半導(dǎo)體製造工程の基礎(chǔ)講座　 第

1、半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座 第第1回平成回平成18年年9月月13日日第第2回平成回平成18年年9月月20日日?qǐng)鏊盒鼙矩?cái)団共同研究棟會(huì)議室場(chǎng)所：熊本財(cái)団共同研究棟會(huì)議室講義講義擔(dān)當(dāng)：熊本電波高専葉山清輝擔(dān)當(dāng)：熊本電波高専葉山清輝半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座 第第1回回1. 1. MOSMOS1.11.1分類特徴分類特徴1.21.2 MOSMOS構(gòu)造性質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)1.31.3 MOSFETMOSFET電気的特性電気的特性1.41.4他電界効果他電界効果2. 2.集積回路集積回路2.12.1分類特徴分類特徴2.22.2形集積回路形集積回路2.32.3 MOSMOS形

2、集積回路形集積回路2.42.4 Bi-CMOSBi-CMOS回路回路2.52.5集積回路設(shè)計(jì)技術(shù)集積回路設(shè)計(jì)技術(shù)半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座半導(dǎo)體製造工程基礎(chǔ)講座 第第2回回3. 3.製作工程（前工程）製作工程（前工程）3.13.1 3.23.2 SiSi3.33.3洗浄工程洗浄工程3.43.4酸化工程酸化工程3.53.5工程工程3.63.6不純物拡散工程不純物拡散工程3.73.7成膜工程成膜工程3.83.8前工程技術(shù)動(dòng)向前工程技術(shù)動(dòng)向4. 4.組立工程（後工程）組立工程（後工程）4.14.1工程工程4.24.2工程工程4.34.3工程工程4.44.4封入工程封入工程4.54.5検査工程検査工程5.

3、 5. 各種製作手順各種製作手順5.15.1 SiSi5.25.25.35.3 MOSFETMOSFET5.45.4集積回路集積回路MOSMOS1.11.1分類特徴分類特徴対？対？電子正孔種類伝導(dǎo)寄與代表的電界効果（FETFET略記）入力電圧出力電流制御半導(dǎo)體分類 MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor)接合形FET(junction field effect transistor; FET)MESFE

4、T（metal- semiconductor field effect transistor）HEMT（high electron mobility transistor）FET特徴逆方向pn接合，接觸，酸化物絶縁入力用，入力大多數(shù)動(dòng)作寄與，壽命再結(jié)合影響受型比微細(xì)化可能MOSMOS，MOSFETMOSFET代表代表MOSMOS構(gòu)造用総稱構(gòu)造用総稱1.21.2 MOSMOS構(gòu)造性質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)MOSMOS構(gòu)造構(gòu)造：金屬酸化膜Si半導(dǎo)體積層構(gòu)造Si酸化膜良好界面特性持VG大極性MOS構(gòu)造種変化生p p形半導(dǎo)體場(chǎng)合形半導(dǎo)體場(chǎng)合qVf：禁制帯中央準(zhǔn)位（Ei）p形半導(dǎo)體準(zhǔn)位（EFS）差不純物濃度決濃度Na

5、Vf，VfTqlnNani(1.1)Vox：酸化膜電圧，Vs：p形半導(dǎo)體電圧(1) V(1) VG G負(fù)場(chǎng)合（蓄積層形成）負(fù)場(chǎng)合（蓄積層形成） 金屬負(fù)電圧加場(chǎng)合金屬負(fù)電圧加場(chǎng)合p形半導(dǎo)體多數(shù)正孔電界引半導(dǎo)體表面（酸化膜半導(dǎo)體界面）集表面正孔蓄積，高濃度p形半導(dǎo)體（p）多數(shù)蓄積蓄積層蓄積層蓄積層形成半導(dǎo)體表面導(dǎo)電率増加正孔表面集表面付近準(zhǔn)位上側(cè)曲 図5-2蓄積層形成場(chǎng)合帯図qVGECEiEFMEVO半導(dǎo)體表面EFSSMp 形半導(dǎo)體0 x(x)QMQa=-QM正孔蓄積蓄積層（p+）-VG(a) 電界様子(b) 電荷密度(c) 図(2) V(2) VG G正場(chǎng)合（空乏層形成）正場(chǎng)合（空乏層形成） 金

