微電子器件基礎(chǔ)- 課件全套 王穎 第1-6章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)-表征與測(cè)量

第一章

半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格物質(zhì)按導(dǎo)電能力分類：導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體物質(zhì)按物體形態(tài)分類：氣體液體固體半導(dǎo)體材料是典型的固體材料，其導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體材料按組成成分分類：元素化合物半導(dǎo)體的分類？合金硅鍺碳化硅磷化銦砷化鎵氮化鎵…Si1-xGexAlxGa1-xAs…硅是第一代半導(dǎo)體材料，也是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等第二代、第三代、第四代半導(dǎo)體材料亦在不同領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格無定型（不存在長(zhǎng)程有序）多晶（在小區(qū)域內(nèi)完全有序）單晶（固體內(nèi)的原子排列有序的陣列）半導(dǎo)體根據(jù)內(nèi)部原子排列的不同，可分為三類，即無定形（非晶）、多晶和單晶。半導(dǎo)體的組成形態(tài)無定形（非晶）硅薄膜晶體管太陽(yáng)能電池光電傳感器多晶硅單晶硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極材料大部分器件的絕大部分組成部分主要以單晶作為討論對(duì)象第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格每個(gè)角有1/4個(gè)原子對(duì)于單晶，晶格是用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元。晶格無須是惟一的晶格也無須是最小的注意！第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格幾種常見的晶格簡(jiǎn)單立方晶格是一個(gè)等邊的立方體，它的每個(gè)頂點(diǎn)上都有一個(gè)原子，每個(gè)頂點(diǎn)的原子為鄰近的8個(gè)晶格所共有，因此每個(gè)晶格都只占有1/8個(gè)頂點(diǎn)原子。體心立方（bcc）晶格在簡(jiǎn)單立方晶格的基礎(chǔ)上，其立方體中心有一個(gè)原子。面心立方（fcc）晶格在簡(jiǎn)單立方晶格的基礎(chǔ)上，其晶面中心有一個(gè)原子。思考：每個(gè)簡(jiǎn)單立方晶格中存在幾個(gè)原子，體心立方晶格和面心立方晶格呢？第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格典型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體晶格晶面和晶向

晶列的取向稱為晶向，為表示晶向，從一個(gè)格點(diǎn)O沿某個(gè)晶向到另一格點(diǎn)P作位移矢量，則

第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體電子模型價(jià)鍵模型硅原子的電子結(jié)構(gòu)示意圖每個(gè)硅原子具有14個(gè)電子，其中10個(gè)電子占據(jù)著非常深的能級(jí)，并且被緊緊地束縛在原子核的周圍。在化學(xué)反應(yīng)或正常原子與原子間的相互作用中，這10個(gè)電子始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，這10個(gè)電子與原子核一起構(gòu)成原子實(shí)。剩余的4個(gè)硅原子，其電子的束縛較弱，它們參與化學(xué)反應(yīng)的能力卻很強(qiáng)。這4個(gè)硅原子電子稱為價(jià)電子，在描述原子之間的行為時(shí)，通常只考慮價(jià)電子的相互作用。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體電子模型價(jià)鍵模型在價(jià)鍵模型中，圓圈表示半導(dǎo)體原子實(shí)，而線表示一個(gè)共價(jià)鍵的價(jià)電子（每一個(gè)原子都有8條線與之連接，不僅貢獻(xiàn)出了4個(gè)共享的電子，而且需要接受4個(gè)從其他原子共享的電子）。價(jià)鍵模型是一種理想的模型，它有一定的應(yīng)用范圍第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體電子模型價(jià)鍵模型的典型應(yīng)用場(chǎng)景第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體電子模型能帶模型允帶允帶允帶禁帶禁帶能級(jí)能帶原子軌道(有N個(gè)能級(jí))價(jià)鍵模型能夠描述半導(dǎo)體內(nèi)與空間有關(guān)的狀態(tài)，在討論半導(dǎo)體內(nèi)與能量有關(guān)的物理量時(shí)，能帶模型則變得更為重要在能帶模型中，我們使用電子在某種狀態(tài)時(shí)所具有的能量來描述周期性晶格勢(shì)場(chǎng)影響下的電子。電子在周期性勢(shì)場(chǎng)下的狀態(tài)-能量關(guān)系，就稱為能帶結(jié)構(gòu)。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2半導(dǎo)體電子模型晶體中電子的薛定諤方程1.允帶：允許電子填充的能帶，稱為允帶。2.禁帶：禁止電子填充的能量區(qū)間，稱為禁帶。3.空帶：沒有電子填充的能帶，稱為空帶。4.滿帶：完全被電子填滿的能帶，稱為滿帶。5.價(jià)帶：價(jià)電子對(duì)應(yīng)能級(jí)分裂而形成的能帶，稱為價(jià)帶。6.導(dǎo)帶：導(dǎo)帶是位于價(jià)帶之上第一個(gè)能帶。在外電場(chǎng)作用下，該能帶里的電子能從外電場(chǎng)吸收能量，從而形成電流，故稱為導(dǎo)帶。關(guān)于能帶結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2本征半導(dǎo)體的分布函數(shù)熱平衡狀態(tài)半導(dǎo)體是處于電中性的，這就意味著一旦帶負(fù)電的電子脫離了原有的共價(jià)鍵位置，就會(huì)在價(jià)帶中的同一位置產(chǎn)生一個(gè)帶正電的“空狀態(tài)”。隨著溫度的不斷升高，更多的共價(jià)鍵被打破，越來越多的電子躍入導(dǎo)帶，價(jià)帶中也就相應(yīng)產(chǎn)生了更多帶正電的“空狀態(tài)”。與之相反的過程也在同時(shí)進(jìn)行，即電子也在從高能級(jí)的導(dǎo)帶躍遷到低能級(jí)的價(jià)帶，從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的“空狀態(tài)”減少，這一過程稱為載流子的復(fù)合。在恒定溫度下，這兩種過程將建立動(dòng)態(tài)平衡，又稱為熱平衡狀態(tài)。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2本征半導(dǎo)體的分布函數(shù)熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度熱平衡狀態(tài)下的電子濃度熱平衡狀態(tài)下的空穴濃度熱平衡狀態(tài)下的本征濃度常見半導(dǎo)體材料本征載流子濃度隨溫度的變化第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2本征半導(dǎo)體的分布函數(shù)半導(dǎo)體中的E-k關(guān)系和有效質(zhì)量真空中電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程晶格勢(shì)場(chǎng)中電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程在半導(dǎo)體中我們直接把外力和加速度直接聯(lián)系起來了，同時(shí)內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)力的作用直接用描述為導(dǎo)帶底有效質(zhì)量，為正值為價(jià)帶頂有效質(zhì)量，為負(fù)值第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.2本征半導(dǎo)體的分布函數(shù)狀態(tài)密度在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶中，有很多能級(jí)存在。但相鄰能級(jí)的間隔很小，可以近似認(rèn)為能級(jí)是連續(xù)的，因而可將能帶分為一個(gè)一個(gè)能量很小的間隔來處理。假定在能帶中能量范圍E~E+dE內(nèi)無限小的能量間隔內(nèi)有個(gè)量子態(tài)，則狀態(tài)密度可表示為狀態(tài)密度的計(jì)算思路導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近，單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)目gC(E）和gV(E），隨電子的能量增加按拋物線關(guān)系增大，即能量越大，狀態(tài)密度越大。在導(dǎo)帶中的電子的分布，可由導(dǎo)帶的態(tài)密度乘以1減分布函數(shù)而得在價(jià)帶中的電子的分布，可由價(jià)帶的態(tài)密度乘以分布函數(shù)而得第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制半導(dǎo)體的摻雜摻雜是指通過控制特殊雜質(zhì)原子的數(shù)量，從而有目的地提高電子或空穴的濃度。施主雜質(zhì)：能夠向半導(dǎo)體中提供多余電子，增加電子濃度的雜質(zhì)受主雜質(zhì)：能夠向半導(dǎo)體中提供多余空穴，增加電子濃度的雜質(zhì)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體的摻雜對(duì)于施主雜質(zhì)摻雜：當(dāng)溫度趨近于0時(shí)，所有施主都被束縛電子填滿。隨著溫度的升高，弱束縛電子越來越多地進(jìn)入導(dǎo)帶。在室溫下，幾乎所有的施主雜質(zhì)都被電離對(duì)于受主雜質(zhì)摻雜：在低溫時(shí)，所有的能級(jí)都是空的，這是因?yàn)楫?dāng)溫度趨近0時(shí)，價(jià)帶電子沒有足夠的能量向受主能級(jí)躍遷。隨著溫度的升高，熱能不斷地增大，促使價(jià)電子從價(jià)帶躍遷到受主能級(jí)，價(jià)電子的移出使得價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。在室溫下，基本上所有受主能級(jí)都被電子所填充。1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制摻雜半導(dǎo)體的載流子分布當(dāng)EF在接近帶隙中央時(shí)，電子和空穴的數(shù)量是相等的，表現(xiàn)為本征半導(dǎo)體。當(dāng)EF位于帶隙中央以上時(shí)，電子濃度大于空穴濃度，表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體；當(dāng)EF位于帶隙中央以下時(shí)，空穴濃度大于電子濃度，此時(shí)表現(xiàn)為p型半導(dǎo)體。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制簡(jiǎn)并摻雜半導(dǎo)體在n型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，EF和EC之間的能態(tài)大部分被電子填滿，因此導(dǎo)帶中電子的濃度非常大。同樣在p型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，EF和EV之間的能態(tài)大部分為空，因此價(jià)帶中空穴的濃度也非常大。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制補(bǔ)償半導(dǎo)體補(bǔ)償半導(dǎo)體是指在同一區(qū)域內(nèi)同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)原子的半導(dǎo)體。我們可以通過向n型材料中擴(kuò)散受主雜質(zhì)或向p型材料中擴(kuò)散施主雜質(zhì)的方法來形成補(bǔ)償半導(dǎo)體:當(dāng)ND>NA時(shí)，形成n型補(bǔ)償半導(dǎo)體；當(dāng)NA>ND時(shí)，形成p型補(bǔ)償半導(dǎo)體；當(dāng)NA=ND時(shí)，形成完全補(bǔ)償半導(dǎo)體。在器件生產(chǎn)過程中，補(bǔ)償半導(dǎo)體的出現(xiàn)是必然的。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制摻雜半導(dǎo)體的漂移運(yùn)動(dòng)空穴的漂移電流密度空穴的漂平均漂移速度第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制半導(dǎo)體中的主要散射機(jī)制半導(dǎo)體中主要有兩種散射機(jī)制影響載流子的遷移率：晶格散射（聲子散射）和電離雜質(zhì)散射當(dāng)溫度高于熱力學(xué)零度時(shí)，半導(dǎo)體晶體中的原子具有一定的熱能，在其晶格位置上做無規(guī)則熱振動(dòng)。晶格振動(dòng)破壞了理想周期性勢(shì)場(chǎng)，固體的理想周期性勢(shì)場(chǎng)允許電子在整個(gè)晶體中自由運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)受到散射。但是熱振動(dòng)破壞了勢(shì)函數(shù)，導(dǎo)致載流子電子、空穴

