半导体制程概论.pptx

蕭宏博士www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm1Chapter 3半導體基礎原理、元件與製程Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htmHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm2目標從元素週期表上至少可以認出兩種半導體材料列出n型和p型的摻雜物描述一個二極體和一個MOS 電晶體列出在半導體工業所製造的三種晶片列出至少四種在晶片製造上必備的基本製程Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm3主題半導體是什麼?基本半導體元件基本積體電路製程Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm4半導體是什麼?介於導體和絕緣體之間藉摻雜物控制導電性矽和鍺半導體化合物碳化矽,鍺化矽砷化鎵,磷化銦,等.Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm5元素週期表Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm6半導體基片與摻雜物基片P-型 摻雜物N-型 摻雜物Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm7單原子的軌道示意圖與能帶價帶,Ev能隙,Eg價殼層原子核導帶,EcHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm8能帶、能隙 和電阻係數Eg=1.1 eVEg=8 eV鋁2.7 mWcm鈉4.7 mWcm矽 1010 mWcm二氧化矽 1020 mWcm導體半導體絕緣體Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm9矽的單晶結構-SiSiSiSiSiSiSiSiSi共享電子Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm10為什麼用矽豐度高,價格不貴容易在熱氧化過程中成長一層二氧化矽.熱穩定性二氧化矽具強介電質及相對容易生成二氧化矽可以做為擴散摻雜的遮蓋Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm11N-型(砷)摻雜矽及施體能階-SiSiSiSiSiSiSiSiAs額外的電子價帶,EvEg=1.1 eV導帶,EcEd 0.05 eVHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm12P-型(硼)摻雜矽及其受體能階價帶,EvEg=1.1 eV導帶,EcEa 0.05 eV電子-SiSiSiSiSiSiSiSiB 電洞電洞Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm13電洞移動的示意說明價帶,EvEg=1.1 eV導帶,EcEa 0.05 eV電子電洞電子電洞價帶,EvEg=1.1 eV導帶,Ec價帶,EvEg=1.1 eV導帶,Ec電子電洞Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm14摻雜物濃度和電阻係數摻雜物濃度電阻係數P-型,硼N-型,磷Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm15摻雜物濃度和電阻係數摻雜物濃度越高，提供的載體越多(電子或電洞)導電性越高，電阻係數越低電子移動速度比電洞快在相同的濃度下，N-型 矽比P-型矽的電阻係數低Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm16基本元件電阻器電容器二極體雙載子電晶體金氧半場效電晶體Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm17電阻器lhwrr:電阻係數Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm18電阻器通常以多晶矽來製作IC晶片上的電阻器電阻的高低取決於長度、線寬、接面深度和摻雜物濃度Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm19hkldk:介電質常數電容器Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm20電容器電荷儲存元件記憶體元件,例如.DRAM挑戰:在維持相同的電容量下降低電容的尺寸高-k 介電質材料Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm21電容器多晶矽1多晶矽2氧化層多晶矽1多晶矽2介電質層介電質層重摻雜矽平行板堆疊深溝槽式多晶矽矽Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm22金屬間連線 與 RC時間延遲I金屬,r介電質,kdwlHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm23二極體P-N接面僅准許電流在正向偏壓的時候通過.Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm24二極體Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm25PN+-過渡區(空乏區)V0VpVn圖3.14Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm26內電壓矽 V0 0.7 VHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm27 二極體的 I-V曲線Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm28雙載子電晶體PNP 或 NPN接面當作開關使用放大器類比電路快速、高功率元件Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm29NPN 和 PNP電晶體NNPEBCPPNEBCHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm30NPN雙載子電晶體N型磊晶層pn+P型基片電子流n+n+深埋層p+p+SiO2AlCuSi基極集極射極Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm31P型晶片n+深埋層n 型磊晶層pp場區氧化層場區氧化層CVD氧化層CVD氧化層n+CVD氧化層多晶矽集極射極基極金屬n+場區氧化層側壁基極接觸式NPN雙載子電晶體Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm32金屬氧化半導體電晶體金屬氧化半導體也稱作金氧半場效電晶體(MOSFET)簡單對稱的結構可做為開關,有助於發展數位邏輯電路在半導體工業中被廣泛的使用Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm33NMOS 元件基本結構VGVD接地n+金屬匣極源極汲極p-Sin+VDVG氧化層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm34NMOS元件+“金屬匣極SiO2源極汲極p-Sin+VD 0VG VT 0+-電子流正電荷負電荷沒有電流n+SiO2源極汲極p-Sin+VDVG=0nHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm35PMOS元件+金屬匣極SiO2源極汲極n-Sip+VD 0VG VT 0VGVT0e-e-e-e-e-e-e-電子注入懸浮匣極控制匣極Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm56EPROM刪除步驟n+匣極氧化層源極汲極p-Sin+多晶矽 2多晶矽間介電質可透過UV光線的鈍化介電質VD 0VGVT0e-e-e-e-e-e-e-電子穿隧懸浮匣極控制匣極紫外光Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm57IC製程摘要 IC 生產工廠 添加添加製程製程 移除移除製程製程 加熱加熱製程製程圖案化圖案化製程製程 離子佈植 擴散 成長薄膜,SiO 沉積薄膜 晶圓清洗 蝕刻 化學機械研磨 退火 再流動 合金化 微影技術 CVD PVD 電鍍 圖案化蝕刻(RIE)剝除全區蝕刻 介電質 金屬 磊晶，多晶矽 介電質 金屬光阻塗佈(添加)烘烤(加熱及移除)顯影(移除)金屬氧化物 離子佈植 曝光(加熱)Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm58基本雙載體電晶體製程深埋層摻雜磊晶矽成長絕緣區和電晶體摻雜連接導線鈍化保護Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm59植入深埋層P型矽SiO2n+Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm60磊晶矽成長n+深埋層N型磊晶層P型矽Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm61植入絕緣區p+p+n+深埋層N型磊晶層P型矽Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm62植入射極、集極和基極p+p+n+pn+n+深埋層P型矽N型磊晶層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm63沉積金屬層p+p+n+深埋層射極基極集極SiO2AlCuSip+n+nP型矽N型磊晶層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm64鈍化保護的氧化沉積射極射極基極基極集極集極AlCuSiCVD氧化層SiO2p+p+n+深埋層N型磊晶p+n+nP型矽Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm65MOSFET有助於數位電子的發展主要的驅動力:手錶計算器個人電腦網際網路電信Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm661960s:PMOS製程雙載子電晶體為主第一顆 MOSFET在貝爾實驗室製造矽基片摻雜擴散硼在矽中的擴散速度較快PMOSHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm67PMOS 的製程流程(1960s)晶圓清洗 (R)蝕刻氧化層 (R)場區氧化 (A)剝除光阻 (R)光罩光罩1.(源極源極/汲極汲極)(P)鋁沉積 (A)蝕刻氧化層 (R)光罩光罩 4.(金屬)(P)光阻剝除/清洗 (R)蝕刻鋁 (R)S/D 擴散(硼/氧化反應)(A)剝除光阻 (R)光罩光罩2.(匣極匣極)(P)金屬退火 (H)蝕刻氧化層 (R)CVD 氧化層 (A)光阻剝除/清洗 (R)光罩光罩 5.(接合墊區)(P)匣極氧化 (A)蝕刻氧化層 (R)光罩光罩3.