1、半导体器件

1.1、什么是半导体

1.1.1、相关概念概述

1.1.1.1、什么是物质

物质是由微粒构成的，不同的物质是由不同的微粒构成的，分子、原子和离子是构成物质的三种微粒。

什么是分子？

分子是保持物质化学性质的一种微粒。它能独立存在，分子由原子构成，分子在化学反应中可分裂成原子，原子间重新组合成新的分子。

分子有一定的大小和质量，同种分子性质相同，不同种分子性质不同。

一些非金属单质（如：O2、H2、P等）、气态化合物（H2S、SO2等）和有机化合物（烷、烯、炔、芳香烃）是由分子构成的。

什么是原子？

原子是化学变化中的最小微粒。原子是构成分子和形成离子的基本微粒，原子可以先构成分子，然后构成物质，原子也可以直接构成物质（如如金刚石、石墨和稀有气体等）。由原子直接构成的物质中原子保持原物质的化学性质。

原子也有大小和质量（这里的质量是相对的原子质量，国际上规定，把一个C—12原子质量的 1/12作为标准），并且也在不停地运动。

什么是离子？

离子是带电的原子或原子团。（原子团是指由多个原子组成的原子集团，在参加化学反应时，通常不易分开）原子不显电性且一般不具备稳定的结构，原子由于自身或外界的作用而失去或得到电子使其达到最外层电子数为8或2（氦原子）或没有电子（四中子）的稳定结构。带正荷的叫阳离子，带负电荷的叫阴离子。

由离子构成的物质有绝大多数盐类、强碱类和低价金属氧化物。离子构成的物质只能形成化合物（如：氯化钠）。

核外电子

核外电子的排布，每一层最多排个电子，且最外层不能超过8个电子。比如我们的硅，原子序数14，在元素周期表中它位于金属和非金属的过渡位置，它的核外电子分布[2,8,4]，最外层4个电子，要趋于8电子稳定结构，它即不容易得到电子也不容易失去电子。

Si原子结构示意图：

核外电子排布式：主要是用来描述处于稳定状态下（基态）原子的核外电子排布情况。

例如：

1）氢原子的核外电子排布式： $1s^1$ ；

2）硅原子的核外电子排布式： $1s^22s^22p^63s^23p^2$ ；

1.1.1.2、什么是化学反应

化学反应是相互接触的分子间发生原子或电子的重新排列组合（转换或转移），生成新的分子并伴有能量的变化的过程，其实质是旧键的断裂和新键的生成。

原子在化学变化中，原子核不变，发生变化的只是核外电子。在原子物理学中，原子一旦发生核裂变或核聚变称核反应，这种变化不属于化学反应。

所以分子是保持物质化学性质的最小粒子，原子是化学变化中最小的粒子，物质的化学性质取决于分子的性质。分子的性质则是由分子内部结构决定的，分子结构涉及到分子中各相邻原子之间强烈相互作用力和几何构型。

什么是化学键？

化学键是分子中相邻原子间较强烈的相互结合力。化学键的基本类型有：离子键、共价键、金属键。

离子键：使带相反电荷的阴阳离子结合的相互作用（描述阴阳离子得失电子的能力）。

离子化合物：阴阳离子通过静电作用形成的化合物。一定含离子键，也可能含共价键。一般来说金属容易失去电子，所以一般含金属元素和氨根 $NH_4^+$ （除了 $AlCl_3$ 、 $BeCl_2$ )形成的化合物就是离子化合物。离子化合物在熔融或溶于水的情况下导电。

共价键：原子间通过共用电子对所形成的强烈的相互作用（描述非金属性强弱）。

共价化合物：分子中直接相邻的原子均以共价键相结合形成的化合物。只含共价键的原子或分子（一定含极性键）。大多数不导电，只有少部分溶于水可导电。

金属键：金属晶体中金属原子（或离子）与自由电子形成的化学键（描述金属单质，金属性强弱）

界定离子化合物和共价化合物可以根据在熔融状态下是否导电来区分，熔融状态下能导电的一定是离子化合物。

1.1.2、半导体定义

半导体，指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。是一种导电性可受控制，范围可以从绝缘体至导体之间的材料。一般半导体材料的电阻随着温度的升高而降低，这一性能与金属相反。常见的半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）。应用最广泛的还是硅。

注：狭义的半导体材料界定电阻率：导体<半导体( $10^{-5} - 10^{12}$ Ω·cm)<绝缘体，但更确切的应该根据材料的能带结构来定义。

1.1.3、能带论概述

1.1.3.1、什么是能带

关于半导体的界定直到1931年，A. H. Wilson 依据能带理论（是讨论晶体中电子的状态及其运动的一种重要理论），成功地解释了金属、绝缘体和半导体之间的差别。

