半導體制程技術導論chapter-3半導體原理

1Chapter3

半導體基礎原理、組件與制程王鳳江，Ph.D.fjwang@2目標從元素周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管和一個MOS晶體管列出在半導體工業(yè)所制造的三種芯片列出至少四種在芯片制造上必備的基本制程原子結構3碳原子：原子核包含相同數目的質子(+)和中子，6個電子()繞原子核外圍軌道運轉。價電子電子

(負電荷)中子

(中性)原子數

(質子數)核心(原子中心；包含質子和中子)軌道殼質子

(正電荷)價電殼

(原子外殼)C6++NN+NN++N+N------電子殼層4K=2L=8M=18N=32O=32P=10Q=25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鈉和氯的電子軌跡模型6-----------Na11鈉原子氯原子Cl17-----------------7能帶、能隙和電阻系數Eg=1.1eVEg=8eV鋁2.7mWcm鈉4.7mWcm硅~1010mWcm二氧化硅>1020

mWcm導體半導體絕緣體離子8Na+

當一個原子失去一個電子成為正離子Na11----------Cl當一個原子得到一個電子成為負離子Cl17------------------周期表常用元素的特性離子鍵共價鍵

元素周期表Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH11.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912

24.312MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Phosphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxygen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat-inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257TransitionMetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinidesC612.011152.035703470s.?0.77原子量陰電性酸堿特性?

原子數

熔點

(℃)*沸點

(℃)原子半徑

(?)* 基於碳12.()表示大部分穩(wěn)態(tài)或同位素。? s.表示升華。?氧化物之區(qū)分，若為紅色則為酸性，若為藍色則為鹼性，且顏色之深淺代表酸鹼性之強弱。此外，若同時顯示兩色，則表示具備兩種特性。周期表的元素方格常用於晶圓制造之族群化學元素特性Continuedonnextslide常用於晶圓制造之族群化學元素特性(續(xù))具離子鍵的NaCl結構Cl-Na+---------------Cl17---H1氫原子氯原子H+ClHCl2個原子共用一個電子，形成共價鍵HCl的共價鍵16主題半導體是什么?基本半導體組件基本集成電路制程17半導體是什么?介于導體和絕緣體之間藉摻雜物控制導電性硅和鍺半導體化合物碳化硅,鍺化硅砷化鎵,磷化銦,等.Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH11.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912

24.312MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Phosphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxygen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat-inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257TransitionMetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinides半導體IVA族C，碳 6Si，硅 14Ge，鍺

32Sn，錫

50Pb，鉛

8220硅的單晶結構SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi21為什么用硅豐度高,價格不貴容易在熱氧化過程中成長一層二氧化硅.熱穩(wěn)定性二氧化硅具強介電質及相對容易生成二氧化硅可以做為擴散摻雜的遮蓋二氧化硅(SiO2)硅晶片硅晶片上的SiO2硅的摻雜PSiSiSiSiSiSiPPPP摻雜劑晶片摻質層摻質原子擴散進入硅沉積步驟驅入&擴散步驟硅片基板活化步驟GroupIII(p型)硼 5鋁

13鎵

31銦

49GroupIV碳 6硅 14鍺

32錫

50GroupV(n-型)氮 7磷 15砷 33銻

51受體雜質施體雜質半導體*劃線元素使用於硅基板的IC制程。硅摻雜施主原子提供過剩電子以形成n型硅磷原子當作n型的摻質過剩電子()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPPP摻雜磷以形成n型硅n型硅中的自由電子流自由電子流向正極電源正極

電子流電源負極

受主原子提供一個電子空位，形成p型硅空穴硼原子當作

p型的摻質SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB摻雜硼以形成p型硅在p型硅的空穴流電子流空穴流動電源正端電源負端空穴流向負極電子流向正極29N-型(砷)摻雜硅及施主能級-SiSiSiSiSiSiSiSiAs額外的電子價帶,EvEg=1.1eV導帶,EcEd~0.05eV30P-型(硼)摻雜硅及其受主能級價帶,EvEg=1.1eV導帶,EcEa~0.05eV電子-SiSiSiSiSiSiSiSiB電洞31空穴移動的示意說明價帶,EvEg=1.1eV導帶,EcEa~0.05eV電子電洞電子電洞價帶,EvEg=1.1eV導帶,Ec價帶,EvEg=1.1eV導帶,Ec電子電洞硅的電阻率與摻質濃度之關系RedrawnfromVLSIFabricationPrinciples,SiliconandGalliumArsenide,JohnWiley&Sons,Inc.電阻率(-cm)10211020101910181017101610151014101310-310-210-1100101102103n-型p-型摻質濃度(atoms/cm3)33摻雜物濃度和電阻系數摻雜物濃度越高，提供的載體越多(電子或電洞)導電性越高，電阻系數越低電子移動速度比電洞快在相同的濃度下，N-型硅比P-型硅的電阻系數低34基本組件電阻器電容器二極管雙載子晶體管金氧半場效晶體管35電阻器lhwrr:電阻系數36電阻器通常以多晶硅（電阻系數：200來制作IC芯片上的電阻器電阻的高低取決于長度、線寬、接面深度和摻雜物濃度37n-

