半导体器件与工艺

本书构建了半导体器件原理与制造工艺的完整知识体系，全书共6章，按照“基础理论—核心器件—制造工艺—检测技术”的框架展开。首先介绍了半导体器件物理的基础知识，然后系统解析了二极管、双极型晶体管、场效应晶体管等代表性半导体器件的工作机理，之后完整呈现了集成电路的制造工艺与设备，最后介绍了相关量测工艺与设备。书中通过“结构—特性—应用”三维模型，形成了完整的认知闭环。全书践行产学研协同理念，联合上海积塔半导体有限公司等企业，融入晶圆级制造及车规级芯片产业化成果，依托联合实验室，融合经典理论与异构集成技术，兼具学术深度与产业前瞻性。

本书适合芯片制造与设计人员、半导体工艺和设备工程师阅读，也适合作为高等院校微电子科学与工程、电子科学与技术等相关专业的教材。

前言

第1章 半导体器件物理基础1

1.1 固体物理概述1

1.1.1 固体物理基础1

1.1.2 晶体结构与对称性1

1.2 能带理论3

1.2.1 晶体能带的形成3

1.2.2 价带、导带和禁带6

1.2.3 布里渊区和能带结构7

1.2.4 费米能级14

1.3 载流子行为17

1.3.1 载流子的定义17

1.3.2 本征激发17

1.3.3 产生机制与能带关联17

1.3.4 载流子与材料导电性的关系17

1.3.5 半导体材料分类及载流子特性分析18

1.3.6 载流子的漂移运动18

1.3.7 载流子的扩散运动19

1.3.8 双极输运现象19

1.4 PN结及其特性20

1.4.1 PN结的形成20

1.4.2 PN结零偏21

1.4.3 PN结反偏26

1.4.4 PN结正偏28

1.4.5 PN结应用29

第2章 二极管31

2.1 PN结二极管31

2.1.1 PN结的基本结构31

2.1.2 PN结电流31

2.1.3 边界条件32

2.1.4 PN结的能带图和耗尽层35

2.2 雪崩二极管36

2.2.1 雪崩击穿36

2.2.2 雪崩二极管简介43

2.2.3 雪崩二极管的伏安特性曲线44

2.3 齐纳二极管44

2.3.1 齐纳击穿44

2.3.2 齐纳二极管简介45

2.3.3 齐纳二极管的伏安特性曲线46

2.4 发光二极管46

2.4.1 基本结构与工作原理47

2.4.2 特征曲线48

2.4.3 实用案例49

第3章 双极型晶体管51

3.1 基本结构与工作原理51

3.1.1 NPN型晶体管51

3.1.2 PNP型晶体管54

3.2 特性曲线54

3.2.1 共基极直流特性曲线族55

3.2.2 共发射极直流特性曲线族55

3.2.3 不正常的输出特性分析56

3.3 双极型晶体管应用实例60

3.3.1 NPN型晶体管的应用电路设计60

3.3.2 PNP型晶体管的应用电路设计61

3.3.3 NPN型与PNP型晶体管混合应用62

3.3.4 NPN型与PNP型晶体管的优缺点分析63

第4章 场效应晶体管64

4.1 结型场效应晶体管64

4.1.1 结型场效应晶体管的基本结构64

4.1.2 结型场效应晶体管的基本原理（以N沟JFET为例）64

4.1.3 结型场效应晶体管的特性曲线66

4.1.4 MESFET67

4.1.5 结型场效应晶体管的直流特性与低频小信号参数68

4.1.6 结型场效应晶体管的交流小信号参数74

4.1.7 结型场效应晶体管的交流特性76

4.1.8 结型场效应晶体管结构举例78

4.2 绝缘栅场效应晶体管82

4.2.1 绝缘栅场效应晶体管的基本概念82

4.2.2 绝缘栅场效应晶体管技术发展历程82

4.2.3 绝缘栅场效应晶体管的结构组成82

4.2.4 绝缘栅场效应晶体管的工作原理83

4.2.5 绝缘栅场效应晶体管的分类84

4.2.6 绝缘栅场效应晶体管的主要特性84

4.2.7 绝缘栅场效应晶体管的主要应用领域84

4.2.8 未来挑战与创新方向84

4.3 金属-氧化物-半导体场效应晶体管85

4.3.1 基本结构与工作原理85

4.3.2 特性曲线87

第5章 集成电路制造工艺与设备89

5.1 集成电路制造概述89

5.1.1 硅片制造厂90

5.1.2 集成电路的制造步骤90

5.2 图形生成工艺与设备92

5.2.1 图形生成工艺概述92

5.2.2 基本光刻工艺流程97

5.2.3 光刻技术中的常见问题105

5.2.4 图形生成设备107

5.3 增材工艺与设备114

5.3.1 化学气相淀积114

5.3.2 APCVD116

5.3.3 LPCVD117

5.3.4 PECVD119

5.3.5 薄膜质量控制120

5.3.6 物理气相淀积122

5.3.7 真空蒸镀124

5.3.8 溅射127

5.3.9 直流溅射131

5.3.10 射频溅射132

5.3.11 磁控溅射133

5.3.12 其他溅射方法135

5.4 减材工艺与设备137

5.4.1 减材工艺设备概述137

5.4.2 湿法刻蚀的工艺原理与设备138

5.4.3 干法刻蚀的工艺原理与设备140

5.4.4 CMP的工艺原理与设备145

5.5 材料改性工艺与设备150

5.5.1 材料改性工艺概述150

5.5.2 离子注入工艺和设备152

5.5.3 离子注入激活工艺158

第6章 量测工艺与设备159

6.1 半导体工艺监测与测量159

6.1.1 半导体工艺监测内容与需求159

6.1.2 外观监测160

6.1.3 颗粒监测162

6.1.4 带图案晶圆的缺陷监测163

6.2 红外检验技术163

6.2.1 红外检验的原理及应用163

6.2.2 红外显微镜165

6.2.3 红外显微镜使用的检测器167

6.2.4 红外显微镜的灵敏度168

6.2.5 红外显微镜系统的参量169

6.2.6 热显微照相170

6.2.7 扫描时间极限172

6.2.8 高速扫描显微镜172

6.3 形貌检测技术173

6.3.1 扫描电子显微镜技术173

6.3.2 重叠监测175

6.4 膜厚测量与截面测量技术177

6.4.1 膜厚测量的原理177

6.4.2 截面测量技术177

6.4.3 TEM 制样技术178

6.5 缺陷分析179

6.5.1 缺陷分析的基础知识179

6.5.2 利用FBM进行比较179