以来，制备结的主要技术是硅平面工艺。硅平 面工艺包括以下主要的工艺技术： • 1950年美国人奥尔（R.Ohl）和肖克莱(Shockley)发 明的离子注入工艺。 • 1956年美国人富勒（C.S.Fuller）发明的扩散工艺。 • 1960年卢尔（H.H.Loor）和克里斯坦森(Christenso n)发明的外延工艺。 • 1970年斯皮勒（E.Spiller）和卡斯特兰尼(E.Castella ni)发明的光刻工艺。正是光刻工艺的出现才使硅器件 制造技术进入平面工艺技术时代，才有大规模集成电 路和微电子学飞速发展的今天。 • 上述工艺和真空镀膜技术，氧化技术加上测试，封装 工艺等构成了硅平面工艺的主体。
（a ）

x
（b ）
（a）空间电荷分布

m
（b）电场
x
0
（c ）
0
（c）电势图
图2-4 单边突变结
2.1 热平衡PN结
小结 名词、术语和基本概念： PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、 耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势差、势垒。 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释了PN结空间电荷区（SCR）的 形成 。 介绍了热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）及其画法。
1m 和（b） x j 10m 10 20 / cm 3
假设为 erfc 分布且 N 0
2.2 加偏压的 P-N 结
• 小结
名词、术语和基本概念： 正向注入、反向抽取、扩散近似、扩散区
介绍了加偏压PN结能带图及其画法 根据能带图和修正欧姆定律分析了结的单向导电性： 正偏压V使得PN结N型中性区的费米能级相对于P型中性区的升高 qV。在P型 中性区 EF ＝ EFP 。在空间电荷区由于 n 、 p<<ni ，可以认为费米能级不变即等 于 EFP 。在N型中性区 EF ＝EFN 。同样，在空间电荷区 E F= EEN ，于是从空间 电荷区两侧开始分别有一个费米能级从 EFP 逐渐升高到 EEN和从 EFN 逐渐下降 到 EFP 的区域。这就是P侧的电子扩散区和N侧的空穴扩散区（以上分析就是画 能带图的根据）。
利用中性区电中性条件导出了空间电荷区内建电势差公式:
0 n p VT ln
Nd Na ni2
2.1热平衡PN结
• 小结
解Poisson方程求解了PN结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗尽层宽度：
x m 1 x n
qNd x 2k 0
外延工艺： 外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬 底上沿晶体原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。 外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶 材料薄膜。 外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度， 杂质分布陡峭的外延层。 外延技术：汽相外延、液相外延、分子束外延 （MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
，
pn 0 10
5
q D p x
12 3 Dn 010 cm
x
nn 0 10
15
q D n x
x
图 2- 7 注入 P

ห้องสมุดไป่ตู้
N
结的 N 侧的空穴
及其所造成的电子分布
2.2 加偏压的 P-N 结
• 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果
102 102
N bc 1014 cm 3
• 2.2.1加偏压的结的能带图
W
P
VR +
（c ） 能量 （E ）
N
IR
q 0 VR
qVR

（c）加反向电压，耗尽层宽度W’>W
图2.5 单边突变结的电势分布
2.2 加偏压的 P-N 结
• 注入P+-N结的N侧的空穴及其所造成的电子分 布
pn nn
12 3 Dp 0 10 cm
(e) 曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
P Si
N+
SiO2
N Si
(g)完成光刻后去胶的晶片
金属 P Si N+
SiO2
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
金属 P Si
金 属 SiO2
引言
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要 工艺过程
N Si
N+
光刻胶
SiO 2
N+
N Si
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
紫外光
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
掩模板
光刻胶
光刻胶 SiO2
SiO2
N Si N+
SiO 2
N Si
N
+
n Si
N+
（d)图形掩膜、曝光
离子注入技术： 将杂质元素的原子离化变成带电的杂质离子，在强电 场下加速，获得较高的能量（1万-100万eV）后直接 轰击到半导体基片（靶片）中，再经过退火使杂质激 活，在半导体片中形成一定的杂质分布。 离子注入技术的特点：
（1）低温； （2）可精确控制浓度和结深； （3）可选出一种元素注入，避免混入其它杂质； （4）可在较大面积上形成薄而均匀的掺杂层； （5）控制离子束的扫描区域，可实现选择注入，不需掩膜技术； （6）设备昂贵。
2.2 加偏压的 P-N 结
• 小结
在电子扩散区和空穴扩散区，E F 不等于常数，根据修正欧姆定律必有电流产生， 由于 EF 0 ，电流沿x轴正方向，即为正向电流。又由于在空间电荷区边界注 x 入 的 非 平 衡 少 子 浓 度 很 大 ， 因 此 在 空 间 电 荷 区 边 界 电 流 密 度 也 很 大 (J P ( x) p( x)q ) 离开空间电荷区边界随着距离的增加注入的非平衡 ＝ ( x) x EF 少子浓度越来越小（e指数减少），电流密度也越来越小。 反偏 压 -VR 使得 PN 结 N 型中性 区 的 费 米能 级 相 对 于 P 型中性 区 的降低 qVR 。 扩 散区费米能级的梯度小于零，因此会有反向电流产生。由于空间电荷区电场的抽 取作用，在扩散区载流子很少， P ( x) p( x)q 很 小 ， 因 此 虽 然 有 很 大 的 费米能级梯度，电流却很小且趋于饱和。
扩散工艺：由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固-固扩散、双温区锑 扩散。 液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩散杂质的液 态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。在高温下杂质蒸汽 分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压，杂质原子通过硅片表面向内 部扩散。
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布 图2-3
电场 定义为电势 的负梯度
电势与电子势能的关系为 可以把电场表示为（一维） 取 表示静电势。
Ei q

E q


1 dEi d q dx dx
与此类似，定义 为费米势。

EF q
于是 式中
n ni e VT
p ni e VT
称为热电势.
KT VT q
在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它
取为零基准，于是

n ni e
p ni e
VT
VT

非均匀的杂质分布会在半导体中引起电场，称为自
建电场。在热平衡情况下，由
n ni e
VT
p ni e

VT
对于N型半导体，有
N VT ln d ni

V dNd d T dx N d dx
对于P型半导体，有
Na VT ln ni
VT dNa N a dx
2.1 热平衡PN结
Nd Na
x pN d
0
Na N d
xn x
• 单边突变结电荷分 布、电场分布、电
势分布
- Na
氧化工艺： 1957年人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内扩散的 作用。这一发现直接导致了硅平面工艺技术的出现。 在集成电路中二氧化硅薄膜的作用主要有以下五条： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法：热氧化和化学气相沉积方法。
Nd Na 0 n p VT ln 2 ni
（2-7）
解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建电势差和耗 尽层宽度。并记忆公式（2-14）―（2-18） 作业题：2.2 、 2.4 、 2.5、2.7、2.10
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
10 10
N bc 1014 cm 3
W m
1.0 101
10
16
1.0 101
1016
10 10
2
18
1018 102 103 102 102 101 1.0 10 102 103
102
101
1.0
10
VR , V
(a)
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 （a） x j
掌握下列名词、术语和基本概念： PN结、突变结、线性缓变结、单边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区 、内建电场、内建电势差、势垒。 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区（SCR) 的形成 正确画出热平衡PN 结的能带图（图2.3a、b）。 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式：