與振動(dòng)的晶格原子發(fā)生相互作用，這種晶格散射也稱為聲子散射。摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子可以控制或改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，室溫下雜質(zhì)已經(jīng)電離，在電子或空穴與電離雜質(zhì)之間存在庫(kù)侖作用。庫(kù)侖作用引起的碰撞（或散射）也會(huì)改變載流子的速度特性。晶格散射（聲子散射）電離雜質(zhì)散射第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空穴電流密度：空穴擴(kuò)散電流密度：電子擴(kuò)散電流密度：電子電流密度：菲克定理：對(duì)于均勻摻雜的半導(dǎo)體，如果非平衡載流子不均勻，同時(shí)又有外電場(chǎng)的作用，那么除了非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)外，載流子還要做漂移運(yùn)動(dòng)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制愛因斯坦關(guān)系遷移率反映了在電場(chǎng)作用下載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度，擴(kuò)散系數(shù)反映了在有濃度梯度時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度，兩者存在著確定的數(shù)量關(guān)系。300K時(shí)Si、Ge和GaAs的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制半導(dǎo)體中的壽命在熱平衡狀態(tài)下，載流子會(huì)由于熱激發(fā)而連續(xù)地產(chǎn)生，并且同時(shí)會(huì)以相同的速率復(fù)合而消失。但是在器件工作過程中，在激活區(qū)的載流子濃度與熱平衡狀態(tài)下不同，它們高于或低于按平衡公式（、和）得出的濃度。非平衡狀態(tài)趨向于恢復(fù)到它本身的熱平衡狀態(tài)。在此期間，系統(tǒng)力求達(dá)到這樣一種狀態(tài)，此時(shí)注入/抽出和表面產(chǎn)生停止，這一時(shí)間是由非平衡載流子的壽命τ來決定的。這是一個(gè)可以調(diào)整的參數(shù)，其可以由載流子的凈復(fù)合率表示，它決定了功率器件的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。電子和空穴的凈復(fù)合率:第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制半導(dǎo)體中的復(fù)合機(jī)制三種復(fù)合的物理機(jī)理：①在復(fù)合中心上的復(fù)合，復(fù)合中心由深能級(jí)雜質(zhì)或陷阱構(gòu)成，而陷阱能級(jí)在禁帶的深處；②帶到帶的俄歇（Auger）復(fù)合；③帶到帶的輻射復(fù)合。后兩種機(jī)理發(fā)生在半導(dǎo)體晶格上，只與載流子濃度有關(guān)，而與常態(tài)的和深處的雜質(zhì)濃度沒有直接關(guān)系。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制帶到帶的輻射復(fù)合在釋放的能量轉(zhuǎn)移到光量子的過程中電子和空穴的直接復(fù)合，只有在直接半導(dǎo)體中才有高的概率。按照簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)，凈復(fù)合率是:直接復(fù)合就是單位體積中每個(gè)電子在單位時(shí)間里都有一定的幾率和空穴相遇而復(fù)合。從能帶角度講，就是導(dǎo)帶電子直接落入價(jià)帶與空穴復(fù)合，同時(shí)還存在著上述過程的逆過程，即價(jià)帶電子也有一定的幾率躍遷到導(dǎo)帶中去，產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制帶到帶的Auger復(fù)合在Auger復(fù)合中，在復(fù)合過程中釋放的能量不被轉(zhuǎn)移到光量子上，而是轉(zhuǎn)移到第三個(gè)電子或空穴上，為了動(dòng)量守恒，是需要聲子參與的。所以，復(fù)合概率應(yīng)該用正比于載流子濃度的一個(gè)系數(shù)來替代，因此，Auger復(fù)合率為對(duì)于硅:第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1.3載流子的運(yùn)動(dòng)與控制在復(fù)合中心上的復(fù)合由深能級(jí)雜質(zhì)或晶格缺陷引起的禁帶深能級(jí)復(fù)合是硅器件低摻雜或中等摻雜區(qū)域的主要復(fù)合機(jī)理。通過這些被稱為“陷阱”的復(fù)合中心，其壽命能在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)被控制，這通常在高頻時(shí)用來縮短器件的開關(guān)時(shí)間和減小開關(guān)損耗。在工程實(shí)踐中，通常先采用正常摻雜確定結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率，然后通過深能級(jí)雜質(zhì)摻雜進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控。在器件的工藝史上，最初在硅中用金作為深能級(jí)雜質(zhì)來控制壽命，其后許多功率器件都采用擴(kuò)鉑工藝，現(xiàn)在最主要的方法是采用電子、質(zhì)子或離子輻射來產(chǎn)生具有深能級(jí)的晶格缺陷。第二章

半導(dǎo)體器件中的結(jié)與電容2.1PN結(jié)p區(qū)與n區(qū)的交界面稱為冶金結(jié)PN結(jié)組成示意圖平面示意圖PN結(jié)的結(jié)構(gòu)組成半導(dǎo)體材料一個(gè)區(qū)域?yàn)榭昭〒诫s的p型，相鄰區(qū)域?yàn)殡娮訐诫s的n型，形成PN結(jié)2.1PN結(jié)平面工藝與緩變結(jié)為了方便分析，采用剖面圖并旋轉(zhuǎn)90度，采用一維方式顯示雜質(zhì)分布平面工藝中的“選擇性摻雜”：原始材料氧化光刻摻雜2.1PN結(jié)擴(kuò)散電流空穴擴(kuò)散流→←電子擴(kuò)散流-Q+QE電子漂移流→←空穴漂移流P區(qū)和N區(qū)接觸存在濃度差→擴(kuò)散（復(fù)合）→出現(xiàn)空間電荷區(qū)→形成自建電場(chǎng)→漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)抵消→達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子濃度半對(duì)數(shù)坐標(biāo)載流子濃度線性坐標(biāo)平衡PN結(jié)載流子濃度分布2.1PN結(jié)平衡PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)費(fèi)米能級(jí)是電子填充能級(jí)水平的標(biāo)志，當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)時(shí)，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的N區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的P區(qū)，空穴則從P區(qū)流向N區(qū)，直到費(fèi)米能級(jí)處處相等，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)。2.1PN結(jié)平衡PN結(jié)電位分布耗盡區(qū)電場(chǎng)的形成由正電荷和負(fù)電荷相互分離所致，對(duì)于突變結(jié)，空間電荷為均勻分布，電場(chǎng)分布為線性分布2.1PN結(jié)耗盡層1.耗盡層（1）耗盡層的含義：冶金結(jié)附近局部區(qū)域，載流子濃度遠(yuǎn)小于離化雜質(zhì)濃度，就對(duì)空間電荷貢獻(xiàn)而言，可以忽略載流子的作用，稱為載流子“耗盡”。-Q+Q載流子“耗盡”的區(qū)與稱為耗盡層2.1PN結(jié)耗盡層1.耗盡層（2）耗盡層近似：（a）耗盡層有確定的邊界，分別記為-xp和xn（取冶金結(jié)處為坐標(biāo)原點(diǎn)x=0）-Q+Q則耗盡層寬度W0=(xn+xp)（b）耗盡層范圍內(nèi)，n=p=0，耗盡層范圍外，載流子維持原來濃度不變。2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-突變結(jié)（1）突變結(jié)空間電荷密度分布為：-Q+Q電中性條件：qNaxp=qNdxn2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-單邊突變結(jié)（2）單邊突變結(jié)若Nd>>Na