前面我们介绍的原子的核外电子排布式是基于基态的核外电子排布情况。而从量子力学的能级层面来说，每个原子都有属于自己的能级。比如：

氢原子的能级图：

原子能级最早是从玻尔模型提出的，但是后来发展起来的量子力学给出了更深刻地解释，原子能级的划分和外层电子数无关，但是和核电荷数有关。

氢原子最高能级的能量是0（这里说的能量是势能），也就是说电子距离氢原子核无穷远的时候，由束缚态恰好电离到自由态的时候,再往上就是自由运动不受原子核束缚的电子了。

原子处于基态时最稳定，处于激发态时会自发的向低能级跃迁，经过一次或多次跃迁到基态，跃迁时以光子的形式放出能量。

能带

当原子组成晶体时，由于原子周期性的排布，随着原子增多，原先分立的电子能级会变得越来越密集，密集的能级就形成了带状，即能带。

1.1.3.2、价带、导带和禁带

满带：当原子处于基态（绝对零度）的时候，它的所有电子从最低能级开始依次向上填充，所有的电子正好填满能量较低的一个能带，而能量较高的能带在基态（绝对零度）时完全空着，这些被填满的能带称为满带；

价带：能量最高的满带中（最外层）为价电子所填充，所以叫价带；

禁带：晶体中的能带一般是带状的，在带与带之间有时会空出很大一段能量间隙，称为为禁带（或带隙）；比如硅晶体禁带宽度为1.12eV，电子必须接收大于这的能量才能导电；

导带：由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围，一般参与导电或者电离，这些能带叫导带。

对于常见的金属材料，导带与价带之间的能量间隙非常小（导带满带重合几乎无禁带），在室温下电子很容易获得能量而跃迁至导带；

对于半导体材料，能带间的禁带宽度不是很大，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的导带，导带中电子的定向移动就能察觉到电流通过；

对于绝缘体，能带之间的禁带宽度非常大，也就是通常情况下电阻率很高。外加电压小于击穿电压时，没有可察觉的电流通过。

1.1.3.3、直接带隙和间接带隙

半导体吸收光子使电子由价带跃迁（激发）到导带，形成电子-空穴对的过程有竖直跃迁和非竖直跃迁，主要取决于导带顶和价带顶在K空间的位置。

直接带隙：导带顶和价带顶在K空间中的同一位置，电子要跃迁到导带上只需要吸收（光子）能量。

间接带隙：导带顶和价带顶在K空间中的不同位置，依据能量守恒定律，电子要跃迁到导带上不仅要吸收（光子）能量，还要改变动量（声子）。

一般化合物半导体具有直接带隙比如：GaAs、InP、InSb等；而Si、Ge是一种间接带隙半导体。

1.1.4、半导体分类

半导体的基本分类可以分为：本征半导体和杂质半导体。

1.1.4.1、本征半导体

纯净的不含其他杂质的半导体称为本征半导体。

每个原子最外层的价电子，不仅受到自身原子核的束缚，同时还受到相邻原子核的吸引。因此，价电子不仅围绕自身的原子核运动，同时也出现在围绕相邻原子核的轨道上。所以纯净的硅原子与硅原子之间就形成共价键而趋于稳定。

但是在一定的外力（赋予能量[光、热等]）电子也会挣脱束缚，致使共价键被打破而产生空穴(，实际空穴不存在，是自由电子挣脱束缚形成的)，邻近的价电子可以填补到空穴上（这个过程叫本征激发）。这样就使得共价键中出现了一定的电荷迁移（空穴移动方向和电子移动方向相反，在本征半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴），电子的定向运动形成电流（热能转换为电能）。

注：空穴和电流方向相同，电子相反。电流的流向规定是正电荷的移动方向，与电子移动方向相反。

1.1.4.2、杂质半导体-N型半导体

在本征半导体中，虽然有两种载流子，但因为载流子浓度很低，导电能力很较差。如果在其中能掺杂一些杂质，其导电性将会发生质变（增强其导电性）。

N型半导体：掺杂了五价元素（如磷元素）的（Negative-负的、消极的）半导体，元素最外层5个电子，多出来的一个电子（带负电）很容易脱离原子核的束缚，变成自由移动的载流子（自由移动的电子多了，导电性也强了）。

在本征半导体里自由电子和空穴的比例是1:1，而在N型半导体中自由电子是多数载流子，而空穴是少数载流子，此时称自由电子为多子，空穴为少子，而在P型半导体中，相反空穴(多子)多于自由电子(少子)。

1.1.4.3、杂质半导体-P型半导体

P型半导体：掺杂了三价元素（如硼元素）的半导体称为P型半导体，元素最外层只有三个电子，与硅形成共价键（4+3），还少一个组成8电子稳定结构，少的这个电子叫空穴，空穴很容易俘获电子，P型半导体中空穴多，自由移动的电子少（吸引力强了导电性也强了）。

不管是N型半导体还是P型半导体，本身都是电中性的。这是因为本身的质子数和核外电子数是相等的。在（掺硼）P型半导体中，所谓的空穴是因为三价的硼与取代晶格中的硅原子的位置，原本右边Si-Si的共价键就没有了，就会空出一个位置，这个位置就叫空穴。空穴主要由杂质提供，自由电子由热激发形成。空穴其实相当于带正电的粒子，在热激发的过程中，有空穴的补充也有空穴的产生（化学键的断裂），但是看起来就像是空穴动了一样，实际是电子的移动。所以空穴的浓度越高，导电性就越强。

