传感器第二章

（d)图形掩膜、曝光
(e)曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成PN结
(i)蒸发/溅射金属
（j） PN 结制作完成
突变结与线性缓变结
（a）突变结近似（实线）的窄扩散结 （b）线性缓变结近似（实线）的
（虚线）
深扩散结（虚线）
2.边界层（空间电荷区和中性区的边界）
• 非本征德拜长度（边界层的宽度）：
2
2
LDqNdV TNa q2N kd0 TNa
使用的一种工艺技术。 • 光刻工艺的基本原理是把一种称为光刻胶的高分子有机化合物（由光敏
化合物、树脂和有机溶剂组成）涂敷在半导体晶片表面上。受特定波长 光线的照射后，光刻胶的化学结构发生变化。 • 如果光刻胶受光照（曝光）的区域在显影时能够除去，称之为正性胶； 反之如果光刻胶受光照的区域在显影时被保留，未曝光的胶被除去称之 为负性胶；
• PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触 器件外，所有结型器件都由PN结构成。
• PN结本身也是一种器件－整流器。PN结含有丰富的物理知识， 掌握PN结的物理原理是学习其它半导体器件器件物理的基础。
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形 成的结构叫做PN结。
利用APCVD淀积SiO2
• 利用APCVD淀积SiO2和掺杂氧化硅。传统上这些膜经常作为层间介 质，保护性覆盖或者表面平坦化。
➢ 用SiH4淀积SiO2：
• 注： 1. 通常用氩气或氮气稀释SiH4（体积百分比2％－10％）； 2. 可在450－500℃低温下进行； 3. 优势在于铝连线上作为层间介质隔离ILD的SiO2； 4. 台阶覆盖能力和间隙填充能力都很差。
3. 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。
离子注入机：
4.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
的短路。
亚0.25μmCMOS剖面
（6）表面钝化
• 热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降 低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化。
① 可防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部玷污物引起的 漏电流的通路；
② 可以保护Si免受后期制作中有可能发生的刮擦和工艺损伤；
2. 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。
光刻胶是涂在硅片表面上的临时材料，仅仅是为了必要图形的 转移，一旦图形经过刻蚀或离子注入，就要被去掉。
• 负胶： • 曝光后不可溶。 • 正胶： • 曝光后可溶。
光刻工艺过程示意图
• 采用硅平面工艺制备PN结的主要工艺过程：
(a)抛光处理后的n型硅晶片 (b)采用干法或湿法氧化 (c)光刻胶层匀胶及坚膜 工艺的晶片氧化层制作
• （1）绝缘栅介质 • 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料。
（2）掺杂阻挡 • SiO2可以做选择性掺杂的有效掩蔽层。
（3）ຫໍສະໝຸດ Baidu件保护和隔离
• 硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保 护硅内的灵敏器件。
（4）电容器的绝缘介质材料
（5）作为多层金属互连层之间的介质材料 • SiO2是微芯片金属层间的有效绝缘体，能防止上层金属和下层金属间
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction ）,有时也叫做接触（contact）.
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同种物质构成的结叫做 异质结（如硅和锗）。
• 由同种导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P-型硅、P-硅和 P-型锗），由不同种导电类型的物质构成的结叫做异型结（如P-硅和N硅、P-硅和N－锗）。
• 因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型同质结和异型异质结之分。 • 广义地说，金属和半导体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它
们叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
半导体工艺
• 1.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六条： （1）绝缘栅介质； （2）杂质阻挡； （3）器件保护和隔离； （4）电容器的绝缘介质材料； （5）作为多层金属互连层之间的介质材料； （6）表面钝化。 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。
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。
5. 光刻工艺： • 光刻工艺是为实现选择掺杂、形成金属电极和布线，表面钝化等工艺而
2.1 热平衡PN结
2.1.1 PN结空间电荷区
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图
（b）接触后的能带图
2.1.2 电场分布与电势分布
• 1.中性区
• n型中性区： • p型中性区：
• n型与p型中性区之间的电位差为：0npkq 0TlnNn aN i2 d
• 称为内建电势差或扩散电势差。
• 从费米能级恒定观点来看，热平衡pn结具有统一费米能级。 • 形成pn结之后，n区费米能级和p区费米能级统一。
EFn EFpk0TlnNn dN i2 aq 0
• 可见，q 0 是热平衡时电子从 N区进入到P区、空穴从P区 进入到N区需要跨越的势垒 高度。
• 由于这个原因，也把空间电 荷区称为势垒区。