半導(dǎo)體制程概論ppt課件

蕭宏博士,.,1,Chapter3半導(dǎo)體基礎(chǔ)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(biāo),從元素週期表上至少可以認(rèn)出兩種半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體是什麼?基本半導(dǎo)體元件基本積體電路製程,蕭宏博士,.,4,半導(dǎo)體是什麼?,介於導(dǎo)體和絕緣體之間藉摻雜物控制導(dǎo)電性矽和鍺半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)帶,Ec,蕭宏博士,.,8,能帶、能隙和電阻係數(shù),Eg=1.1eV,Eg=8eV,鋁2.7mWcm,鈉4.7mWcm,矽1010mWcm,二氧化矽1020mWcm,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,蕭宏博士,.,9,矽的單晶結(jié)構(gòu),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(zhì)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(dǎo)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(shù),摻雜物濃度,電阻係數(shù),P-型,硼,N-型,磷,蕭宏博士,.,15,摻雜物濃度和電阻係數(shù),摻雜物濃度越高，提供的載體越多(電子或電洞)導(dǎo)電性越高，電阻係數(shù)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(shù)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(shù),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(zhì)常數(shù),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(zhì)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(zhì)層,介電質(zhì)層,重?fù)诫s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(zhì),k,d,w,l,蕭宏博士,.,23,二極體,P-N接面僅準(zhǔn)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(nèi)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(dāng)作開關(guān)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(cè)壁基極接觸式NPN雙載子電晶體,蕭宏博士,.,32,金屬氧化半導(dǎo)體電晶體,金屬氧化半導(dǎo)體也稱作金氧半場效電晶體(MOSFET)簡單對稱的結(jié)構(gòu)可做為開關(guān),有助於發(fā)展數(shù)位邏輯電路在半導(dǎo)體工業(yè)中被廣泛的使用,蕭宏博士,.,33,NMOS元件基本結(jié)構(gòu),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(fù)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(zhì),可透過UV光線的鈍化介電質(zhì),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(chǎn)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(xué)機械研磨,退火,再流動,合金化,微影技術(shù),CVD,PVD,電鍍,圖案化蝕刻(RIE),剝除,全區(qū)蝕刻,介電質(zhì),金屬,磊晶，多晶矽,介電質(zhì),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(dǎo)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(shù)位電子的發(fā)展主要的驅(qū)動力:手錶計算器個人電腦網(wǎng)際網(wǎng)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(shù)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(shù)取代擴散NMOS取代PMOSNMOS速度比PMOS快自我對準(zhǔn)的源極/汲極主要驅(qū)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(zhǔn)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(dǎo)體是導(dǎo)電率介於導(dǎo)體和介電質(zhì)之間的材料導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體是以硼為摻雜物，以電洞為多數(shù)載體N型半導(dǎo)體是以磷砷和銻為主要摻雜物，以電子為多數(shù)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