同理在N型半导体中，自由电子主要由杂质提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，导电性就越强。

1.1.5、半导体材料概述

半导体材料按化学组成可分为：元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体等；

半导体分类	分布	代表
元素半导体	分布在元素周期表的 IIIA 至 IVA 族中；C、P、Se有绝缘体和半导体两种形式；B、Si、Ge、Te具有半导体性；Sn、As、Sb有半导体和金属两种形式。其中，P的熔点和沸点太低，As、Sb 和 Sn 的稳定状态是金属，而半导体是不稳定状态。	Ge、Si
无机化合物半导体	1）二元化合物半导体材料 IV-IV 族：SiC 和 Ge-Si 合金均具有闪锌矿结构； III-V族：由III族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，如：GaAs； II-VI族：由II族元素Zn、Cd、Hg与VI族元素S、Se、Te形成的化合物，是重要的光电材料； I-VII族：I族元素Cu、Ag、Au与VII族元素Cl、Br、I形成的化合物; V-VI族：由V族元素As、Sb、Bi和VI族元素S、Se、Te形成的化合物; 2）三元化合物半导体材料由第II族和第IV族原子取代III-V族中的两个III族原子组成，如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等; 一个I族原子和一个III族原子代替II-VI族中的两个II族原子，如CuGaSe2，AgInTe2，AgTlTe2，CuInSe2，CuAlS2等; 由一个 I 族原子和一个 V 族原子组成，如 Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4 等；	SiC 、GaAs
有机化合物半导体	萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，但还没有被用作半导体材料

1.1.5.1、第一代半导体

兴起时间：20世纪50年代锗（Ge）和集成电路的产生，是半导体产业向前迈进的重要一步。在德州仪器公司的杰克·基尔比制造的第一块集成电路是采用一片锗半导体材料作为衬底制造的；而仙童公司用硅替代锗，并发明了硅集成电路；

到20世纪60年代后期，因为锗器件的耐高温和抗辐射性能存在短板，逐渐被硅（Si）取代，一方面，硅储量极其丰富；另一方面硅能形成二氧化硅（SiO2）薄膜绝缘性能好，因而硅已经成为目前应用最广的一种半导体材料；

代表材料：硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体材料；

应用场景：由于硅和锗带隙（禁带）较窄，电子迁移率和击穿电压较低，所以主要应用于低压、低频领域，如：电子信息、新能源、光伏、中功率晶体管、光电探测器等领域。

1.1.5.2、第二代半导体

兴起时间：20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角；

代表材料：第二代半导体材料是化合物半导体，包括多种III-V族化合物半导体。商业半导体器件中用得最多的是砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、磷砷化镓（GaAsP）、砷铝化镓（GaAlAs）和磷镓化铟（InGaP）等，其中以砷化镓技术最成熟，应用也最广泛；

应用场景：由于化合物半导体的电子迁移率较元素半导体要高，且化合物半导体具有直接带隙，这是硅半导体所不具备的，因此化合物半导体主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。例如：发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光接收器（PIN）及太阳能电池等产品。砷化镓等二代半导体材料具有高频、抗辐射、耐高温的特性，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。

1.1.5.3、第三代半导体

兴起时间：由于镓（地壳含量仅0.0015%）、铟（地壳含量仅0.001%）材料资源非常稀缺，导致价格昂贵，砷有剧毒，会造成严重的污染环境等问题导致第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。

21世纪以来，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）、氧化锌(ZnO)、金刚石为四大代表的第三代半导体材料开始初露头角。

代表材料：第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为宽禁带半导体材料为主；其中碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）较为成熟；

应用场景：第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，可广泛应用在高压、高频、高温以及高可靠性等领域，包括射频通信（5G基站）、雷达、卫星、电源管理、汽车电子、工业电力电子等领域。

半导体材料	禁带(eV)	熔点(K)	晶格常数(nm)
第一代：锗(Ge)	1.1	1221	0.5658
第一代：硅(Si)	0.7	1687	0.5428
第二代：砷化镓(GaAs)	1.4	1511	0.5635
第三代：碳化硅(SiC)	3.05	2826	a:0.3080 c:1.5120
第三代：氮化镓(GaN)	3.4	1973	a:0.3190 c:0.5190
第三代：金刚石C	5.5	大于3800	0.3570

什么是晶格常数

后面在衬底和外延时会接触到。

首先，晶体是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。

为此为了描述晶体的结构，就引入了一个空间格子的概念，也就是说这种晶体中把原子连起来形成的格子图形，好像是有规律的几何图形在重复着（一般在空间上是平行六边形），我们把这种有规律的排列的一个单元叫做晶胞。不同形状的晶胞决定了晶体的不同性质。晶胞的棱长与夹角，叫晶胞参数，晶胞的大小可以用棱长来描述，即称为晶格常数。晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化，因此晶格常数也称为点阵常数。

1.2、从二极管说起

二极管就是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性，即给二极管阳极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。

说起二极管我们不得不提到它的一个重要结构——pn结，基本的半导体器件是连有导电端子的pn结。当我们专注于半导体操作的物理学时，我们使用术语pn结；当我们专注于电路设计时，我们使用二极管一词。但是它们本质上是同一回事。