，則xn<<xp-Q+Q若突變結(jié)一側(cè)摻雜濃度遠(yuǎn)大于另一側(cè)，則稱為單邊突變結(jié)W0=(xn+xp)≈xp，耗盡層寬度主要在輕摻雜一側(cè)電中性條件：qNaxp=qNdxn2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-內(nèi)建電勢(shì)與勢(shì)壘區(qū)（1）內(nèi)建電場(chǎng)：空間電荷區(qū)離化雜質(zhì)電荷形成從n區(qū)指向p區(qū)的電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)。-Q+Q（2）內(nèi)建電勢(shì)：與自建電場(chǎng)對(duì)應(yīng)由n區(qū)高于p區(qū)的電位分布n區(qū)與p區(qū)的電位差稱為內(nèi)建電勢(shì)，記為Vbi2.1PN結(jié)空間電荷區(qū)-內(nèi)建電勢(shì)與勢(shì)壘區(qū)（3）勢(shì)壘區(qū)：電勢(shì)的存在，對(duì)多子向?qū)Ψ揭苿?dòng)形成“勢(shì)壘”-Q+Q結(jié)論：平衡pn結(jié)的冶金結(jié)附近形成耗盡層，又稱為空間電荷區(qū)，或者叫勢(shì)壘區(qū)pn結(jié)的各種特性，如單向?qū)щ娦?、交流特性、擊穿電壓等均與這一區(qū)域密切相關(guān)。E2.1PN結(jié)正偏情況，Va>0，則W<W0

，耗盡層變窄。反偏情況，耗盡層變寬。隨著反偏電壓絕對(duì)值增加，W近似與反偏電壓絕對(duì)值的開方成正比。平衡PN結(jié)耗盡層寬度2.1PN結(jié)PN結(jié)少子連續(xù)性方程及邊界條件直流情況下，近似的少子連續(xù)性方程：少子空穴的凈產(chǎn)生率：少子只考慮擴(kuò)散電流：或者擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散系數(shù)結(jié)合少子邊界條件：勢(shì)壘邊界處載流子濃度：P區(qū)與勢(shì)壘區(qū)邊界N區(qū)與勢(shì)壘區(qū)邊界p區(qū)和n區(qū)端點(diǎn)處少子濃度:長(zhǎng)二極管近似：在n區(qū)端點(diǎn)處，不存在非平衡少子空穴，該處空穴保持為平衡濃度pn0；在p區(qū)端點(diǎn)處，不存在非平衡少子電子，該處電子保持為平衡濃度np02.1PN結(jié)I-V特性求解N區(qū)P區(qū)N區(qū)少子空穴分布：求解常微分方程代入擴(kuò)散電流公式N區(qū)少子空穴擴(kuò)散電流密度：P區(qū)少子電子擴(kuò)散電流密度：同理可得空穴和電子擴(kuò)散電流之和即為總電流2.1PN結(jié)PN結(jié)單向?qū)щ娦?.2異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的組成

兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體接觸以后，由于費(fèi)米能級(jí)不同而產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，直到將費(fèi)米能級(jí)拉平。電子和空穴的轉(zhuǎn)移形成空間電荷區(qū)，內(nèi)建電場(chǎng)的作用使能帶發(fā)生彎曲；因禁帶寬度不同，而產(chǎn)生了尖峰。未組成異質(zhì)結(jié)前半導(dǎo)體能帶圖理想pN突變異質(zhì)結(jié)的能帶圖2.2異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)分類

反型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相反的兩種不同半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)，如p型Ge與n型GaAs所形成的反型異質(zhì)結(jié)。同型異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電類型相同的兩種不同半導(dǎo)體單晶材料所形成的異質(zhì)結(jié)，如n型Ge與n型GaAs所形成的反型異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)的其它分類方法：突變異質(zhì)結(jié)從一種半導(dǎo)體材料向另一種半導(dǎo)體材料的過渡只發(fā)生于幾個(gè)原子距離（）。緩變異質(zhì)結(jié)過渡發(fā)生于幾個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)。2.2異質(zhì)結(jié)二維電子氣如果三維固體中電子在某一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)受到阻擋，被局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi),那么,電子就只能在另外兩個(gè)方向上自由運(yùn)動(dòng),這種具有兩個(gè)自由度的電子就稱為二維電子氣（2-DEG）。當(dāng)勢(shì)阱較深時(shí)，電子基本上被限制在勢(shì)阱寬度所決定的薄層內(nèi)，即形成了（2-DEG）。特點(diǎn)：電子（或空穴）在平行于界面的平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，而在垂直于界面的方向受到限制。2.2異質(zhì)結(jié)典型二維電子氣在MOS結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體表面反型層中的電子可看成是典型的二維電子氣。反型層中的電子在垂直于層面方向被限制在一個(gè)小于100?的尺度內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而在平行于層面方向可以自由地運(yùn)動(dòng)。反型層中的2-DEG結(jié)構(gòu)2.3金屬-半導(dǎo)體結(jié)整流接觸設(shè)有一金屬和一N型半導(dǎo)體，它們未接觸前，能帶圖如圖(a)所示，并假設(shè)有qφm>qφx。當(dāng)它們緊密接觸以后，所形成的能帶圖如圖(b)所示，并產(chǎn)生一勢(shì)壘，稱其為肖特基勢(shì)壘。2.3金屬-半導(dǎo)體結(jié)歐姆接觸與整流接觸不同，歐姆接觸的半導(dǎo)體表面沒有形成耗盡層，而形成的是多子的積累層。歐姆接觸中的半導(dǎo)體應(yīng)該是重?fù)诫s的，這樣即使半導(dǎo)體表面形成了耗盡層，其寬度也是很小的，使載流子能夠容易地通過隧穿通過金屬-半導(dǎo)體結(jié)。2.4pn結(jié)電容擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容的定性分析（以正偏為例）N區(qū)中正負(fù)電荷隨結(jié)偏壓變化t=0：在直流偏置V0作用下，n區(qū)出現(xiàn)過剩少子空穴δpn(x)，對(duì)應(yīng)n區(qū)出現(xiàn)正電荷+△Q0t=t1

：正偏電壓Va↑導(dǎo)致pn(x=0)↑，n

區(qū)少子空穴分布隨之發(fā)生變化導(dǎo)致n

區(qū)少子空穴正電荷增加t=t2

：正偏電壓Va↓導(dǎo)致pn(x=0)↓n

區(qū)少子空穴分布隨之發(fā)生變化2.4pn結(jié)電容勢(shì)壘電容2.4pn結(jié)電容交流小信號(hào)數(shù)學(xué)模型交流小信號(hào)少子連續(xù)性方程：交流小信號(hào)勢(shì)壘處邊界條件：交流小信號(hào)PN結(jié)端點(diǎn)處邊界條件：以N區(qū)少子電子為例求解常微分方程交流小信號(hào)少子分布：2.4pn結(jié)電容流過PN結(jié)交流分量：PN結(jié)等效交流導(dǎo)納：微分電導(dǎo)，或稱為擴(kuò)散電導(dǎo)稱為微分電容PN結(jié)等效交流導(dǎo)納2.5MOS電容理想MOS電容結(jié)構(gòu)絕緣層是理想的，不存在任何電荷，

絕對(duì)不導(dǎo)電；2.半導(dǎo)體足夠厚（幾百um），不管加什么柵電壓，在到達(dá)接觸點(diǎn)之前總有一個(gè)零電場(chǎng)區(qū)（硅體區(qū)）3.絕緣層與半導(dǎo)體界面處不存在界面陷阱電荷；4.金屬與半導(dǎo)體之間不存在功函數(shù)差。2.5MOS電容MOS電容-累積態(tài)

負(fù)柵壓——

多子積累狀態(tài)

積累層相當(dāng)于柵氧化層電容(COX)的下極板

金屬一側(cè)積累負(fù)電荷，半導(dǎo)體一側(cè)感應(yīng)等量正電荷（多子空穴）

外柵壓產(chǎn)生從半導(dǎo)體指向金屬的電場(chǎng)E

E作用下，體內(nèi)多子順E方向被吸引到S表面積累，形成空穴積累層

能帶變化能帶上彎，空穴在表面堆積，濃度大負(fù)柵壓2.5MOS電容MOS電容-平帶狀態(tài)零柵壓—平帶狀態(tài)理想MOS電容：絕緣層是理想的，不存在任何電荷；Si和SiO2界面處不存在界面陷阱電荷；金半功函數(shù)差為0。系統(tǒng)熱平衡態(tài)，能帶平，表面凈電荷為02.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)金屬極板積累正電荷，

S表面感應(yīng)出等量負(fù)電荷（受主離子Na-

）

電場(chǎng)作用下，表面多子被耗盡，留下帶負(fù)電的受主離子Na-

，不可動(dòng)，

受半導(dǎo)體濃度Na

的限制，形

成一定厚度的負(fù)空間電荷區(qū)xd（1um左右）

能帶變化：

P襯表面正空穴耗盡，濃度下降，

能帶下彎

xd

：空間電荷區(qū)（耗盡層、勢(shì)壘區(qū)）的寬度小的正柵壓

小的正柵壓——

多子耗盡狀態(tài)2.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)

