半導體制程概論ppt課件

蕭宏博士,.,1,Chapter3半導體基礎原理、元件與製程,HongXiao,Ph.D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,蕭宏博士,.,2,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(yè)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,蕭宏博士,.,3,主題,半導體是什麼?基本半導體元件基本積體電路製程,蕭宏博士,.,4,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.,蕭宏博士,.,5,元素週期表,蕭宏博士,.,6,半導體基片與摻雜物,基片,P-型摻雜物,N-型摻雜物,蕭宏博士,.,7,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,Ec,蕭宏博士,.,8,能帶、能隙和電阻係數,Eg=1.1eV,Eg=8eV,鋁2.7mWcm,鈉4.7mWcm,矽1010mWcm,二氧化矽1020mWcm,導體,半導體,絕緣體,蕭宏博士,.,9,矽的單晶結構,蕭宏博士,.,10,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(wěn)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,蕭宏博士,.,11,N-型(砷)摻雜矽及施體能階,價帶,Ev,Eg=1.1eV,導帶,Ec,Ed0.05eV,蕭宏博士,.,12,P-型(硼)摻雜矽及其受體能階,蕭宏博士,.,13,電洞移動的示意說明,蕭宏博士,.,14,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,蕭宏博士,.,15,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,蕭宏博士,.,16,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,蕭宏博士,.,17,電阻器,l,h,w,r,r:電阻係數,蕭宏博士,.,18,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,蕭宏博士,.,19,h,k,l,d,k:介電質常數,電容器,蕭宏博士,.,20,電容器,電荷儲存元件記憶體元件,例如.DRAM挑戰(zhàn):在維持相同的電容量下降低電容的尺寸高-k介電質材料,蕭宏博士,.,21,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,蕭宏博士,.,22,金屬間連線與RC時間延遲,I,金屬,r,介電質,k,d,w,l,蕭宏博士,.,23,二極體,P-N接面僅準許電流在正向偏壓的時候通過.,蕭宏博士,.,24,二極體,蕭宏博士,.,25,P,N,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,過渡區(qū)(空乏區(qū)),V,0,V,p,V,n,圖3.14,蕭宏博士,.,26,內電壓,矽V00.7V,蕭宏博士,.,27,二極體的I-V曲線,蕭宏博士,.,28,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,蕭宏博士,.,29,NPN和PNP電晶體,蕭宏博士,.,30,NPN雙載子電晶體,N型磊晶層,p,n,+,P型基片,電子流,n,+,n+深埋層,p+,p+,SiO2,AlCuSi,基極,集極,射極,蕭宏博士,.,31,P型晶片,n+深埋層,n型磊晶層,p,p,場區(qū)氧化層,場區(qū)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(qū)氧化層,側壁基極接觸式NPN雙載子電晶體,蕭宏博士,.,32,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(fā)展數位邏輯電路在半導體工業(yè)中被廣泛的使用,蕭宏博士,.,33,NMOS元件基本結構,VG,VD,接地,n,+,金屬匣極,源極,汲極,p-Si,n,+,V,D,V,G,氧化層,蕭宏博士,.,34,NMOS元件,+,“金屬匣極,SiO,2,源極,汲極,p-Si,n,+,V,D,0,V,G,V,T,0,+,-,電子流,正電荷,負電荷,沒有電流,n,+,SiO,2,源極,汲極,p-Si,n,+,V,D,V,G,=0,n,蕭宏博士,.,35,PMOS元件,+,金屬匣極,SiO,2,源極,汲極,n-Si,p,+,V,D,0,V,G,VT0,e-e-e-e-e-e-,e-,電子注入,懸浮匣極,控制匣極,蕭宏博士,.,56,EPROM刪除步驟,n,+,匣極氧化層,源極,汲極,p-Si,n,+,多晶矽2,多晶矽間介電質,可透過UV光線的鈍化介電質,VD0,VGVT0,e-e-e-e-e-e-,e-,電子穿隧,懸浮匣極,控制匣極,紫外光,蕭宏博士,.,57,IC製程摘要,IC,生產工廠,添加製程,移除製程,加熱製程,圖案化製程,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