1.2.1、什么是PN结

前面我们说到：N型——多子为自由电子，少子为空穴；P型——多子为空穴，少子为自由电子；他们都叫载流子。

PN结：P型掺杂区和N型掺杂区，经过一段时间的扩散或漂移后，在两者交界处存在一个动态平衡区，即形成了一个稳定的空间电荷区（或势垒区），这个空间电荷区就是PN结。

空间电荷区（或势垒区）内形成的电场，叫内建电场。比如：硅的内建电场约0.6~0.8V。

1.2.2、什么是扩散运动

扩散运动：N区的电子流向P区和空穴结合的运动。

载流子的浓度差，产生多子的扩散运动。P型区内的空穴多而电子少，而N型区内的电子多而空穴少，这样电子和空穴会从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，因此电子从N区向P区扩散，而空穴从P区向N区扩散，最终达到一个平衡点。

电子和空穴带有相反的电荷，它们在扩散的过程中会产生复合（中和），结果使P区和N区中原来的电中性被破坏，而使得P区（从N区吸引来电子）失去空穴留下带负电的离子（左边带负电），N区失去电子留下带正电的离子（右边带正电），于是（电子和空穴的复合）就形成了空间电荷区（或势垒区）。就像我们日常生活中的电池，电池的两端分别聚集了大量的正负电荷（正（电势高）->负（电势低），这种电势差，也就是我们说的电压）。

扩散运动使空间电荷区变宽。你可以理解为扩散运动在相邻区域电子和空穴复合的越多，左右两边带负电和正电的离子就越多，其电势差也就越大，空间电荷区就越宽。

1.2.3、什么是漂移运动

漂移运动：P区的少量电子移动到N区的运动。

在形成空间电荷区后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了一个电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，由于该电场是由载流子扩散后在半导体内部形成的，故称为内建电场。因为内建电场的方向与电子的扩散方向相同，与空穴的扩散方向相反，所以它是阻止载流子的扩散运动的。

内建电场越强，漂移运动就越强，而漂移运动使空间电荷区变薄。也就是说他会把原本在P区电子推回到N区，试图阻止电子和空穴的结合，所以空间电荷区就会变薄。

1.2.4、正偏与反偏

前面我们说到，PN结的两种运动（漂移运动和扩散运动），当这两种运动最终趋于稳定后，是没有电流的。当我们在PN结两端接上一个电源时，这时的电位差会形成两种类型，一种是正向偏压，一种是反向偏压。这也是为什么二极管有单向导电特性的原理（正向导通，反向截止）。

正向偏置

将电源的正极与P区引出端相连，负极与N极引出端相连时，称PN结正向偏置，简称PN结正偏。

PN结正偏时，外部电场与内建电场方向相反（电势高——>电势低，电流是正电荷移动方向）。这使得P区的空穴将空间电荷区抵消一部分负空间电荷（P区的负电越来越弱），同样N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷（N区的正电越来越弱），结果使得空间电荷区变窄，内建电场被削弱。内建电场的削弱，使得多数的载流子的扩散运动得以增强，当电子和空穴完全自由的扩散，内建电场消失，形成了稳定的电流，PN结正向导通。

反向偏置

将电源的正极与N区引出端相连，负极与P极引出端相连时，称PN结反向偏置，简称PN结反偏。

当PN结反偏时，外加电场与空间电荷区的内电场方向一致，同样会导致扩散与漂移运动平衡状态的破坏，N区吸走电子，P区吸走空穴，使空间电荷区逐渐变宽，内电场增强，造成多数载流子扩散运动较难进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。但由于常温下少数载流子恒定且数量不多，故反向电流极小。电流小说明PN结的反向电阻很高，通常可以认为反向偏置的PN结不导电，基本上处于截止状态。

注：正向导通可能因电流过大而导致二极管烧坏，反向截止当达到击穿电压后反向击穿。

1.2.5、PN结的制备工艺

1.2.5.1、衬底

什么是衬底

衬底是由半导体材料制造而成的具有特定晶面、适当电学、光学和机械特性的用于生长外延层的洁净单晶薄片。

为什么需要衬底

主要有以下几点：

1）生长

一些复杂结构的半导体，正常情况下不好生长成单晶，那是由于没有很好的附着点，也不能成核，更不用说长成晶了。所以，需要相应的晶格作为附着点。

2）支撑

几微米甚至若干纳米厚的膜必须依附在衬底上才不易断裂、破坏。

3）参与导电

很多衬底都是半导体，比如硅，它和功能材料形成异质结，参与实现器件器件功能。

衬底材料

衬底的主要材料是单晶硅，这种元素在地壳中的含量排第二，储量巨大（基本上是二氧化硅（沙子）或者硅酸盐的形式存在的）。

目前多晶硅的制备原材料为石英砂（还原）。

多晶硅到单晶硅锭通常是采用直拉法制备的(经熔炉拉制)，所以我们通常看到的单晶硅长这样。

单晶材料经过机械加工、化学处理（比如：掺杂增强导电性）、表面抛光和质量检测，获得符合一定标准的单晶抛光薄片。抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层，抛光片可直接用于制作器件，也可作为外延的衬底材料。