正柵壓↑

,

增大的電場(chǎng)使更多的多子耗盡，

xd

↑,能帶下彎增加

EFi

EF

EFi=

EF

，半導(dǎo)體表面處于本征態(tài)2.5MOS電容MOS電容-耗盡狀態(tài)正VG

↑,能帶下彎程度↑,表面

EFi

到

EF下，表面導(dǎo)電類型由p變n型

柵壓增加，更多的多子被耗盡，P襯表面Na-增多，耗盡層展寬直至xdT

P襯體內(nèi)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可動(dòng)電子，被大的E吸引到表面，表面少子電子積累

少子電子特點(diǎn)：可導(dǎo)電，形成反型層(幾個(gè)nm)

，可作為MOSFET溝道

柵壓↑,反型層電荷數(shù)增加，反型層電導(dǎo)受柵壓（電場(chǎng)）調(diào)制大的正柵壓情形

注：

MOSFET溝道反型層電荷來源非襯底少子，而是源漏區(qū)多子

大的正柵壓——反型狀態(tài)XdT2.5MOS電容P襯底MOS電容表面電子狀態(tài)累積狀態(tài)耗盡狀態(tài)本征狀態(tài)反型狀態(tài)2.5MOS電容MOS電容表面電子狀態(tài)理想P襯MOS電容，

P襯表面隨柵壓變化的規(guī)律：理想n襯MOS電容，

n襯表面隨柵壓變化的規(guī)律：n型(反型層+耗盡層)2.5MOS電容電容定義

dQ`m/dVox=COX,表征金屬為上極板，氧化層為介質(zhì)層的平板電容>

柵氧化層電容，

單位面積電容Cox

=

εox/tox

,定值

-dQ`s/dΦs

=C`s,表征半導(dǎo)體電容，>

負(fù)號(hào)表示Φs與Qs極性相反，>半導(dǎo)體表面狀態(tài)不同，電荷Q`s

隨Φs

的變化率不同，

C`s

為可變電容D

MOS電容C`=Cox與Cs`的串聯(lián)

器件電容定義:小信號(hào)電容C=

MOS電容C`=dQ`/dVCoxCs`2.5MOS電容理想MOS電容的C-V特性

測(cè)量電源：

MOS外加?xùn)艍海谧兓徛闹绷麟妷荷席B加一交流小信號(hào)電壓

直流電壓VG

：緩慢增加使MOS先后處于堆積、平帶、耗盡、反型幾種狀態(tài)

交流小信號(hào)電壓vg

：幅值比較小，不改變半導(dǎo)體的狀態(tài)，使柵壓變化dVg測(cè)每種狀態(tài)下的交流電流，計(jì)算電容大小

P襯MOS電容的C-V特性測(cè)試曲線第三章

雙極型晶體管3.1結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管的基本概念適用的BJT結(jié)構(gòu)需滿足兩個(gè)條件基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于基區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度:xB<<LB。發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)遠(yuǎn)大于集電區(qū)：NE>>NB>>NC。BJT由兩個(gè)背靠背的pn結(jié)構(gòu)成。晶體管三個(gè)區(qū)域分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。晶體管三個(gè)引出端分別稱為發(fā)射極、基極和集電極。3.1結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管的工作狀態(tài)BJT的四種偏置狀態(tài)BJT包含兩個(gè)pn結(jié)，一共有四種偏置狀態(tài)。(1)正向放大：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。(2)反向放大：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏。(3)飽和：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。(4)截止：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。放大電路中主要采用正向放大。3.1結(jié)構(gòu)與工作原理雙極型晶體管的靜電特性BJT可以視為由兩個(gè)獨(dú)立的pn結(jié)構(gòu)成，所以建立的pn結(jié)靜電特性（內(nèi)建電勢(shì)、電荷密度、電場(chǎng)、靜電勢(shì)和耗盡區(qū)寬度）可以不用修改地分別應(yīng)用到E-B結(jié)和C-B結(jié)上。3.1結(jié)構(gòu)與工作原理BJT中的載流子傳輸發(fā)射極電流：IE=InE+IpEBJT電流組成基極電流：IB=IpE+IRB-ICBO集電極電流：IC=InC+ICBOInE：發(fā)射結(jié)正偏，從發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流IpE：發(fā)射結(jié)正偏，從基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的空穴電流IRB：基區(qū)中電子和空穴的復(fù)合電流ICBO：集電結(jié)反偏，集電結(jié)的反向飽和電流InC：集電結(jié)反偏，到達(dá)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)邊界處的電子，在反向偏壓作用下被掃進(jìn)集電區(qū)的電子電流名詞解釋：3.1結(jié)構(gòu)與工作原理BJT共基極放大系數(shù)共基極放大系數(shù)：共基極連接方式下，發(fā)射極是輸入端，集電極是輸出端端電流組成：共基極放大系數(shù)另一種表達(dá)方式：稱為基區(qū)注入效率稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)注入效率描述在輸入電流中注入到基區(qū)的那一部分所占的比例?；鶇^(qū)輸運(yùn)系數(shù)是注入到基區(qū)的電流中順利通過基區(qū)的那一部分所占的比例。3.1結(jié)構(gòu)與工作原理BJT共基極放大系數(shù)定量表達(dá)式稱為基區(qū)注入效率稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)定量表達(dá)式定量表達(dá)式求解少子連續(xù)性方程GB、GE為Gummel數(shù)，表示基區(qū)和發(fā)射區(qū)的摻雜總數(shù)3.1結(jié)構(gòu)與工作原理BJT共發(fā)射極放大系數(shù)共發(fā)射極連接方式下，基極是輸入端，集電極是輸出端共基極放大系數(shù)：端電流組成：β0是發(fā)射極電流IE中傳輸?shù)捷敵龆说哪遣糠諭nC與不能傳輸?shù)捷敵龆硕蔀镮B電流的那部分(IpE+IRB)之比。ICEO是IB=0(即輸入端B極開路Open)情況下流過輸出端（即CE之間）的電流3.1結(jié)構(gòu)與工作原理BJT共發(fā)射極放大系數(shù)定量表達(dá)式G3.2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)BJT共基極特性曲線

共基極輸入特性曲線實(shí)際就是正向PN結(jié)的特性曲線，由于基區(qū)寬變效應(yīng)，輸入特性曲線隨UCB增大而右移共基極輸出特性曲線3.2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)BJT共發(fā)射極特性曲線

輸入特性曲線與正向PN結(jié)伏安特性相似。當(dāng)集電結(jié)處于反偏時(shí)，由于基區(qū)寬度減小，基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合損失減少，IB也就減少。所以，特性曲線隨VCE的增加而右移。3.2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)BJT擊穿特性當(dāng)基極開路時(shí)，CE之間的擊穿電壓為顯然，基極開路時(shí)，擊穿電壓遠(yuǎn)小于基區(qū)正向放大偏置擊穿電壓BVCBO基區(qū)開路擊穿基區(qū)穿通現(xiàn)象3.2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)BJT基區(qū)串聯(lián)電阻及自偏壓效應(yīng)A處：(V

be)aA=(V

be)app-[(RCon)B+RB2)]上壓降B處：(V

be)aB=(V

be)aA

-(RB1)A上壓降C處：(V

be)aC=(V

be)aB

-(RB1)B上壓降D處：(V

be)aD=(V

be)aC

-(RB1)C上壓降結(jié)論：(V

be)aD<(V

be)aC<(V

be)aB<(V

be)aA<(V

be)app由于RB上壓降的影響，

不但結(jié)上電壓小于(V

be)app

，而且結(jié)面上不同位置處結(jié)電壓不同。距基極條越遠(yuǎn)，結(jié)電壓(Vbe)a越小。這一現(xiàn)象稱為基區(qū)自偏壓效應(yīng)。3.2穩(wěn)態(tài)響應(yīng)BJT基區(qū)串聯(lián)電阻及自偏壓效應(yīng)

對(duì)于大功率晶體管來說，通?；鶚O電流比較大，所以基極橫向壓降比較大。因此，發(fā)射極電流集邊現(xiàn)象就更為顯著。由于電流集邊效應(yīng)會(huì)使晶體管發(fā)射結(jié)有效面積變小，從而使得在較小的發(fā)射極電流下，通過集電區(qū)的電流密度就有可能達(dá)到了臨界電流密度，出現(xiàn)電流放大系數(shù)和特征頻率下降的現(xiàn)象?？朔呅?yīng)的關(guān)鍵在于減小發(fā)射結(jié)下面的基區(qū)（內(nèi)基區(qū)）電阻。發(fā)射極單位周長(zhǎng)的電容量發(fā)射極有效半寬度3.2頻率響應(yīng)交流小信號(hào)增益實(shí)驗(yàn)和理論分析均表明，隨著工作頻率的提升，BJT的交流小信號(hào)增益α和β均下降BJT的交流小信號(hào)增益α和β隨頻率變化表達(dá)式：3.3頻率響應(yīng)交流小信號(hào)傳輸過程發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容發(fā)射結(jié)串聯(lián)電阻基區(qū)少子擴(kuò)散系數(shù)基區(qū)寬度集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)漂移速度集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度集電結(jié)勢(shì)壘電容集電結(jié)串聯(lián)電阻3.3頻率響應(yīng)特征頻率綜合考慮不同因素對(duì)BJT其他特性參數(shù)的影響，提高特征頻率的有效途徑是(a)減小基區(qū)寬度xb(b)減小發(fā)射結(jié)的結(jié)面積Ae(c)減小集電結(jié)的結(jié)面積AC如何盡量減小發(fā)射結(jié)的結(jié)面積Ae和集電結(jié)的結(jié)面積AC是BJT版圖設(shè)計(jì)中必須考慮的一條基本準(zhǔn)則。3.4開關(guān)特性BJT開關(guān)波形分析過程抓住兩點(diǎn)：1）發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電情況，兩個(gè)結(jié)的偏置情況。2）基區(qū)、集電區(qū)電荷儲(chǔ)存情況。1）延遲時(shí)間2）上升時(shí)間3）儲(chǔ)存時(shí)間4）下降時(shí)間3.4開關(guān)特性BJT開關(guān)過程-關(guān)斷到導(dǎo)通3.4開關(guān)特性BJT開關(guān)過程-導(dǎo)通到關(guān)斷第四章

