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半導體是這兩年國家重點發(fā)展的行業(yè)，到底什么是半導體？生活中所有的物體按照導電性大致可分為三類：導體、半導體、絕緣體。這個很好理解，物體要么導電，要么不導電，要么有一點點導電，正是這種半推半就、不清不楚的物質(zhì)給物理學家不同的發(fā)揮空間。太絕對的導電和不導電的物質(zhì)沒什么意思，而在不同情況下導電性發(fā)生變化的東西才是有意思的。來張圖直觀看看物體的導電性：
按照導電性便分為：絕緣體: 電導率很低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；導 體：電導率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。自然界中常見的元素半導體有硅、鍺，據(jù)說鍺基半導體比硅基半導體還要更早發(fā)現(xiàn)和應用，但是硅的天然優(yōu)勢就是便宜！自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素，你說有多多！即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對它進行提煉。怎么提煉？一個字——燒！正如初中化學所學的，進行氧化還原反應。①SiC + SiO2 → Si(固體)+ SiO2(氣體)+ CO(氣體)②Si(固體)+ 3HC → SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)③SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)→ Si(固體)+ 3HCl(氣體)經(jīng)過三次高溫化學反應后，我們得到了固體硅，但這時候的硅是多晶硅。啥是多晶硅？如同我們剝橘子的時候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨長大！怎么讓一個小的單晶單獨長大呢？物理學家還是很聰明的，發(fā)明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名科學家名字命名的。行業(yè)也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!因為在長單晶時就是把小的晶體往上拔！拔的時候速度有點慢，來看看這個裝置：
圖中的這個藍色的圓棒就是單晶硅，在提拉的時候一邊旋轉(zhuǎn)一邊往上拔，提拉法長出來的晶錠就是圓柱體了。
再將長好的晶錠采用機械刀片進行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。有沒有很眼熟？晶圓就是這樣被生產(chǎn)出來了。雖然我們得到了晶圓，此時的單晶硅電化學性能還不行，不能直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶硅的電化學性能。如何改造單晶硅呢？先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。這部分知識初中化學學過，來張圖片直觀看看：
左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況，中間一個硅原子和四個硅兄弟共用電子。突然有一天，有個物理學家想到一個問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進群會怎樣？物理學家有一天把砷兄拉進了群，于是奇跡發(fā)生了：
砷兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅家的對象，另外一個電子單著了，這個電子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導電性。此時的砷原子多提供了一個電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。硅家的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成n型半導體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。
同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的砷元素進群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。
由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來2對電子的共價鍵現(xiàn)在成了只有一對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴(hole)。此時的硅基半導體被稱為p型半導體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導體和P型半導體。
當我們有了單晶硅，并且可以想辦法將單晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作為許多器件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。如在p?n結(jié)的制造過程中，二氧化硅薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的硅晶片，正準備進行氧化步驟，圖(b)只顯示被氧化晶片的上表層。
有了P型和N型半導體的理論知識，還可以玩點復雜的，對二氧化硅表面進行改造，改造成我們想要的圖形，比如畫只貓，畫朵花等…對晶圓表面進行改造的辦法就是光刻！光刻那不是要用到高端光刻機？聽說這種設(shè)備很牛逼….不如先看看光刻的原理：利用高速旋涂設(shè)備(spinner)，在晶片表面旋涂一層對紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠(photoresist)。將晶片從旋涂機拿下之后在80oC～100oC之間烘烤，以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強光刻膠與晶片的附著力。接下來使用UV光源，通過一有圖案的掩模版對晶片進行曝光。然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護的二氧化硅表面。最后，使用化學溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠。看看示意圖：