衬底材料除了硅（Si），还有蓝宝石（ $Al_2O_3$ ）、碳化硅（SiC）、氮化硅（SiN）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、氧化锌（ZnO）等材料。

关于衬底材料的故事：

硅衬底具有低成本、大面积、高质量、良好的导电导热性能、易于集成等优点，并且其制备工艺相对成熟；（2016 年，南昌大学联合晶能光电的江风益团队，发明“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”获2015年度国家科学技术奖一等奖）

蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高（仅次于金刚石）、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料，蓝宝石具有高温下(2000℃)化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。（1993年，赤崎勇等人突破了在蓝宝石衬底上制备高光效 GaN 基蓝光 LED 的核心技术，2014 年，发明“高效蓝色发光二极管”而获得诺贝尔物理学奖。）

碳化硅具有优良的热学、力学、化学和电学性质，是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高 10 倍以上，但是碳化硅衬底对紫外光具有很强的吸收作用因而成本比较高；

氮化铝单晶衬底具有良好的导热性能，是制备大电流、高功率、LED芯片及深紫外激光器的理想衬底材料；

氮化镓单晶衬底具有良好的导电导热性能，但氮化镓衬底的价格仍太高；

衬底的选择

当然衬底材料的选择主要考虑以下几种因素：

1）衬底与外延膜的结构匹配

外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；

2）衬底与外延膜的热膨胀系数匹配

热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；

3）衬底与外延膜的化学稳定性匹配

衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；

4）材料制备的难易程度及成本的高低：

考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。

1.2.5.2、氧化

氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

1.2.5.3、光刻

每颗芯片在诞生之初，都需要经过光刻机的雕刻，光刻机也是芯片制造过程中最核心的机器。光刻技术是利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀方法将掩模板上的图案传递到晶圆的工艺技术。光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版,是在一个平面上加工形成微图形。

光刻技术按曝光光源主要分为光学光刻和粒子束光刻(常见的粒子束光刻主要有X射线、电子束和离子束光刻等)，其中光学光刻是目前最主要的光刻技术。

具体来说，光刻分为涂胶、掩膜、曝光和显影。

1）光刻胶

根据光反应的区别光刻胶可分为两种：正胶和负胶。

正胶：在受光后会分解并消失，从而留下未受光区域的图形；

负胶：在受光后会聚合并让受光部分的图形显现出来；

2）掩膜

掩膜版（mask）简称掩膜，一般是掩膜上承载有设计图，光线透过掩膜版，把设计图形投射到光刻胶上。

3）曝光

通过控制光线照射来完成电路印刷。

4）显影

在晶圆上喷涂显影剂，目的是去除图形未覆盖区域的光刻胶，从而让印刷好的电路图案显现出来。

关于光刻机的故事：

光刻机主要的厂商有：荷兰阿斯麦（ASML）公司、日本尼康公司、日本佳能（Canon）公司、美国泛林半导体公司、美国ABM公司、美国MYCRO公司、德国SUSS公司等等，其中以荷兰ASML公司的新款EUV光刻机最为先进（7-22纳米）。

1984年，由当时的飞利浦和ASMI各出资210万创立ASML；

1990年，ASML脱离了飞利浦称为独立公司，1995年ASML正式上市，之后收购了多家美国光刻技术公司；

2006年，ASML 发布了它的第一款市场领先的产品，使用浸没式光刻技术的 TWINSCAN系统；

2000年，投入大量资金研发极紫外光（EUV）技术。后来，但由于难度大、投资高，ASML一度想要放弃，但是面对EUV强大的吸引力，让Intel、台积电、三星坐不住了，决定投资ASML（三家竞争对手联合收购ASML23%的股份，其中Intel占比15%），支持研发EUV光刻机。

EUV光刻机研发出来后，ASML股价大涨于是intel、三星、台积电又大量卖出ASML的股份，接手的第一大股东成了美国资本国际集团，持股15.81%，第二股东美国黑岩集团，持股7.95%，第三大股东英国柏基投资，持股4.54%；

目前，我国主流的光刻机，还是第四代193纳米波长的DUV光刻机，也叫ArF准分子（氟化氢）激光，当光源波长发展到157纳米激光后，因技术限制遇到了难以突破的瓶颈。

直到浸没技术（冲入浸没液后光发生折射）的发明以及投影透镜技术的提高，光刻技术从2003年的130纳米，到现在的22纳米，到这技术又遇到了瓶颈。

我们知道光的波长是纳米级别的，如果要提升制作工艺，就需要更短的波长，从红光到紫光的波长是越来越短的，于是不得不更换光源，极紫外光的波长为13.5纳米，之前不用极紫外光是因为实在是太耗电了，极紫外光容易受环境影响（空气会吸收紫外光，不得不在真空中进行），而且透镜都会吸收紫外光，于是聚焦的透镜也只能改成反射镜，但是极紫外光的反射能量损失较大，所以极紫外光的电光转换效率极低，耗电极高。