(接觸窗接觸窗)(P)測試和封裝Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm68晶圓清洗、場區氧化及光阻塗佈N-型矽型矽原生氧化層原生氧化層N-型矽型矽N-型矽型矽場區氧化層場區氧化層N-型矽型矽底漆層底漆層光阻光阻t場區氧化層場區氧化層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm69光微影技術和蝕刻N-型矽型矽源極源極/汲極汲極 光罩光罩光阻光阻場區氧化層場區氧化層N-型矽型矽源極源極/汲極汲極 光罩光罩光阻光阻紫外光紫外光N-型矽型矽光阻光阻場區氧化層場區氧化層N-型矽型矽光阻光阻場區氧化層場區氧化層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm70源極/汲極摻雜極匣極氧化N型矽型矽場區氧化層場區氧化層N型矽型矽p+p+場區氧化層場區氧化層N型矽型矽p+p+場區氧化層場區氧化層N型矽型矽p+p+匣極氧化層匣極氧化層場區氧化層場區氧化層Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm71接觸窗孔,金屬化和鈍化N型矽型矽p+p+匣極氧化層匣極氧化層場區氧化層場區氧化層N型矽型矽p+p+匣極氧化層匣極氧化層場區氧化層場區氧化層AlSiN型矽型矽p+匣極氧化層匣極氧化層場區氧化層場區氧化層p+匣極氧化層匣極氧化層 N型矽型矽CVD覆蓋氧化物覆蓋氧化物Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm72PMOS的說明N型矽型矽匣極氧化層匣極氧化層CVD覆蓋氧化層覆蓋氧化層p+p+Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm731970年代中期之後的NMOS 製程摻雜:離子佈植技術取代擴散NMOS取代 PMOSNMOS 速度比PMOS快自我對準的源極/汲極主要驅動力量:手表和計算器Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm74P型矽場區氧化層場區氧化層匣極源極汲極源極汲極匣極氧化層匣極氧化層磷離子,P+n+n+多晶矽多晶矽自我對準的源極/汲極佈植Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm75NMOS 製程序(1970s)晶圓清洗PSG再流動成長場區氧化層光罩光罩 3.接觸窗接觸窗光罩光罩1.元件區蝕刻 PSG/USG蝕刻氧化層光阻剝除/清洗光阻剝除/清洗鋁沉積成長匣極氧化層光罩光罩4.金屬沉積多晶矽蝕刻鋁光罩光罩2.匣極光阻剝除/清洗蝕刻多晶矽金屬退火光阻剝除/清洗CVD氧化層S/D佈植光罩光罩5.接合墊區接合墊區退火及多晶矽再氧化蝕刻氧化層CVD成長 USG及PSG 測試及封裝Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm76NMOS 製程序清洗氧化蝕刻多晶矽沉積.P+離子佈植場區氧化匣極氧化多晶矽蝕刻退火 p-Sin+n+p-Sip-Sip-Sipolypolypolypolyp-Sip-Sip-Sip-SiHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm77NMOS 製程序PSG 蝕刻金屬蝕刻金屬沉積氮化矽沉積PSG 沉積PSG再流動n+n+polypolypolypolypolypolyPSGPSGPSGPSGPSGPSGAlSiAlSiAlSiSiNp-Sip-Sip-Sip-Sip-Sip-SiHong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm78CMOS1980年代 MOSFET IC 超過雙載子電晶體LCD 取代LED電路的耗電量CMOS 取代 NMOS直到成為IC市場的主流資訊革命的骨幹Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm79CMOS的優點耗電量低溫度穩定性高雜訊免疫力高Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm80CMOS反相器電路圖、符號和邏輯表Vin Vout VssVddVinVoutPMOS NMOS InOut 0 1 1 0Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm81有雙金屬層的CMOS 晶片截面P型基片p+p+N型井區SiO2LOCOSBPSGAlCuSi金屬2,AlCuSi氮化矽氧化矽USG沉積/蝕刻/沉積多晶矽匣極IMDPMDPD2PD1p+p+n+n+Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm82FSG金屬4銅鈍化層1,USG鈍化層2,氮化矽鉛錫合金凸塊FSG銅金屬2FSGFSG銅金屬3FSGP型磊晶層P型晶圓N型井區P型井區n+STIp+p+USGn+PSG鎢FSGCuCu鉭阻擋層氮化矽蝕刻停止層氮化矽密封層M 1鎢局部連線鎢栓塞PMD氮化矽阻擋層T/TiN阻擋及附著層鉭阻擋層有四層金屬層的CMOS 晶片截面Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm83概要半導體是導電率介於導體和介電質之間的材料導電性能以摻雜物的濃度和所施加的電壓來控制 矽、鍺和砷化鎵是最常用的半導體材料 矽受歡迎的原因:豐度高及氧化物穩定Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm84概要P型半導體是以硼為摻雜物，以電洞為多數載體N型半導體是以磷砷和銻為主要摻雜物，以電子為多數載體摻雜物濃度越高,電阻率越低相同的摻雜物濃度,n型的電阻率低於P型Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm85概要R=r l/AC=k A/d電容主要使用在DRAMBipolar雙載子電晶體能放大電流也能當做電匣使用MOSFET 可做為電器控制開關，主要用在數位系統Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm86概要MOSFETs從1980年代主導IC產業 三種IC晶片：微處理器,記憶體和ASIC晶片CMOS的優點:耗電量低,較高的溫度穩定性,雜訊的免疫力高 以及時序的簡化Hong Xiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm87概要CMOS的基本製程步驟包括了晶圓預備處理、井區形成、絕緣形成、電晶體製造、連線和鈍化作用基本的半導體製程為添加、移除、加熱處理和圖案化.