文字說的有點復雜，直觀理解有點像刻印章，先在石頭上用顏料涂個模型，然后按照模型的尺寸進行雕刻，基本是這個道理。印章有陽刻和陰刻的區(qū)別，晶圓也是這樣，根據(jù)光刻膠的選取不同，也能實現(xiàn)陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負膠。光刻后的硅表面暴露于外界中，此時物理學家在這個硅表面通過不同方法加入其它元素，稱為離子注入。因為注入B或者As離子以后，這些離子加入到硅家以后改變了硅家的傳統(tǒng)，硅的電化學性能發(fā)生了改變，此時的半導體叫做非本征(extrinsic)半導體。而由P型半導體和N型半導體接觸形成的結(jié)稱為p-n結(jié)！我們在摻雜完成以后，需要想辦法將這個半導體的性能引出，于是將這個半導體表面金屬化，歐姆接觸(ohmic contact)和連線(interconnect)在接著的金屬化步驟完成，金屬薄膜可以用PVD或CVD來形成。隨著金屬化的完成，p?n結(jié)就可以工作了！簡單的半導體知識就介紹這么多吧！
按照導電性便分為：絕緣體: 電導率很低，約介于20－18S/cm～10－8S/cm,如熔融石英及玻璃；導 體：電導率較高，介于104S/cm～106S/cm，如鋁、銀等金屬。半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。自然界中常見的元素半導體有硅、鍺，據(jù)說鍺基半導體比硅基半導體還要更早發(fā)現(xiàn)和應用，但是硅的天然優(yōu)勢就是便宜！自然界中常見的沙石就含有大量的硅元素，你說有多多！即使自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，缺陷也太多，不能直接拿來用，需要對它進行提煉。怎么提煉？一個字——燒！正如初中化學所學的，進行氧化還原反應。①SiC + SiO2 → Si(固體)+ SiO2(氣體)+ CO(氣體)②Si(固體)+ 3HC → SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)③SiHCl3(氣體)+ H2(氣體)→ Si(固體)+ 3HCl(氣體)經(jīng)過三次高溫化學反應后，我們得到了固體硅，但這時候的硅是多晶硅。啥是多晶硅？如同我們剝橘子的時候，里面有很多瓣橘子（多晶橘子），而且不同瓣的橘子味道不一樣（晶體方向），我們要選味道最好的一瓣橘子，選出來讓這瓣橘子單獨長大！怎么讓一個小的單晶單獨長大呢？物理學家還是很聰明的，發(fā)明了一種長單晶的辦法，叫柴可拉斯基法，可能方法就是以這名科學家名字命名的。行業(yè)也有一種直觀的稱呼，叫提拉法!因為在長單晶時就是把小的晶體往上拔！拔的時候速度有點慢，來看看這個裝置：圖中的這個藍色的圓棒就是單晶硅，在提拉的時候一邊旋轉(zhuǎn)一邊往上拔，提拉法長出來的晶錠就是圓柱體了。再將長好的晶錠采用機械刀片進行切割，切成一片一片的圓盤狀，便成了晶圓。有沒有很眼熟？晶圓就是這樣被生產(chǎn)出來了。雖然我們得到了晶圓，此時的單晶硅電化學性能還不行，不能直接用來做芯片，工程師們于是想辦法改造單晶硅的電化學性能。如何改造單晶硅呢？先深入了解一下硅元素，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外層有4個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子，這種共用電子對的結(jié)構(gòu)稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。這部分知識初中化學學過，來張圖片直觀看看：左邊這張圖是單晶硅的晶體結(jié)構(gòu)，為金剛石晶體結(jié)構(gòu)。右邊這張圖是硅原子共用電子的情況，中間一個硅原子和四個硅兄弟共用電子。突然有一天，有個物理學家想到一個問題，要是硅家不是和硅兄弟共用電子，把其他兄弟拉進群會怎樣？物理學家有一天把砷兄拉進了群，于是奇跡發(fā)生了：砷兄弟最外層有5個電子，其中4個電子找到了硅家的對象，另外一個電子單著了，這個電子成了無業(yè)游民，到處流竄，由于電子帶有電荷，于是改變了硅家的導電性。此時的砷原子多提供了一個電子給硅家，因此砷原子被稱為施主。硅家的自由電子多了以后，帶負電的載流子增加，硅變成n型半導體。為啥叫N型？在英文里Negative代表負，取這個單詞的第一個字母，就是N。同樣，物理學家想，既然可以拉電子多的砷元素進群，那么是否也可以拉電子少的硼原子進群？于是物理學家把硼原子拉進來試試。
由于硼原子最外層只有3個電子，比硅少一個，于是本來2對電子的共價鍵現(xiàn)在成了只有一對電子，多了一個空位，成了帶正電的空穴(hole)。此時的硅基半導體被稱為p型半導體，同樣P來自英文單詞Positive(正極)的首字母，而硼原子則被稱為受主。正是在硅單晶中加入的原子不同，便形成了N型半導體和P型半導體。當我們有了單晶硅，并且可以想辦法將單晶硅表面氧化成二氧化硅。二氧化硅可作為許多器件結(jié)構(gòu)的絕緣體，或在器件制作過程中作為擴散或離子注入的阻擋層。如在p?n結(jié)的制造過程中，二氧化硅薄膜可用來定義結(jié)的區(qū)域。來張示意圖看看，(a)顯示無覆蓋層的硅晶片，正準備進行氧化步驟，圖(b)只顯示被氧化晶片的上表層。
有了P型和N型半導體的理論知識，還可以玩點復雜的，對二氧化硅表面進行改造，改造成我們想要的圖形，比如畫只貓，畫朵花等…對晶圓表面進行改造的辦法就是光刻！光刻那不是要用到高端光刻機？聽說這種設(shè)備很牛逼….不如先看看光刻的原理：利用高速旋涂設(shè)備(spinner)，在晶片表面旋涂一層對紫外(UV)光敏感的材料，稱為光刻膠(photoresist)。將晶片從旋涂機拿下之后在80oC～100oC之間烘烤，以驅(qū)除光刻膠中的溶劑并硬化光刻膠，加強光刻膠與晶片的附著力。接下來使用UV光源，通過一有圖案的掩模版對晶片進行曝光。然后，使用緩沖氫氟酸作酸刻蝕液來移除沒有被光刻膠保護的二氧化硅表面。最后，使用化學溶劑或等離子體氧化系統(tǒng)剝離(stripped)光刻膠。看看示意圖：
文字說的有點復雜，直觀理解有點像刻印章，先在石頭上用顏料涂個模型，然后按照模型的尺寸進行雕刻，基本是這個道理。印章有陽刻和陰刻的區(qū)別，晶圓也是這樣，根據(jù)光刻膠的選取不同，也能實現(xiàn)陽刻和陰刻，人們選用的光刻膠稱為正膠和負膠。光刻后的硅表面暴露于外界中，此時物理學家在這個硅表面通過不同方法加入其它元素，稱為離子注入。因為注入B或者As離子以后，這些離子加入到硅家以后改變了硅家的傳統(tǒng)，硅的電化學性能發(fā)生了改變，此時的半導體叫做非本征(extrinsic)半導體。而由P型半導體和N型半導體接觸形成的結(jié)稱為p-n結(jié)！我們在摻雜完成以后，需要想辦法將這個半導體的性能引出，于是將這個半導體表面金屬化，歐姆接觸(ohmic contact)和連線(interconnect)在接著的金屬化步驟完成，金屬薄膜可以用PVD或CVD來形成。隨著金屬化的完成，p?n結(jié)就可以工作了！簡單的半導體知識就介紹這么多吧！