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管4.1結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET和BJT的對(duì)比雙極型晶體管(BJT)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）4.1結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET和BJT的對(duì)比工藝要求低求4.1結(jié)構(gòu)與工作原理MOS電容基本結(jié)構(gòu)

金屬和半導(dǎo)體分別引出電極，

形成雙端MOS器件---MOS電容

金屬電極：對(duì)應(yīng)MOSFET的柵電極，

MOS結(jié)構(gòu)所加電壓也稱為柵電壓柵電壓正負(fù)：金屬相對(duì)于半導(dǎo)體Al或高摻雜的多

晶硅（poly-Si）氧化層介電常數(shù)n型硅或p型硅摻雜濃度NSiO2氧化層厚度4.1結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET類型-n溝道

VTN>0

VTN<0

加?xùn)艍篤GS>VTN,溝道開啟

加?xùn)艍篤GS<VTN,

溝道關(guān)閉

四種MOS晶體管:

N溝增強(qiáng)型；N溝耗盡型；

P溝增強(qiáng)型；P溝耗盡型4.1結(jié)構(gòu)與工作原理MOSFET類型-p溝道

p溝耗盡型MOSFET

零柵壓時(shí)存在反型溝道

VTP>0

加?xùn)艍篤GS>VTP,

溝道關(guān)閉

p溝增強(qiáng)型MOSFET

零柵壓時(shí)不存在反型溝道

VTP<0

加?xùn)艍篤GS<VTP,

溝道開啟

四種MOS晶體管:

N溝增強(qiáng)型；N溝耗盡型；

P溝增強(qiáng)型；P溝耗盡型4.1結(jié)構(gòu)與工作原理四種MOSFET特性比較4.2閾值電壓MOS電勢(shì)

費(fèi)米勢(shì)：禁帶中心能級(jí)(EFi)與費(fèi)米能級(jí)(EF)之差的電勢(shì)表示，

φf

(φfp

,φfn

)

表面勢(shì)

：半導(dǎo)體表面電勢(shì)與體內(nèi)電勢(shì)之差，體內(nèi)EFi和表面EFi之差的電勢(shì)表示，

φsφS

=

e

[EFi

(體內(nèi))

-

EFi（表面）]

可正可負(fù)

表面勢(shì)是橫跨空間電荷區(qū)的電勢(shì)差：體內(nèi)能帶平，等電勢(shì)區(qū)

空間電荷區(qū)和體內(nèi)比：能帶有彎曲，和體內(nèi)比電子勢(shì)能不同，即電勢(shì)不同P型襯底1

閾值反型點(diǎn)：

表面勢(shì)=

2倍費(fèi)米勢(shì)，

襯底表面處反型載流子濃度=體內(nèi)多子濃度

閾值電壓：

使半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)的柵電壓4.2閾值電壓表面勢(shì)與電學(xué)狀態(tài)的關(guān)系s增加4.2閾值電壓功函數(shù)

功函數(shù)：起始能量等于EF

的電子，

由材料內(nèi)部（EF

）逸出體外到真空（E0

）所需最小能量。

金半功函數(shù)差（電勢(shì)表示）硅的電子親和能

金屬的費(fèi)米能級(jí)

硅的費(fèi)米能級(jí)

真空能級(jí)

4.2閾值電壓表面勢(shì)與電學(xué)狀態(tài)的關(guān)系

MOS緊密接觸，假設(shè)有外部導(dǎo)線連接M和S,MOS成為統(tǒng)一的電子系統(tǒng)

0柵壓下熱平衡狀態(tài)的能帶圖？

MOS成為統(tǒng)一系統(tǒng)，

0柵壓下熱平衡狀態(tài)有統(tǒng)一的EF

SiO2

的能帶傾斜

半導(dǎo)體一側(cè)能帶彎曲

變化原因：金屬半導(dǎo)體Φms不為0

條件：零柵壓，熱平衡4.2閾值電壓

半導(dǎo)體表面達(dá)到閾值反型點(diǎn)時(shí)所需的柵壓VG

，

記為VT

VTN

，

VTP

，下標(biāo)N/P指的是反型溝道的導(dǎo)電類型

強(qiáng)反型半導(dǎo)體表面，導(dǎo)電能力強(qiáng)，可作為MOSFET溝道

VG≥VTN：Φs≥2Φfp

，襯底表面強(qiáng)反型，

溝道形成，器件導(dǎo)通

VG<VTN：

Φs<2Φfp

，襯底表面未強(qiáng)反型，

溝道未形成，器件截止

閾值電壓(ThresholdVoltage)：閾值電壓定義4.2閾值電壓閾值電壓影響因素

VTN越小越好，可減小工作電壓，降低功耗

不能太小，否則器件的開和關(guān)不好控制

VTN的影響因素：

COX

、

Q`SS

、

ΦmS

、

Na閾值電壓VTN

=

－

＋2φfp

+

φms

VTN是MOSFET強(qiáng)反型溝道是否存在的臨界電壓，決定器件的開和關(guān)mS4.2閾值電壓閾值電壓影響因素COX越大，則VTN越?。籆OX越大，同樣VG在半導(dǎo)體表面感應(yīng)的電荷越多，閾值反型點(diǎn)時(shí)（負(fù)電荷總量不變）

所需VG越小，

VTN小，易反型45nm工藝前，減薄柵氧化層厚度，

65nm工藝柵氧厚1.2nm;45nm工藝后，選擇介電常數(shù)大的絕緣介質(zhì)，

HfO2

(SiO2

的6倍)COX提高途徑：

Cox

=

|Q'SDmax|>>Q'ss

COX影響：4.2閾值電壓閾值電壓影響因素

Q

`SS影響：

Q

`SS越大，則VTN越小；

Q

`SS越大，其在半導(dǎo)體表面感應(yīng)出的負(fù)電荷越多，閾值反型點(diǎn)時(shí)需VG感應(yīng)出的負(fù)電荷越少，

VTN越小，易反型

注意：

Q

`SS對(duì)VT影響的大小與襯底摻雜濃度有關(guān)

，Na越大，

Q

`SS

的影響越小。4.2閾值電壓閾值電壓影響因素閾值反型點(diǎn)時(shí)需VG產(chǎn)生的負(fù)電荷越少，

所需VG越小，

VTN越小

P襯(n溝)配N+多晶硅柵

N+柵：

φms

＜0

電子從柵往半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移，表面能帶下彎，易形成電子反型層越負(fù)，則VTN越??；越負(fù)，金屬往半導(dǎo)體表面轉(zhuǎn)移的負(fù)電荷越多，

φms

影響：φmsφms

4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)溝道電荷來源

VGS越正，半導(dǎo)體表面的ΦS越正，源和半導(dǎo)體表面的勢(shì)壘高度降低源區(qū)電子到達(dá)溝道區(qū)的幾率越大

φs

≥

2φfp

：勢(shì)壘足夠低源區(qū)電子到達(dá)溝道區(qū)的多，形成反型溝道MOSFET反型層電子來源于源區(qū)多子MOS電容：反型層電子來源于襯底熱運(yùn)動(dòng)少子

數(shù)量少，需要時(shí)間4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)VGS的作用

MOSFET在VGS控制下可實(shí)現(xiàn)開關(guān)作用和放大作用

VGS

<VT

，半導(dǎo)體表面非強(qiáng)反型，

VGS

≥VT

，半導(dǎo)體表面強(qiáng)反型，溝溝道不存在，器件截止，

ID

≈0

道存在，器件導(dǎo)通，

ID

隨VDS變化

VGS

越大，溝道載流子越多,

溝道

開關(guān)作用：

電導(dǎo)增加，ID增加。

VGS

控制器件在導(dǎo)通和截止間轉(zhuǎn)換

放大作用：

ΔVGS

ΔID

MOSFET電壓控制器件：VGS通過柵電容COX控制器件溝道的電導(dǎo)，從而控制溝道電流ID4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)線性區(qū)

VDS

＜

＜

VGS-

VT,

VDS對(duì)Vox的抵消作用可忽略，→溝厚不等的現(xiàn)象可忽略，

反型層和耗盡層近似均勻Rch

=

P

→溝道等效電阻Rch不變→ID

∝

VDS

（線性區(qū)）VGS

>VTN

的某常數(shù)時(shí)，

ID

隨VDS

的變化曲線輸出特性曲線-線性區(qū)4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出特性曲線-過渡區(qū)