1.2.5.4、刻蚀、掺杂

得到光刻图形后，就可以进行下一步的加工，比如刻蚀、掺杂或薄膜沉积等。

刻蚀可以将没有被光刻胶保护的部分侵蚀掉一般用来在晶圆上挖槽，通常分为干法刻蚀和湿法刻蚀，前者主要采用等离子体轰击,后者一般采用溶剂浸泡溶解。刻蚀完成后，清除残余光刻胶，就得到了想要的凹槽图案。

为了改变半导体的电学性质，在晶圆上形成PN结、电阻、欧姆接触等结构，我们还需要将特定的杂质，掺入特定的区域中。最主要的掺杂方法是离子注入，它直接将具有很高能量的杂质离子注入半导体衬底中，可以精确控制掺杂的深度和浓度。

1.2.5.5、薄膜沉积和外延

芯片是由一系列有源和无源电路元件堆叠而成的 3D 结构，薄膜沉积作用是在晶圆表面通过物理/化学方法交替堆叠 SiO2、SiN 等绝缘介质薄膜或 Al、Cu 等金属导电膜等。淀积薄膜的工艺有很多种，有化学气相淀积、物理气相淀积等。

常见的薄膜主要分为半导体、介质、金属/金属化合物薄膜三大类。

1）半导体薄膜

主要用于制备源/漏极的沟道区、单晶外延层和 MOS 栅极等。

2）介质薄膜

主要用于前段的浅槽隔离、栅氧化层、侧墙、阻挡层、金属层前介质层，后段的金属层间介质层、刻蚀停止层、阻挡层、抗反射层、钝化层等，也可以用于硬掩膜。

3）金属及金属化合物薄膜

金属薄膜主要用于金属栅极、金属层、焊盘，金属化合物薄膜主要用于阻挡层、硬掩膜等。比如，金属薄膜包括 Al、Cu 等，具备良好导电性，用于制作电极、导线、超导器件等。

外延（epitaxy）

外延：是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料（同质外延或者是异质外延）。

对于传统的硅半导体产业链而言，在硅片上制作器件（特别是高频大功率）无法实现集电区高击穿电压，小串联电阻，小饱和压降要小的要求。而外延技术的发展则成功地解决了这一困难。解决方案：在电阻极低的硅衬底上生长一层高电阻率外延层，器件制作在外延层上，这样高电阻率的外延层保证了管子有高的击穿电压，而低电阻的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压降，从而解决了二者的矛盾。

1.3、三极管及其工作原理

1.3.1、什么是三极管

半导体三极管又称为“晶体三极管”或“晶体管”，是一种控制电流的半导体器件，具有电流放大的作用。内部含有两个相互影响的PN结，组成一个NPN（两块N型半导体中夹着一块P型半导体）或PNP结构。如下图所示：

三极管的掺杂程度和普通二极管的不同之处就是：

1）发射区是高掺杂，以便在发射结正偏时从发射区注入基区的电子在基区形成相当高的电子浓度梯度；

2）基区设计很薄且掺杂浓度最低，这样注入到基区的电子只有很少一部分与多子空穴复合形成基极电流，与基区电子复合的源源不断的空穴需要基极提供电流来维持；

3）集电区面积大而掺杂低：以便基区高浓度的电子扩散进去集电区形成集电极电流；

三极管的结构：

我们定义三个半导体依次为三极管的：发射区、基区、集电区；

而将第一个PN结称为发射结，将第二个PN结称为集电结；

三极管三个区各自引一根引脚出来，依次为：

1）发射极e （Emitter）：发射电子的

2）基极b (Base)：控制电子的

3）集电极c (Collector）：收集电子的

1.3.2、三极管的工作原理

事实上，三极管有三种不同的工作状态，分别是截止状态、放大状态、饱和状态。那这三种状态又是如何来的呢？

我们先看截止状态：

对于发射极来说，当接入电源 $V_{bb}$ （b点的电位比e点高），而此时的外部电压 $V_{bb}$ 太小，没有达到发射结的门电压值，左边的PN结是截止的，即发射区没有载流子（电子）向基区的发射注入，几乎为0；

对于集电极来说，当点接入电源 $V_{cc}$ （c点的电位比b点高），集电结就处于反偏状态， $I_C$ 也几乎为0。整个三极管就处于截止状态。

接着我们再来分析放大状态：

对于发射极来说，当接入电源 $V_{bb}$ （b点的电位比e点高）增大到使得发射结正偏时（即左边第一个PN结导通），电子从发射区进入基区，形成电流 $I_{EN}$ ，这些电子，一部分被基区中的空穴截流，以及少量电子会被第一个电源正极吸走而形成电流 $I_{BN}$ ，而另外一部分则集聚在基区右侧，等待被集电区吸走。

对于集电极来说，当点接入电源 $V_{cc}$ （c点的电位比b点高），集电结就处于反偏状态时内电场增强（此时集电极电势高于基集），造成多数载流子扩散运动较难进行，同时加强了少数载流子的漂移运动（P型——少子为自由电子，N型——少子为空穴），虽然是反偏状态，但是在基区的电子是作为少数的载流子的，此时的内电场的增强不仅没有阻碍电子，反而给电子助力了，并且由于设计的浓度差和基区非常薄的缘故（电子在基区还没来得及复合），所以更多的电子被第二个电源拉进了集电区（此时占主导地位的是注入到基区的电子而不是 $V_{cc}$ ），形成电流 $I_{CN}$ ，同时因为内建电场的增强，致使集电结的空穴向左移动，形成了反向电流(漏电流) $I_{CBO}$ ，这种接法很奇妙。