6、屬正電圧加場(chǎng)合金屬正電圧加場(chǎng)合電界正孔表面排斥表面（負(fù)電荷）空乏層空乏層単位面積金屬表面電荷M，空乏層電荷QSqVs空乏層形成場(chǎng)合帯図ECEiEFMEVO半導(dǎo)體表面空間電荷EFSSMp 形半導(dǎo)體0 x(x)QMQSxd空乏層+VGqVGxd(a) 電界様子(b) 電荷密度(c) 図QM qNaxd(1.3)方程式用Vs計(jì)算電荷密度式(1.2) ，境界條件x=0V(0)=Vs，x=dV(d)=0， dV/dx=0解V(x) Vs(1xxd)2VsqNaxd22si0 QM QS半導(dǎo)體表面Vs下側(cè)曲，空乏層半導(dǎo)體側(cè)xd拡M(1.2)(3) V(3) VG G正大場(chǎng)合（反転層形正大場(chǎng)合（反転層形成）

7、成）金屬電極正電圧大場(chǎng)金屬電極正電圧大場(chǎng)合合強(qiáng)電界半導(dǎo)體表面電子引寄，表面n形化反転層以降，VG増加対反転層內(nèi)電荷増加，空乏層最大幅xdMAX以上広QM空乏層電荷QSMAX反転層電荷Qn和表，(1.4)反転層形成場(chǎng)合帯図ECEiEFMEVO半導(dǎo)體表面空間電荷EFSSM0 x(x)QMQSMAXxd空乏層+VGqVGxdMAXp 形半導(dǎo)體qVsqVf電子Qn反転 層 （n 形化）(a) 電界様子(b) 電荷密度(c) 図QM= QSMAX+QnQSMAX一定値，QM増加反転層電荷Qn増加VG増加反転層導(dǎo)電率制御反転層伝導(dǎo)用MOSFETMOSFET反転層形成電圧反転層內(nèi)電荷量反転層形成電圧反転層內(nèi)

8、電荷量(1.5)ECEiEFMEV半導(dǎo)體表面空間電荷EFSxdqVGqVsqVf電子(c) 図Vsinv=2Vf 空乏層最大幅xdMAX，式（1.1）（1.3）（1.5） afsiaSinvsidMAXqNVqNVx0022(1.6)QSM AX qNaxdM AX 2 qsi0NaVf空乏層內(nèi)電荷QSMAXqVf下方押曲，禁制帯中央（Ei）半導(dǎo)體EFs下位置時(shí)（VS Vf），原理的p形半導(dǎo)體表面n形化狀態(tài)弱反転狀態(tài)呼p形基板正孔密度同密度表面電子誘起反転層形成定義，対比場(chǎng)合強(qiáng)反転狀態(tài)呼時(shí)半導(dǎo)體表面電位Vsinv， (1.7)(1.8)電圧VG，酸化膜半導(dǎo)體加電圧和，MOS構(gòu)造靜電容量（単位面

9、積當(dāng)）？酸化膜靜電容量（ COX ）空乏層靜電容量（ Cd ）直列合成容量（C），Coxox0 xoxCdSi0 xd VG Vo xVS QSCo x VS値電圧VT ：反転層形成電圧反転狀態(tài)起酸化膜電圧曲和空乏層最大幅xdMAXVT，VTqNaxdMAXCox2Vf(1.9)CoxCdoxSi MOS構(gòu)造靜電容量OSMp 形半導(dǎo)體空乏層+VGxdxoxVoxVsVGVT0CCox ,1MHz高周波)(10Hz低周波)(図5-6MOS構(gòu)造容量-電圧特性C空乏狀態(tài)蓄積狀態(tài)反転狀態(tài)CMIN印加電圧容量関係印加電圧容量関係(1.10)酸化膜空乏層直列合成容量C，1C1Cox1Cd蓄積狀態(tài)，空乏層形