脫離線性區(qū)后，

VDS

↑,

VDS對(duì)Vox的抵消作用不可忽略→

VDS造成的溝厚從源到漏越來越薄，溝道橫截面A越來越小→ID

隨VDS

的增長(zhǎng)率減小（過渡區(qū)）→溝道等效電阻Rch增加=

PRch4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

飽和點(diǎn)：VGD

=

VGS

-VDS

=VT

→漏端處于臨界強(qiáng)反型點(diǎn)

→漏端溝道剛好消失

→漏端反型電荷面密度≈0DS

DS(sat),

D

D(sat)

臨界強(qiáng)反型點(diǎn)：

溝道夾斷點(diǎn)(x)>

→

VGx

=VT>

→

VxS=VGS-VT=VDS(sat)

器件預(yù)夾斷，

V=V

I

=

I

VDS(sat)

=

VGS

-

VT輸出特性曲線-飽和點(diǎn)4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)輸出特性曲線-飽和區(qū)

VDS>VDS(sat)，原溝道L=反型溝道L`+夾斷區(qū)ΔL=L-L`,電流夾斷了嗎？

（VDS-VDS(sat)

）在夾斷區(qū)ΔL上產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，

電場(chǎng)方向

反型溝道區(qū)：可導(dǎo)電，有電勢(shì)差VDS(sat)

，電子漂移到夾斷點(diǎn)

漂移到夾斷點(diǎn)的電子，在夾斷區(qū)電場(chǎng)作用下被掃向漏極，形成ID

整個(gè)器件的電流仍存在，

大?。?/p>

由導(dǎo)電溝道區(qū)決定

飽和區(qū)4.3穩(wěn)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線：

VDS

為>0的某常數(shù)時(shí)，

ID

隨VGS

的變化曲線

VGS

越大，

ID越大溝道載流子越多，

RCH越小，相同VDS

下，

ID越大

工作區(qū)不同，電流隨柵壓的依賴關(guān)系不同

線性區(qū)：

ID

∝

VGS

飽和區(qū)：

ID

∝(VGS-

VT)2

NMOSFETVGS4.3頻率響應(yīng)分析電路頻率特性的一般方法

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的電路性能，

需利用電路仿真軟件對(duì)電路仿真驗(yàn)證

常用的電路仿真軟件如HSPICE、PSPICE、SPECTRE

仿真：圍繞器件建立電路的IV關(guān)系，數(shù)學(xué)求解

電路中元器件要用模型和模型參數(shù)來替代真正的器件

能正確反映元器件的電學(xué)特性又適于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解

模型：器件特性的定量表達(dá)式

，可采用數(shù)學(xué)表達(dá)式、等效電路等形式

常用模型：等效電路模型（行為級(jí)模型）

模型參數(shù)：描述等效電路中各元件值4.3頻率響應(yīng)交流小信號(hào)跨導(dǎo)與漏極輸出電阻

ΩS、mS或Ω-1單位表達(dá)式定義式rdsgm符號(hào)漏極輸出電阻跨導(dǎo)參數(shù)名稱②①序號(hào)跨導(dǎo)是MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率，它反映了MOSFET的柵源電壓VGS對(duì)漏極電流ID的控制能力，所以反映了MOSFET的增益。4.3頻率響應(yīng)“黑箱”模型

等效電路模型建立方法：

首先通過器件物理分析確定器件等效電路模型的具體形式，

從代工廠獲得MOSFET器件樣品

再把器件看成一個(gè)“黑箱”，

測(cè)試其端點(diǎn)的電學(xué)特性從測(cè)試數(shù)據(jù)提取器件模型參數(shù)，

得到一等效電路模型代替相應(yīng)器件

模型參數(shù)是根據(jù)代工廠工藝線制備的器件提取

生產(chǎn)工藝線不同，器件模型參數(shù)不同

代工廠不同，器件模型參數(shù)也不同4.3頻率響應(yīng)交流小信號(hào)等效電路及Y參數(shù)4.3頻率響應(yīng)N溝道MOSFET中的Cgd和Cgsn溝道MOSFET中的Cgdn溝道MOSFET中的Cgs當(dāng)VDS=0時(shí)：當(dāng)VDS=V‘GS，即飽和時(shí)：4.3頻率響應(yīng)最高工作頻率和最高震蕩頻率-定義定義：使最大輸出電流與輸入電流相等，即最大電流增益下降到1時(shí)的頻率，稱為最高工作頻率，記為fT

。當(dāng)輸出端短路時(shí)，能夠得到最大輸出電流。最大輸出電流將隨頻率的提高而下降。當(dāng)輸出端實(shí)現(xiàn)共軛匹配，即RL

=rds時(shí)，能夠得到最大輸出功率。最大輸出功率將隨頻率的提高而下降。定義：使最大功率增益Kpmax下降到1時(shí)的頻率，稱為最高振蕩頻率，記為fM

。4.3頻率響應(yīng)最高工作頻率

當(dāng)輸出端短路時(shí)，根據(jù)最高工作頻率

fT的定義，可得

當(dāng)忽略寄生電容

C

gs

和

C

gd

時(shí)，得本征最高工作頻率為

4.3頻率響應(yīng)最高震蕩頻率提高fM

的主要措施是提高fＴ，即縮短溝道長(zhǎng)度

L，并提高rds，即降低有效溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。

考慮到寄生參數(shù)后，Kpmax

和

fM

會(huì)比上式低一些。

根據(jù)最高振蕩頻率fM的定義，可得第五章

現(xiàn)代半導(dǎo)體器件5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵材料的變化鋁柵MOS多晶硅柵MOS金屬硅化物與多晶硅層疊柵金屬柵5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管高K柵MOSFETMOSFET最初的柵氧化層介質(zhì)：

SiO265nm特征尺寸：

SiO2厚度=1.2nm45nm工藝：若采用SiO2

，需再減薄→

隧穿電流非常嚴(yán)重HK（高介電常數(shù)）介質(zhì)材料取代了SiO2

典型的HK材料：

HfO2，相對(duì)介電常數(shù)24，是SiO2

的6倍(εH/

εL=6）6nm厚的HfO2產(chǎn)生的電容(εH/tH=6εL/6tL

）相當(dāng)于1nm厚的SiO2

(εL/tL）

同電容大小要求下，高K材料厚度厚，

漏電小與HK介質(zhì)對(duì)應(yīng)的柵為TiN、W等金屬柵5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管多晶硅柵MOS晶體管與高K柵MOS晶體管結(jié)構(gòu)的比較5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SOIMOSFET

FD-SOI晶體管(FullDepletionSilicon-On-Insulator)

在28nm節(jié)點(diǎn)開始采用

器件做在SiO2埋層上的超薄Si層上，硅膜(p/n區(qū))厚在柵長(zhǎng)的1/4左右

硅膜非常薄，

溝道厚度小，器件關(guān)閉時(shí)柵壓控制下可完全耗盡

柵壓可有效控制溝道，

減小亞閾值電流

SiO2埋層：可減少寄生電容，提高晶體管工作速度5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SOIMOSFET結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化SOIMOSFET結(jié)構(gòu)圖在20世紀(jì)60年代，最早出現(xiàn)了使用藍(lán)寶石作為襯底的外延硅（SOS，SiliconOnSapphire）技術(shù)，然后在硅膜上制造MOSFET，這可以看作SOIMOSFET的雛形。然而，由于硅與二氧化硅系統(tǒng)具有更佳的界面特性、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，因此隨著SOI基片制造技術(shù)的不斷成熟，如注氧隔離技術(shù)（SI-MOX，SeparationbyIMplantedOXygen），現(xiàn)在通常采用二氧化硅作為硅膜下的絕緣層。5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SOIMOSFET能帶圖對(duì)于體硅MOS，當(dāng)中性體區(qū)沒有接地而處于懸浮狀態(tài)，并且漏電流較大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)浮體效應(yīng)5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SOIMOSFET轉(zhuǎn)移特性SOIMOSFET的特征長(zhǎng)度不僅可以通過減小柵氧化層厚度來降低，還可以通過減小硅膜厚度來降低。也就是說，可以通過采用超薄硅膜來減小短溝道效應(yīng)，降低關(guān)態(tài)泄漏電流，從而降低對(duì)柵氧化層厚度減小的限制，這也是薄膜SOI器件的一大優(yōu)勢(shì)。SOIMOS器件轉(zhuǎn)移特性與硅膜厚度及漏電壓的關(guān)系曲線5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管FinFET

FinFET:鰭型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，也稱3柵晶體管

22nm節(jié)點(diǎn)開始采用

溝道區(qū)域凸起，被三面柵極包裹，成鰭狀

每一柵都控制硅表面的一部分，三個(gè)柵電極都用來控制溝道電流

柵對(duì)溝道的靜電控制增強(qiáng)，抑制短溝道效應(yīng)5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管GAAFET

環(huán)繞式柵極技術(shù)

(gate-all-around，簡(jiǎn)稱GAA)技術(shù)