当发射结正偏而集电结反偏时，进入到基区的电子，被兵分两路，即 $I_{B}$ 和 $I_{C}$ 之间必定存在某种分流关系。当我们不断的改变 $V_1$ 的电压此时 $I_B$ 也会改变（根据欧姆定律： $I=\frac{U}{R}$ ），同时Δ $I_c$ 也会发生变化。 $I_B$ 本身变化小，而轻微的Δ $I_b$ 对应着较大的Δ $I_c$ （由于浓度差等原因）。通常将集电极电流的变化量Δ $I_c$ 与基极电流的变化量Δ $I_b$ 之比，称为共射极电流放大系数（电流放大倍数）用符号β来表示（β= Δ $I_c$ /Δ $I_b$ ）。这就是三级管放大的原理。从上面的描述中我们可以看出，输入电压的变化，是通过其改变输入电流，再通过输入电流的传输去控制输出电压的变化，这也是三极管为啥叫电流控制器件的原因。

最后分析饱和状态：

什么是饱和？集电极电流是随着基极电流的增大而增大的，当集电极电流增大到一定程度时，再增加基极电流，集电极电流不再随着增加了，这种现象就叫做饱和。从电子的运动上来说，当从基区来的电子多到集电区消耗不了时，整个P区也可以看成一个N型半导体了，它们就成了一个整块半导体，集电结理论上就消失了。

从电路分析上来说，就是当 $V_{bb}$ 增大到一定的程度时，而 $V_{cc}$ 不变，随着Ic的增大，由于串联电阻的分压作用，c点的电压逐减降低的（Ic最大值I，c=Vcc/Rc），当Ic达到理论最大值时，c点的电压降为0，而整体看上去相当于集电极和发射极直接相连了，如果再继续提高b点的电位，集电结也出现正偏，集电极收集电子的能力会下降，反而得到的电流更小，那正常的三极管也没必要这么做。

1.3.3、三极管的三种工作状态

三极管的三种工作状态：

1.4、MOS场效应管及其工作原理

1.4.1、MOS的起源

1831年，英国物理学家、化学家法拉第发现了电磁感应，因此有人把这一年称做电气时代纪元年；

1833年，法拉第发现一种材料：，它与其他金属的特性不一样，它的电阻随温度的上升而降低，当时只是绝对奇特，并没有激起很大的火花，这也是在冥冥中发现了半导体的第一个物理特性；

1874年，德国物理学家费迪南德-布劳恩注意到硫化物的电导率与所加电压的方向有关，这就是半导体的整流作用；

1930-1940年间，对半导体的探索持续不断；

1945年7月，也就是二战后，美国的贝尔实验室成立了固态物理的研究部门，为了生产电晶体，却一直困难重重。肖克利开始用半导体来开发一种新的电子放大器，聪明但又冷漠的肖克利选择在家办公，让同事沃特·布拉顿与约翰·巴丁在新泽西州的贝尔实验室自由地开展实验；

1947年11月，布拉顿的一次偶然发现，让理论物理学家巴丁对电流在半导体表面的行为有了关键性的新理解。布拉顿用塑料、金箔和半导体锗拼凑出了一件放大器，并进行了测试。这个放大器成功了，能用很小的输入电压来控制庞大的电流，这是史上首个晶体管；

1949年，马丁阿塔拉（Martin M. "John" Atalla）进入贝尔实验室工作，他重点对半导体表面特性进行研究。他出生于埃及的塞德港，在埃及开罗大学获得了理学学士；1947年在美国普渡大学获得了机械工程硕士，1949年获得了博士学位；

1950年，贝尔实验室采用直拉法（Czochralski，以一定速度绕提升轴旋转），成功制备了单晶锗（Ge），锗也是最早采用的半导体材料，最先用于分立器件中；

1951年，西方电器公司（Western ElectrIC）开始生成商业的点接触的锗晶体管；

1952年，西方电器、雷神、美国无线电等公司生产出商用的双极型电晶体；

1955年，肖克利回到了自己的家乡圣塔克拉拉谷（也就是后来的“硅谷”），创办肖克利半导体实验室，并担任主任；

1956年，肖克利、巴丁、布拉顿因点接触的锗晶体管的发明，而获得了诺贝尔物理学奖，肖克利更被誉为“晶体管之父”；

1959年，Dawon.Kahng（科恩，韩国人，又名姜大元）在美国俄亥俄州立大学获得电气工程博士学位，加入贝尔实验室，当时在阿塔拉手下工作。他们的试验成功的克服并穿透了阻碍电场形成的表面态，成功的进入了半导体材料中，这是全球半导体科学界第一个成功的绝缘栅场效应晶体管（FET）。后来，贝尔实验室为此申请了专利；

