半导体制备与器件工艺

第２３卷第７期　２００２年７月　半导体学报　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ　ＶＯ１．２３．ＮＯ．７　Ｊｕｌｙ，２００２　

半导体器件与工艺综合　

鲁　勇　谢晓峰　张文俊　杨之廉　

（清华大学微电子学研究所，北京　１０００８４）　

摘要：利用器件与工艺综合的思想，开发出自顶向下的新的器件和工艺设计方法，实现了该设计方法的ＭＯＳＰＡＤ　软件，并利用ＭＯＳＰＡＤ系统做出了一定的综合结果．做出了关于器件与工艺综合的两个实例，即对ＦＩＢ器件的器　件综合和对阱形成工艺模块进行的工艺综合，并证明了自顶向下的器件与工艺综合思想的可行性．　

关键词：综合；器件综合；工艺综合；Ｍ（）ＳＰＡＤ；ＦＩＢ　ＥＥＡＣＣ：Ｂ２５７０Ａ；Ｃ１１８０；Ｃ７４１０Ｄ　中图分类号：ＴＮ４０５　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５３—４１　７７（２ＯＯ２）０７—０７７２—０５　

１　简介　

综合技术作为一项重要技术，在半导体集成电　

路的研究中已有很广泛的应用．但目前综合技术主　要是应用于电路设计中，电路的综合已经是一项很　

成熟的技术，从行为级到电路级再到版图级，通过层　

层综合，可以得到所需的集成电路设计．与之相对应　的是，在器件与工艺的研究中，也有同样类似的综合　

技术＿１］．设计者可以根据所需的器件电学特性，通过　

综合的方法，得到器件的尺寸等物理信息．再进一　

步，根据所得到的器件物理特性，更可通过综合的方　

法得到工艺流程中各部分的参数．　利用这种自顶向下的设计思想，将给新器件研　

究和生产带来革命性的改变．过去的器件设计是在　

全手工的前提下，逐步修改器件参数或工艺条件，以　满足自己所需要的器件特性．这里，所需的人工经验　

非常重要，同时无法提高效率．而采用新的设计思　

想，不仅可以使器件的研究规范化，还可以利用计算　机辅助设计，降低人力资源的消耗，缩短产品的开发　

周期．　作为一种新的设计思想，目前国内外尚未出现　成熟的设计工具，只有部分实验室开发的实验系统　可完成器件综合或工艺综合中部分功能．早期的　ＤＯＥ／Ｏｐｔ　Ｅ　系统引入了一些参数优化的概念，Ｓａｘｅ—　

半导体基础知识和半导体器件工艺

第一章 半导体基础知识

通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。

物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为奥姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4奥姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109奥姆*厘米以上。

半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质：

(1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。

(2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。

(3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。

物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。

半导体制备与器件工艺

随着现代科技的不断发展，半导体技术已经成为现代电子工业的核心技术之一。半导体制备与器件工艺在现代生活中的应用随处可见，从手机、平板电脑到电脑、电视、游戏机等，都需要半导体技术发挥作用。本文将着重对半导体制备与器件工艺进行探讨。

一、半导体制备技术

半导体制备技术是制备半导体材料的过程。半导体材料是一种可以在一定条件下表现出金属和非金属两种不同特性的材料。一般来说，电导率介于金属和非金属之间。半导体制备过程主要包括：衬底制备、晶体生长和晶片加工三个阶段。

衬底制备是指制备电子元器件的基底材料，半导体材料制备的过程中，衬底材料起到了重要的作用。更好的衬底材料可以为其后续的晶体生长提供更好的条件，从而提高晶片质量。晶体生长是指利用化学、物理或者热力学等方法使材料原子从气态或者溶液中沉积到晶胚的过程。晶片加工是指通过化学、物理等方法将晶片制成最终的电子元器件。

二、半导体器件工艺

半导体器件工艺是指将半导体材料加工成电子元器件的过程。半导体器件工艺的核心是图案化技术，也就是根据设计要求，将半导体层加工成所需要的图形。半导体器件的加工过程主要包括：晶圆制备、光刻、蚀刻、清洗、薄膜沉积和后道加工等。

晶圆制备是指将制备好的半导体材料切割成载有电子元器件图案的圆形硅片。晶圆种类繁多，每种晶圆都有不同的制备方法和适用范围。光刻是指将电子元器件的图案用光震荡刻在晶圆上的过程。蚀刻是将不需要的半导体层加以去除从而形成所需要的图案。清洗是将蚀刻过程中产生的残渣等污染物去除。薄膜沉积是一种涂敷薄膜到半导体层上的过程。后道加工是指将制造好的电子元器件进行加工，包括阳极氧化、蒸镀、封装等。

三、半导体技术的应用

半导体技术在现代科技中的应用非常广泛，其主要应用领域包括：

1. 智能手机和平板电脑等移动设备

半导体器件与芯片是智能手机和平板电脑等移动设备的重要组成部分。智能手机和平板电脑所使用的处理器和存储器等半导体器件的性能对设备的整体性能起着重要的作用。

半导体物理器件与工艺

半导体物理器件是指半导体材料制成的各种电子器件，如二极管、晶体管、MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、集成电路等。半导体物理器件的工艺是指制造这些器件所需要的各种工艺流程和技术。

半导体物理器件制造的工艺一般包括以下几个主要步骤：

1. 半导体材料的制备：制备各种半导体材料，如硅(Si)、砷化镓(GaAs)等，通过材料的选择和加工使其具备特定的电性能。

2. 晶体生长：将高纯度的半导体材料溶解在溶液中，通过控制温度和其它参数，使溶液中的半导体逐渐结晶，生长成大块的单晶体。

3. 材料的纯化和掺杂：通过化学和物理的方法，对半导体材料进行纯化，去除杂质和不纯物质，并注入适量的杂质原子，以改变材料的电性能。

4. 芯片加工：将单晶材料切割成适当的形状和尺寸，并对其进行表面处理和多次层刻蚀，形成器件的结构和特征。

5. 金属电极的沉积和连接：在器件表面沉积一层薄金属，用于连接电路和提供电流和电压，通过蒸镀或者化学气相沉积的方法进行。

6. 寄生元件的制备：在器件的制造过程中，可能会在器件结构中引入一些与电路功能无关的电阻、电容等寄生元件，需要进行相应的工艺处理。

7. 打薄和封装：通过薄化原件和封装，保护器件表面，防止氧化和损坏，并为器件提供连接和安装的接口。

通过以上的工艺步骤，可以制造出各种性能优良的半导体器件，如高速、低功耗和高集成度的集成电路，用于智能手机、计算机和通信设备等各种电子产品中。