10、成，酸化膜容量COX空乏狀態(tài)MOS容量，1C1Cox12ox20qNaSixox2VG(1.12)VT空乏層最大幅xdMAX空乏層容量最低値CdMIN，合成容量最低値CMINCdMINSi0 xdMAX(1.11)CMINCoxCdMINCoxCdMIN低周波電圧変化対反転層內(nèi)濃度変化追従：曲線MOSFET反転層供給：同曲線簡(jiǎn)単化，金屬Si間仕事関數(shù)差，酸化膜中酸化膜Si界面電荷考実際，存在，電圧曲生電圧印加時(shí)半導(dǎo)體表面曲補(bǔ)正必要電圧電圧（VFB）VFB酸化膜中界面捕獲電荷QTR，EFMEFS金屬半導(dǎo)體準(zhǔn)位，次式表VFB1qEFMEFS QTRCOX(1.13)電圧1.31.3MOSFETMO

11、SFET電気的電気的特性特性 MOSFETMOSFET構(gòu)造構(gòu)造MOS構(gòu)造半導(dǎo)體表面反転層電流流通路用反転層同型MOS構(gòu)造左右（）及（）領(lǐng)域形成，MOS構(gòu)造制御電極（G)n形反転層MOSFETp形反転層pMOSFETMOSFETMOSFET特性解析特性解析反転層形成後（VGVT）反転層內(nèi)濃度Qn，式（1.4），（1.8），（1.9） MOS動(dòng)作原理VSVGVDnp形基板n+n+(a)線形領(lǐng)域，0VDVG-VT MOS動(dòng)作原理電流以上増，VDS増加點(diǎn)移動(dòng)電流値変點(diǎn)空乏層逆注入排出：電流IDmaxW2LnCox(VGVT)2前電流，距離x単位面積電荷Qn(x)用，IDWnQn(x)dVdx(1.17

12、)Qn（x）VT関係 VGVTQn(x)CoxV(x)(1.18)dVdxIDWnCoxVGVTV x 式（1.17）次整理 (1.19)微分方程式解， IDdx0 xL WnCoxVGVTV(x)dVV 0VVDIDWLnCox(VGVT)VD12VD2(1.20)VDVG-VT，點(diǎn)側(cè)移動(dòng)，電流変化飽和領(lǐng)域飽和領(lǐng)域VGI DVT(a)MOSFET伝達(dá)特性ID(b)MOSFET出力特性ronVD點(diǎn)軌跡（VD=VG-VT ）(VG-VT)大電流増加飽和領(lǐng)域線形領(lǐng)域VD：一定遮斷領(lǐng)域(VGVT ) MOSFETVG-ID曲線VGVD：一定I DVTVTnp形形形形p pMOSFETMOSFET電気

13、的特性電気的特性対印加電圧逆同様考不純物注入最初形成場(chǎng)合，電圧0電圧流形電圧印可電流流始形電圧0V電流流gm値，通常0.5數(shù)mSMOSFET入力電圧出力電流制御素子MOSFET入力高，間出力比較的高電気的絶縁，入力電流殆流，MOSFET電流増幅作用考FET増幅動(dòng)作表場(chǎng)合，入力電圧出力電流関係:伝達(dá)特性用伝達(dá)特性表相互（gm）次式定義gmdIDdVGSVDco n st.WLnCo xVD（1.23）1.41.4他電界効果他電界効果接合型電界効果（接合型電界効果（JFETJFET）構(gòu)造）構(gòu)造比較的抵抗率高半導(dǎo)體両端接觸形成（S）（D）電極pn接合形成（G）電極nJFET：n形半導(dǎo)體（下図） pJ

14、FET ：p形半導(dǎo)體間電流流逆加電圧（VGS）空乏層幅変化幅制御間電圧（VDS）電流電圧制御構(gòu)造図5-12接合型電界効果定量解析nDVDSGSVGSpVGSpah(x)dxx=0V(0)=0V(x)V(L)=VDx=LxIDS接合型電界効果（接合型電界効果（JFETJFET）特性）特性領(lǐng)域不純物濃度高，空乏層層拡電位V(x) ，xx+dx間抵抗dR(x)，幅：WdR(x)dxqnna2h(x)W(1.24)空乏層h(x)， h(x)2S i0qNd(V(x)VdVG)(1.25)電流ID， IDdVdR(x) qnn(a 2h(x)WdVdx(1.26)nND積分， IDqnNdWaLVD23