1962年，贝尔实验室才正式宣布，由科恩和阿塔拉等人成功开发了金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），比起双极型电晶体，它功率低、制程简单，因而称为后来大型积体电路的基本元件，这也成为半导体发展史上最重要的里程碑之一。

1.4.2、什么是MOS场效应管

什么是单极型晶体管

场效应管，简称FET（Field Effect Transistor），它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小，它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也称为单极型晶体管。

注：三极管是双极型器件，两种载流子都参与导电。

它的主要特点：

1）输入电阻高，可达 $10^7$ ~ $10^{15}$ Ω，绝缘栅型场效应管可高达 $10^{15}$ Ω，远大于三极管输入电阻。

2）噪声低、热稳定性好、工艺简单、易集成且体积小器件特性便于控制。

什么是MOS场效应管

MOS场效应管，是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的缩写，即金属氧化物半导体场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管，MOSFET是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，来控制漏即的电流的大小。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

MOS场效应管的分类

JFET(结型)通常被称为“ON 器件”是一种耗尽型工具，具有低漏极电阻,是利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制，来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流的大小，它允许的输入阻抗比 MOSFET 小，因为MOSFET 嵌入了绝缘体，因此漏电流更小，实际中应用并不多。

MOSFET通常被称为“OFF 器件”，可以在耗尽模式和增强模式下工作并具有高漏极电阻。由于衬底的掺杂不同可分为N沟道（N型MOS管-NMOS）和P沟道场效应管（P型MOS管-PMOS）。

栅极(gate electrode)：gate-门，中文翻译为栅，electrode-电极，起着控制的作用。

源极(source)：source-资源，中文翻译为源极，起集电作用的电极。

漏极(drain)：drain-排出，中文翻译为漏极，起发射作用的电极。

1.4.3、MOS晶体管的工作原理

当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流；

当栅极加有电压时，若0＜ $V_{GS}$ ＜ $V_{GS}(th)$ 阈值时（ $V_{GS}(th)$ -开启电压），通过栅极和衬底间形成的电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层；同时将吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，不足以形成导电沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流；

随着 $V_{GS}$ 的增大，当 $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ 时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道（相当于电阻， $V_{GS}$ 越大沟道的电阻越小，导电能力越强），将漏极和源极联通。同时此时由于漏极加有正电压，就可以形成漏极到源极的电流，MOS管导通，随着 $V_{GS}$ 的继续增加, $I_D$ 也随着增加；

而的大小也会影响右侧沟道的宽度，在NMOS管中同样也有三种工作状态：

1）当 $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ 且 $V_{DS}<V_{GS}-V_{GS}(th)$ 时，为非饱和状态, $I_D$ 同时受 $V_{GS}$ 和 $V_{DS}$ 的控制;

2）当 $V_{GS}$ > $V_{GS}(th)$ 且 $V_{DS}>V_{GS}-V_{GS}(th)$ 时，处于饱和状态，也就是说，当 $V_{GD}$ 的减压逐渐接近 $V_{GS}(th)$ 时，此时右侧沟道被夹断，夹断后 $I_D$ 只受 $V_{DS}$ 控制；

3）当 $V_{GS}$ < $V_{GS}(th)$ 时，沟道未形成，处于截止状态;

即：

1.5、CMOS反相器

1.5.1、什么是CMOS反相器

反相器（Inverter）也称非门（NOT gate），是数字逻辑中实现逻辑非的逻辑门，最基本的门电路之一。由于与非逻辑可以实现任意逻辑运算（大大简化复杂运算），所以与非门是应用最广泛的逻辑门电路。

在数字逻辑电路中我们曾接触过TTL反相器。TTL电路以双极型晶体管（三极管）为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。

CMOS电路是由绝缘场效应晶体管组成，由于只有一种载流子，因而是一种单极型晶体管集成电路。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低（如静态功耗几乎为零）、抗干扰能力强且适合大规模集成。

CMOS反相器

CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道作为输入管。

可以明显看出TTL型的电路明显复杂许多。

1.5.2、CMOS反相器的工作原理

从上面的COMS型反相器电路图中，我们可以看出：反相器由负载管（PMOS）与输入管（NMOS）串联组成。两个MOS管的开启电压 $V_{GSth-p}\leqslant0$ 、 $V_{GSth-n}>0$ ，为了保证正常工作需要 $V_{DD}>|V_{GSth-p}|+V_{GSth-n}$ 。

如果 $V_1$ 输入为低电平（如0V），则负载管导通，输入管截止，输出 $V_0$ 电压接近 $V_{DD}$ ;

如果 $V_1$ 输入为高电平，则输入管导通，负载管截止，输出 $V_0$ 电压接近0V;

1.5.3、CMOS反相器的主要特性

电压传输特性

CMOS反相器的电压传输特性曲线可以分为五个工作区区。

我们需要的工作区域是稳定态区域，在稳定时CMOS反相器工作在Ⅰ和Ⅴ区，总有一个MOS管处于截止状态，流过的漏电流极小。

电流传输特性

根据上面的分析，我们可以知道CMOS反相器工作在Ⅲ区时，由于负载管和输入管都处于饱和状态，会产生一个较大的电流，其余情况下电流都极小，所以功耗极低。

数字集成电路（上）