三星3nm節(jié)點(diǎn)開始采用

環(huán)柵→使得柵極與溝道之間的接觸面積更大

柵對(duì)溝道的靜電控制增強(qiáng)，更好地抑制短溝道效應(yīng)5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管平面體硅MOSFET結(jié)構(gòu)和FinFET結(jié)構(gòu)比較5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管多柵結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度特征長(zhǎng)度減小，使得電子勢(shì)壘高度增大、厚度增大、關(guān)態(tài)泄漏電流減小5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管按比例縮小-發(fā)展方向尺寸縮小好處：?jiǎn)喂艹叽鐪p小提高集成度：同樣功能所需芯片面積更小提升功能：同樣面積可實(shí)現(xiàn)更多功能降低成本：?jiǎn)喂艹杀窘档透纳菩阅埽浩骷突ミB電容減小→

電路延時(shí)減小→速度加快；電容和電源電壓減小→器件的功耗降低若尺寸縮小30％，則?柵延遲減少30%,工作頻率增加43%?單位面積的晶體管數(shù)目加倍?每次切換所需能量減少65%?節(jié)省功耗50%按比例縮小的約束條件：關(guān)態(tài)電流要保證足夠低盡可能減小短溝道效應(yīng)保證電路的可靠性5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管按比例縮小-縮小方式恒場(chǎng)按比例縮小(ConstantElectrical完全按比例縮小FullScaling)

尺寸（水平尺寸和垂直尺寸）

與電壓按同樣比例縮小

電場(chǎng)強(qiáng)度保持不變

最為理想，但難以實(shí)現(xiàn)一些和材料密切相關(guān)的參數(shù)，

如VT不能按比例縮小恒壓按比例縮小(ConstantVoltage

：FixedVoltageScaling)

尺寸按比例縮小，電壓保持不變

L>1um,保持標(biāo)準(zhǔn)的5V電源電壓

電場(chǎng)強(qiáng)度隨尺寸的縮小而增加，強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)加重一般化按比例縮小(GeneralScaling)

尺寸和電場(chǎng)按不同的比例因子縮小5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管U-MOSFETU-MOSFET結(jié)構(gòu)20世紀(jì)80年代后期，硅刻槽技術(shù)迎來了重大發(fā)展，主要是由于其在制造DRAM芯片中電荷存儲(chǔ)電容方面的廣泛應(yīng)用。隨后，功率半導(dǎo)體領(lǐng)域也采用了這一技術(shù)，用于開發(fā)槽形柵或U-MOSFET結(jié)構(gòu)。如圖5-23所示，在這種結(jié)構(gòu)中，槽從晶體管的表面穿過源區(qū)，經(jīng)過p型基區(qū)，一直延伸至n型漂移區(qū)。在槽的底部和側(cè)壁進(jìn)行熱氧化后，柵氧化層形成于槽內(nèi)，進(jìn)而形成柵極5.1Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管U-MOSFET當(dāng)柵極不加偏壓、漏極加正偏壓時(shí)，U-MOSFET結(jié)構(gòu)可以承受高壓。此時(shí)，p型基區(qū)與n型漂移區(qū)構(gòu)成的結(jié)反偏，電壓主要由厚的輕摻雜n型漂移區(qū)承擔(dān)。既然在阻斷模式下柵極處于零電位，柵氧內(nèi)也產(chǎn)生一高電場(chǎng)，為避免由槽柵拐角處柵氧的強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)的可靠性問題，通常需要圓化槽柵底部結(jié)構(gòu)。當(dāng)柵極施加正偏壓時(shí)，在U-MOSFET結(jié)構(gòu)中，漏極電流開始形成。這時(shí)，在槽柵的縱向側(cè)壁上形成了p型基區(qū)表面的反型層溝道。當(dāng)漏極也施加正偏壓時(shí)，這個(gè)反型層溝道為電子提供了一條從源區(qū)流向漏區(qū)的傳輸通道。電子從源區(qū)穿越溝道后，進(jìn)入了槽柵底部的n型漂移區(qū)。隨后，電流在整個(gè)單元橫截面內(nèi)擴(kuò)散傳播。這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電阻降低為U-MOSFET器件在20世紀(jì)90年代的發(fā)展提供了機(jī)遇。5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiC的優(yōu)勢(shì)Si基和SiC基電力電子器件的額定截止電壓的對(duì)比4H-SiC半導(dǎo)體材料的物理特性主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）SiC的禁帶寬度大，是Si的3倍、GaAs的2倍；（2）SiC的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，是Si的10倍、GaAs的7倍；（3）SiC的電子飽和漂移速率高，是Si及GaAs的2倍；（4）SiC的熱導(dǎo)率高，是Si的3倍、GaAs的10倍。SiC基電力電子器件與Si基電力電子器件相比：（1）具有更高的額定電壓。（2）具有更低的導(dǎo)通電阻。（3）具有更高的開關(guān)頻率。5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiC器件的發(fā)展歷程5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiCMOSFET功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，在Si基電力電子器件中，功率MOSFET獲得了巨大成功。同樣，SiCMOSFET也是最受矚目的SiC基電力電子器件之一。Wolfspeed公司的水平溝道結(jié)構(gòu)的SiCMOSFETROHM公司的雙溝槽結(jié)構(gòu)的SiCMOSFET5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管SiCMOSFET全Si模塊、混合Si/SiC模塊和全SiC模塊的損耗對(duì)比5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管HEMT器件HEMT是通過柵極下面的肖特基勢(shì)壘來控制GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)的2-DEG的濃度而實(shí)現(xiàn)控制電流的。由于肖特基勢(shì)壘的作用和電子向未摻雜的GaAs層轉(zhuǎn)移，柵極下面的N型AlGaAs層將被完全耗盡。轉(zhuǎn)移到未摻雜GaAs層中的電子在異質(zhì)結(jié)的三角形勢(shì)阱中即該層表面約10nm范圍內(nèi)形成2-DEG；這些2-DEG與處在AlGaAs層中的雜質(zhì)中心在空間上是分離的，不受電離雜質(zhì)散射的影響，所以遷移率較高。5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管HEMT器件柵電壓可以控制三角型勢(shì)阱的深度和寬度，從而可以改變2-DEG的濃度，以達(dá)到控制HEMT電流的目的。屬于耗盡型工作模式。減薄N型AlGaAs層的厚度，或減小該層的濃度，那么在Schottky勢(shì)壘的作用下，三角型勢(shì)阱中的電子將被全部吸干，在柵電壓為零時(shí)尚不足以在未摻雜的AlGaAs層中形成2-DEG，只有當(dāng)柵電壓為正時(shí)才能形成2-DEG，則這時(shí)的HEMT屬于增強(qiáng)型工作模式。N型AlxGa1-xAs層的厚度越小，可降低串聯(lián)電阻，但太小會(huì)產(chǎn)生寄生溝道，通常取35~60nm。N型AlxGa1-xAs層的組分x越大，禁帶寬度越大，導(dǎo)帶突變?cè)龃?，可增?-DEG濃度，但組分x太大時(shí)，晶體的缺陷增加，一般取x=0.3。5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管HEMT器件如果AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)中存在緩變層，緩變層厚度WGR的增大將使2-DEG的勢(shì)阱增寬，使勢(shì)阱中電子的子能帶降低，從而確定的Fermi能級(jí)下，2-DEG的濃度增大；但是，WGR的增大，使異質(zhì)結(jié)的高度降低，又將使2-DEG的濃度減小。WGRGaAsE2E1EFN-AlGaAs5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管HEMT器件存在一個(gè)最佳的緩變層厚度，使2-DEG的濃度最大。對(duì)于不存在隔離層N-Al0.37Ga0.63As/GaAs異質(zhì)結(jié)，計(jì)算給出2-DEG的濃度ns與AlGaAs中摻雜濃度ND和緩變層厚度WGR的關(guān)系如下所示。5.2非Si基場(chǎng)效應(yīng)晶體管GaNHEMT氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）首次亮相是在2004年，是由日本的Eudyna公司制造的耗盡型射頻晶體管。這種GaNHEMT采用碳化硅（SiC）襯底，專為射頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。HEMT結(jié)構(gòu)最早于1975年由T.Mimura等人首次報(bào)道，而在1994年，M.A.Khan等研究人員的工作揭示了在AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)界面存在異常高濃度的二維電子氣。借助這一發(fā)現(xiàn)，Eudyna公司能夠在千兆赫茲級(jí)的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)出色的功率增益。2005年，Nitronex公司推出了采用SIGANTICR技術(shù)在硅襯底上生長(zhǎng)的第一款耗盡型射頻GaNHEMT器件。第六章

表征與測(cè)量第六章表征與測(cè)量表征是對(duì)沒有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)或特性進(jìn)行研究。測(cè)量是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保測(cè)試是有意義。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的表征和測(cè)量半導(dǎo)體測(cè)試具有“及時(shí)性”????????原位測(cè)試，即監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體材料器件在實(shí)時(shí)和原位條件下的變化，也是以無損檢測(cè)技術(shù)為主的，對(duì)測(cè)試速度和測(cè)試環(huán)境有更高的要求。離線測(cè)試：無太多限制，可以使用機(jī)械、電子束、離子束等。在線測(cè)試：多以無損檢測(cè)技術(shù)為主，比如光學(xué)、激光、X射線、光電、電容、超聲波及熱磁等。第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)類型：以用途不同分類；質(zhì)量：純度要求在99.999999999%以上，表面平整度小于1nm，微粒小于1nm；（以12寸單晶硅晶圓為例）工業(yè)生產(chǎn)中的晶圓（1）表面缺陷（2）電阻率（3）導(dǎo)電類型（4）其他相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目全自動(dòng)晶圓挑片分選機(jī)AP-1800晶圓檢測(cè)儀