15、8Si0qNda2(VDVdVG)32(VdVG)32LnLDdxdxdVxhanWqdxI00)(2(， (1.27)，電流電圧比例VD VdVG図5-13JFET電気的特性VGSIDVDS1VDS2(a)伝達(dá)特性(b)出力特性IDVDVG負(fù)大値電流減少飽和領(lǐng)域線形領(lǐng)域VG=02(L)=a，VDVDsat式（1.25）， (1.29)VDsatqNda28Si0VdVG(1.28)飽和領(lǐng)域電流IDsat ：IDsatqnNdWaL238Si0(VdVG)qNda21(VdVG)13qNda28Si0gmsatIDsatVGqnNdWa2L18Si0(VdVG)qNda2(1.30)gm最大値

16、，VGS=0VID飽和VDS加得通常0.5數(shù)mSgm大，移動(dòng)度不純物密度高材料用，W大，L小 伝達(dá)gm：MESMES形電界効果（形電界効果（MESFETMESFET）GaAs化合物半導(dǎo)體Si比較電子移動(dòng)度大 高速動(dòng)作有利良好界面特性持絶縁膜形成接觸利用MESFETn形GaAs半導(dǎo)體（電子）上，接觸電極，及電極性接觸電極接地，電極正，電極変化空乏層幅伸縮電流制御可能MESFET動(dòng)作原理Si-JFET同化合物半導(dǎo)體基板用製作場(chǎng)合，MES構(gòu)造唯一適，高速動(dòng)作高速動(dòng)作広利用 HEMTHEMT（ high electron mobility transistor ）供給電子供給層（n-AlGaAs）走行

17、層（GaAs；高移動(dòng)度）分離構(gòu)造內(nèi)不純物散亂超高速（超高速（ GHzGHz以上以上） ）電子供給層電子GaAs層表面供給，薄2次元電子層（100 nm程度）形成電圧界面障壁制御，2次元電子層電子密度増減2. 2.集積回路集積回路集積回路（integrated circuit：IC）？回路機(jī)能得，抵抗，1基板上電気的接続回路電子計(jì)算機(jī)，裝置集積回路使用特，電子計(jì)算機(jī)，飛行機(jī)人工衛(wèi)星積込超小形裝置素子數(shù)非常多，高信頼性要求電子機(jī)器集積回路利點(diǎn) 高速度，低消費(fèi)電力，高信頼性高性能化，高集積化 構(gòu)成素子特性均一化安価2.12.1分類特徴分類特徴OIC半導(dǎo)體集積回路ICROMRAM MPUIILECLT

18、TL他用IC用ICVTR用IC他電源用 民生用 産業(yè)用 （記憶素子） （論理素子） （線形回路） （計(jì)數(shù)回路）ROMRAMSRAMDRAMROMEEPROMEPROM 周辺DSP周辺LSI321684他時(shí)計(jì)用LSI電卓用LSICMOS標(biāo)準(zhǔn) (論理素子) (記憶素子)図6-1集積回路動(dòng)作機(jī)能分類IC(Integrated Circuit) 呼名集積度（素子數(shù)/）集積度SSI(Small Scale Integration)MSI(Middle Scale Integration)LSI(Large Scale Integration)VLSI(Very Large Scale Integrati

19、on)ULSI(Ultra Large Scale Integration) 102 102 103102 105105 107107 小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模超大規(guī)模超超大規(guī)模表6-1集積回路集積度分類2.22.2形集積回路形集積回路入出力特性線形特性持，集積回路形集積回路広用特，線形性利用集積回路呼集積回路（高速性電流駆動(dòng)能力有）TTL（transistor transistor logic）集積回路ECL（emitter coupled logic）集積回路構(gòu)造集積回路接合素子分離用各素子逆領(lǐng)域中形成電気的分離p-Sinnnnpppn+n+n+n+n+容量抵抗pn接合分離図6-2形集積回路斷面