(qū)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),蕭宏博士,.,58,基本雙載體電晶體製程,深埋層摻雜磊晶矽成長絕緣區(qū)和電晶體摻雜連接導線鈍化保護,蕭宏博士,.,59,植入深埋層,P型矽,SiO,2,n,+,蕭宏博士,.,60,磊晶矽成長,n,+,深埋層,N型磊晶層,P型矽,蕭宏博士,.,61,植入絕緣區(qū),p,+,p,+,n,+,深埋層,N型磊晶層,P型矽,蕭宏博士,.,62,植入射極、集極和基極,p,+,p,+,n,+,p,n,+,n,+,深埋層,P型矽,N型磊晶層,蕭宏博士,.,63,沉積金屬層,p,+,p,+,n,+,深埋層,射極,基極,集極,SiO,2,AlCuSi,p,+,n,+,n,P型矽,N型磊晶層,蕭宏博士,.,64,鈍化保護的氧化沉積,射極,基極,集極,AlCuSi,CVD,氧化層,SiO,2,p,+,p,+,n,+,深埋層,N型磊晶,p,+,n,+,n,P型矽,蕭宏博士,.,65,MOSFET,有助於數位電子的發(fā)展主要的驅動力:手錶計算器個人電腦網際網路電信,蕭宏博士,.,66,1960s: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PMOS,蕭宏博士,.,67,PMOS的製程流程(1960s),蕭宏博士,.,68,晶圓清洗、場區(qū)氧化及光阻塗佈,N-型矽,原生氧化層,N-型矽,N-型矽,場區(qū)氧化層,N-型矽,底漆層,光阻t,場區(qū)氧化層,蕭宏博士,.,69,光微影技術和蝕刻,N-型矽,源極/汲極光罩,光阻,場區(qū)氧化層,N-型矽,源極/汲極光罩,光阻,紫外光,N-型矽,光阻,場區(qū)氧化層,N-型矽,光阻,場區(qū)氧化層,蕭宏博士,.,70,源極/汲極摻雜極匣極氧化,N型矽,場區(qū)氧化層,N型矽,p,+,p,+,場區(qū)氧化層,N型矽,p,+,p,+,場區(qū)氧化層,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區(qū)氧化層,蕭宏博士,.,71,接觸窗孔,金屬化和鈍化,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區(qū)氧化層,AlSi,蕭宏博士,.,72,PMOS的說明,N型矽,匣極氧化層,CVD覆蓋氧化層,p+,p+,蕭宏博士,.,73,1970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,蕭宏博士,.,74,P型矽,場區(qū)氧化層,匣極,源極汲極,匣極氧化層,磷離子,P+,n+,n+,多晶矽,自我對準的源極/汲極佈植,蕭宏博士,.,75,NMOS製程序(1970s),蕭宏博士,.,76,NMOS製程序,清洗,氧化蝕刻,多晶矽沉積.,P+離子佈植,場區(qū)氧化,匣極氧化,多晶矽蝕刻,退火,p-Si,n+,n+,p-Si,p-Si,p-Si,poly,poly,poly,poly,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,蕭宏博士,.,77,NMOS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+,poly,poly,poly,poly,poly,poly,PSG,PSG,PSG,PSG,PSG,PSG,AlSi,AlSi,AlSi,SiN,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,蕭宏博士,.,78,CMOS,1980年代MOSFETIC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,蕭宏博士,.,79,CMOS的優(yōu)點,耗電量低溫度穩(wěn)定性高雜訊免疫力高,蕭宏博士,.,80,CMOS反相器電路圖、符號和邏輯表,V,in,V,out,V,ss,V,dd,V,in,V,out,PMOS,NMOS,InOut0110,蕭宏博士,.,81,有雙金屬層的CMOS晶片截面,P型基片,p+,p+,N型井區(qū),SiO2,LOCOS,BPSG,AlCuSi,金屬2,AlCuSi,氮化矽,氧化矽,USG沉積/蝕刻/沉積,多晶矽匣極,IMD,PMD,PD2,PD1,p+,p+,n+,n+,蕭宏博士,.,82,FSG,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2,FSG,FSG,銅,金屬3,FSG,P型磊晶層,P型晶圓,N型井區(qū),P型井區(qū),n,+,STI,p,+,p,+,USG,n,+,PSG,鎢,FSG,Cu,Cu,鉭阻擋層,氮化矽蝕刻停止層,氮化矽密封層,M1,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,蕭宏博士,.,83,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(wěn)定,蕭宏博士,.,84,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,蕭宏博士,.,85,概要,R=rl/AC=kA/d電容主要使用在DRA