NC-6800方法目的用途拋光片研磨和化學(xué)腐蝕去除平整性瑕疵，去除表面缺陷存儲(chǔ)芯片、功率器件外延片以原始硅片為籽晶進(jìn)行薄膜沉積控制晶格缺陷，滿足線寬需求；調(diào)控外延層參數(shù)，優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)CPU、GPU等先進(jìn)制程退火片在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行高溫退火減少拋光引起局部的原子晶格缺陷及硅片表面的含氧量CMOS電路、DRAMSOI片鍵合或離子注入減小寄生電容、抑制短溝道效應(yīng)，提高集成度、提高運(yùn)行速度、降低功耗射頻芯片、功率器件、傳感器等結(jié)隔離片光刻、離子注入和熱擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)客戶特定的電氣性能需求—第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)表面冗余物：通過計(jì)數(shù)每平方厘米多少個(gè)顆粒；（8寸晶圓表面每平方厘米少于0.13個(gè)顆粒，尺寸要小于或等于0.08μm）晶體缺陷：通過計(jì)數(shù)的方式計(jì)算缺陷密度；（12寸晶圓中每平方厘米的缺陷不到1個(gè)）表面缺陷人工目檢（鏡檢）：人工獲取圖像+人工識(shí)別半自動(dòng)檢測(cè)AVI：自動(dòng)獲取圖像+人工識(shí)別自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)AOI：自動(dòng)獲取圖像+機(jī)器視覺識(shí)別相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目機(jī)械劃傷：不允許存在，通過研磨拋光等方式消除；一般只做外觀測(cè)試，不能做功能測(cè)試，主要采用光學(xué)的方式進(jìn)行檢測(cè)或捕捉。第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)圖像采集攝影系統(tǒng)（光電傳感器）、照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理背景噪聲減小（低通濾波+積分/平均值平滑）、圖像增強(qiáng)和銳化等（例如二值化、傅里葉變換、直方圖）；圖像分析特征提?。ㄈ缰狈綀D）、分割圖像(如灰度閾值分割法）、模板比較（包括模板匹配、模式匹配、統(tǒng)計(jì)模式匹配等）；缺陷報(bào)告增加比對(duì)次數(shù)和擴(kuò)大范圍進(jìn)行多重判定；表面缺陷——AOI第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)電阻率晶圓圖（WaferMapping）IC芯片用硅片：1～10Ω·m功率器件用硅片：MΩ級(jí)正方形薄層在半導(dǎo)體工業(yè)中，方塊電阻Rs是設(shè)計(jì)和制造之間的接口基于編碼來可視化半導(dǎo)體器件或芯片的性能；可擴(kuò)展到設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試等步驟中，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體工業(yè)全流程的可追溯性；分析半導(dǎo)體制造過程中數(shù)據(jù)的最流行的方法之一。第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)電阻率——接觸測(cè)量四探針法直接測(cè)量，作為其他方法測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)；線性四點(diǎn)法：測(cè)量傳感方向電阻率不同；范德堡法：圍繞樣品周邊放置的探針；（常與霍爾系數(shù)測(cè)試集成在一起）肖特基結(jié)探針法三探針法：一根探針與半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)；C-V法：探針與硅片表面接觸，形成金-半結(jié)構(gòu)；測(cè)量電阻率與深度的關(guān)系：剝離表面（薄層）→測(cè)量電阻率→剝離→測(cè)量...第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)電阻率——非接觸測(cè)量電學(xué)測(cè)量電容法、電感法、微波法等；渦流法：電感法的一種，用于測(cè)試均勻摻雜晶圓、半導(dǎo)體上金屬層的電阻和厚度。非電學(xué)測(cè)量以光學(xué)方法為主;光調(diào)制光反射（熱探針）：主要用于測(cè)量低劑量離子注入；太赫茲時(shí)域光譜：高靈敏度；Therma-Probe?680XP第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)幾何尺寸——直徑幾何尺寸——厚度通過中心點(diǎn)橫穿表面且不包含參考面或基準(zhǔn)區(qū)的直線尺寸光學(xué)比較儀（輪廓投影儀）D=L+(S-F)給定點(diǎn)處穿過晶圓的垂直距離，中心點(diǎn)的厚度稱為標(biāo)稱厚度靜電電容法干涉法第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)幾何尺寸——平坦度幾何尺寸——粗糙度晶圓表面平整、均勻、無表面不規(guī)則的程度；屬于宏觀幾何形狀誤差；總厚度偏差TTV、彎曲度bow、翹曲度Warp、總指示讀數(shù)TIR等靜電電容法和紅外線干涉法；晶圓表面平整、均勻、無表面不規(guī)則的程度；屬于微觀幾何形狀誤差；表面平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq、最大高度粗糙度Rmax等測(cè)量方法與平坦度基本相同；第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)其他——導(dǎo)電類型熱電動(dòng)勢(shì)法（冷熱探針）利用溫度梯度產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)來判斷導(dǎo)電類型整流法利用金屬探針與半導(dǎo)體材料表面容易構(gòu)成整流接觸的特點(diǎn)，可根據(jù)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)方向或示波器的波形判斷導(dǎo)電類型。對(duì)于n型襯底：第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)其他——少子壽命微波光電導(dǎo)衰減法μ-PCD測(cè)量有效壽命，但不適合壽命分布不均勻的樣品準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法QSSPC利用金屬探針與半導(dǎo)體材料表面容易構(gòu)成整流接觸即微波信號(hào)的變化量與電導(dǎo)率的變化量成正比第六章表征與測(cè)量6.1來料檢測(cè)其他——碳氧含量間隙氧OI氧原子融入晶格內(nèi)形成間隙雜質(zhì)，在一定溫度下傾向于從硅中以SiOx的形式沉淀出來，可以吸收雜質(zhì)或形成缺陷，改變電阻率和反向擊穿電壓。替位碳CS碳原子通常占據(jù)硅原子的位置,可能形成SiOx積累的中心，會(huì)影響OI的行為方式，增大漏電流。傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜FTIR第六章表征與測(cè)量6.2工藝監(jiān)測(cè)質(zhì)量工程工藝能力指數(shù)Cpk找到最佳性能的工藝，并將干擾因子的影響減到最?。粊砹蠙z查：事前預(yù)防控制工藝監(jiān)測(cè)：事中過程控制出貨檢查：事后驗(yàn)證，將量測(cè)結(jié)果與規(guī)范進(jìn)行比較工藝能力指數(shù)下限工藝能力指數(shù)=(平均—下限值)/(3σ)上限工藝能力指數(shù)=(上限值—平均值)/(3σ)多采用統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）1）測(cè)量過程；2）消除過程中的差異，使其保持一致；3）監(jiān)控過程；4）改進(jìn)工藝。循環(huán)并持續(xù)改進(jìn)實(shí)際工藝中要求不大于1.33，即±1.5σ或99.379%第六章表征與測(cè)量6.2工藝監(jiān)測(cè)薄膜量測(cè)分類光學(xué)檢測(cè)：基于光的波動(dòng)性和相干性電子束檢測(cè)：高精度X射線量測(cè)：表征薄膜檢測(cè)（Inspection）在晶圓表面上或電路結(jié)構(gòu)中，檢測(cè)其是否出現(xiàn)異質(zhì)情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對(duì)芯片工藝性能具有不良影響的特征性結(jié)構(gòu)缺陷。量測(cè)（Metrology）對(duì)被觀測(cè)的晶圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的定量描述。復(fù)檢（Review）工業(yè)中多采用光學(xué)檢測(cè)和電子束檢測(cè)互補(bǔ)的形式第六章表征與測(cè)量6.2工藝監(jiān)測(cè)量測(cè)——膜厚THK透明薄膜：光學(xué)方法不透明薄膜：通過方塊電阻與橫截面積計(jì)算（如金屬）橢偏光譜儀SE在橢偏儀的基礎(chǔ)上加入光柵單色儀組件，產(chǎn)生波長(zhǎng)連續(xù)變化的入射光，突破單波長(zhǎng)量測(cè)的限制，向多波長(zhǎng)的光譜量測(cè)拓展。適用于表征單層薄膜、復(fù)雜多層膜及超薄膜等結(jié)構(gòu)。白光干涉光譜WLRS利用光學(xué)干涉原理量測(cè)膜厚并獲得表面輪廓，通常使用寬帶光源（UV、VIS或NIR），不同基底厚度對(duì)應(yīng)不同范圍的光譜。適用于表面粗糙度、臺(tái)階高度、微觀結(jié)構(gòu)分析等方面的測(cè)量。第六章表征與測(cè)量6.2工藝監(jiān)測(cè)量測(cè)——關(guān)鍵尺寸CD半導(dǎo)體芯片中的最小線寬一般稱為關(guān)鍵尺寸光學(xué)關(guān)鍵尺寸OCD將偏振光投射到被測(cè)對(duì)象表面，受到表面形貌的影響而反射，通過收集被測(cè)