20、構(gòu)造(1) (1) 集積回路集積回路集積回路，抵抗，容量回路素子素子定數(shù)絶対値比較的大同一基板內(nèi)素子定數(shù)相対値精度高抵抗比較大面積必要集積回路能動(dòng)負(fù)荷差動(dòng)増幅回路多用NON- INVERTING INPUTINVERTING INPUTOFFSET NULLOFFSET NULLOUTPUTQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12Q13Q14Q15Q16Q17Q18Q19Q20R1 1kR2 1kR3 50kR4 5kR5 39kR6 50kR7 4.5kR8 7.5kR9 25R10 50R11 50C1 30pVV+-図6-3741型汎用演算増幅器回路例集積回路例（ 741形

21、演算増幅器）(2) TTL(2) TTL集積回路集積回路例NAND回路，多數(shù)端子持AND回路構(gòu)成，次段反転出力Tr入力高電圧Tr21入力0電位，電流1通Tr1流込Tr1増幅作用大電流流Tr2領(lǐng)域蓄積領(lǐng)域通放出，時(shí)間短時(shí)間短領(lǐng)域金不純物添加TTL集積回路高速，価格安広使 (3) ECL(3) ECL集積回路集積回路差動(dòng)増幅回路用論理構(gòu)成，接地回路出力次段駆動(dòng)構(gòu)造A,B端子加入力，差動(dòng)増幅回路一方入力VBB（値）比較論理決定出力信號(hào)入力側(cè)取出場(chǎng)合NOR回路，他方OR出力 差動(dòng)増幅器飽和領(lǐng)域動(dòng)作電流制御飽和領(lǐng)域動(dòng)作回避，電荷蓄積高速動(dòng)作実現(xiàn)2.32.3 MOSMOS形集積回路形集積回路MOSFET能

22、動(dòng)素子用集積回路n-MOS集積回路抵抗能動(dòng)負(fù)荷用相補(bǔ)形MOS集積回路（complementary MOSIC： CMOS IC）pMOSFETnMOSFET組合半導(dǎo)體局所酸化LOCOS（local oxidation of silicon）呼部分的厚形成酸化膜素子分離用多結(jié)晶Si電極用MOS構(gòu)造（，高集積化有利）占有領(lǐng)域比較MOS形集積回路形集積回路比較高集積化可能VLSIULSI広使用pn接合空乏層拡占有面積考慮MOSFETLOCOS素子分離占有領(lǐng)域小，高集積化有利（ （1 1） ）CMOSCMOS集積回路集積回路nMOSFETMOSFET組合回路動(dòng)作入力電圧高場(chǎng)合，増幅用nFET，負(fù)荷用p

23、FET，出力低電圧入力電圧低時(shí)逆動(dòng)作狀態(tài)殆電流流，狀態(tài)切換時(shí)電流流低消費(fèi)電力（ （2 2）半導(dǎo)體）半導(dǎo)體呼出（RAM），読出専用（ROM），大別RAMRAM読書可能，呼出時(shí)間一定RAM（SRAM）：MOSFET構(gòu)成一般高速，消費(fèi)電力大，集積度低RAM（DRAM）：大容量，低消費(fèi)電力，低価格，低速，動(dòng)作必要ROMROM読出専用（書込不可，書換高電圧必要），電源切記憶情報(bào)保持ROM：製作時(shí)決定，記憶內(nèi)容変更不可能PROM：製作後書込可能（破壊的動(dòng)作，非破壊的操作）EPROM：紫外線照射記憶消去，再書込EEPROM：電気的消去再書込（flash memoryflash memory） ）書換劣化抑単位高速消去行電気的書換（書込消去）可能不揮発性蓄積電荷有無閾値変化利用酸化膜非常薄，高度製造技術(shù)要書込：，高電圧與，接地電子（）注入消去：高電圧，接地，開放現(xiàn)象電子抜2.42.4 Bi-CMOSBi-CMOS回路回路CMOS集積回路組合，両者利點(diǎn)備集積回路持高速性，大電流駆動(dòng)能力，処理能力集積回路微細(xì)化，低電力性出力段回路寄生容量充放電行従來比伝播遅延時(shí)間50程度低減回路， 回路CMOS分擔(dān)混載，加、通信自動(dòng)車等民生機(jī)器幅広応用可能 2.52.5集積回路設(shè)計(jì)技術(shù)集積回路設(shè)計(jì)技術(shù)集積回路，素子構(gòu)成製作後回路変更設(shè)計(jì)大規(guī)模集積