基板金屬接觸薄膜型態(tài)的電阻SiO2，介電材料金屬接觸n-p-

擴散電阻SiO2，介電材料RECREBRBBRBCRCCRCB金屬接觸電阻體電阻n+

n+p-基極

發(fā)射極

集電極p-基板寄生電阻38hkldk:介電質常數電容器39電容器電荷儲存組件內存組件,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40電容器多晶硅1多晶硅2氧化層多晶硅1多晶硅2介電質層介電質層重摻雜硅平行板堆棧深溝槽式多晶硅硅41襯底氧化層介質金屬接觸襯底介質材料

(氧化層)第二層摻雜多晶層第一多晶硅

之金屬接觸第一摻雜多晶硅層襯底擴散區(qū)的金屬接觸摻雜的多晶硅層p-

擴散層襯底第一

多晶硅層第二

多晶硅層介質材料

(氧化層)42金屬間聯機與RC時間延遲I金屬,r介電質,kdwl43二極管P-N結僅準許電流在正向偏壓的時候通過.44二極管45PN++++++++++----------過渡區(qū)(空乏區(qū))V0VpVn圖3.1446內電壓硅V0~0.7V47

二極管的I-V曲線48雙載子晶體管PNP或NPN接面當作開關使用放大器模擬電路快速、高功率組件49NPN和PNP晶體管NNPEBCPPNEBC50NPN雙載子晶體管N型磊晶層pn+P型基片電子流n+n+

深埋層p+p+SiO2Al?Cu?Si基極集極射極51P型芯片n+

深埋層n型磊晶層pp場區(qū)氧化層場區(qū)氧化層CVD氧化層CVD氧化層n+CVD氧化層多晶硅集極射極基極金屬n+場區(qū)氧化層側壁基極接觸式NPN雙載子晶體管52金屬氧化半導體晶體管金屬氧化半導體也稱作金氧半場效晶體管(MOSFET)簡單對稱的結構可做為開關,有助于發(fā)展數字邏輯電路在半導體工業(yè)中被廣泛的使用53NMOS組件

基本結構VGVD接地n+金屬柵極源極汲極p-Sin+VDVG氧化層54NMOS組件+“金屬柵極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=0n55PMOS組件+金屬柵極SiO2源極汲極n-Sip+VD>0VG<VT<0+++++++-------電洞電流正電荷負電荷沒有電流p+SiO2源極汲極n-Sip+VDVG=0p56金氧半場效晶體管57MOSFET和飲水機(DrinkingFountain)MOSFET源極,汲極,柵極源極/汲極偏壓柵極加上偏壓電壓做為開關(開)電流從源極流到集極飲水機

源,汲,

柵閥受壓力作用的源閥對柵閥加壓(按鈕)做為開關(開)電流從源極流到集極58基本電路BipolarPMOSNMOSCMOSBiCMOS59不同基片的組件雙載子金氧半場效晶體管雙載子互補型金氧半晶體管硅砷化鎵:可以制作到頻率20GHz的組件發(fā)光二極管(LED)化合物雙載子:高速組件鍺主導IC工業(yè)60半導體產品的市場占有率金屬半場效晶體管100%50%198019902000化合物半導體雙載子晶體管88%8%4%61雙載子集成電路最早的IC芯片1961,四個雙載子晶體管,$150.00市占率快速下降在模擬系統和電源供應組件仍在使用電視,放映機,手機,等.62PMOS第一個金氧半場效晶體管,19601960年代用在數字邏輯組件在1970年代中期代替NMOS63NMOS較PMOS快1970到1980年代用在數字邏輯組件電子表以及手持式電子計算器1980年代被CMOS取代64CMOS1980年代刊開始被廣泛用在IC芯片的電路中低消耗功率具溫度的高穩(wěn)定性較高的噪聲免疫性對稱式設計65VinVoutVddVssPMOSNMOSCMOS反相器66CMOSICP型硅USGN型硅BalkSi多晶硅STIn+

源極/汲極p+源極/汲極氧化物柵67BICMOS結合CMOS和雙載子電路主要發(fā)展在1990年代CMOS做為邏輯電路雙載子做為輸出入組件速度比CMOS快高功率消耗當IC電力的供應降到1伏特以下就會喪失應用性68IC芯片組內存微處理器

特殊應用的集成電路(ASIC)69記憶芯片組以電荷形式的儲存組件揮發(fā)性內存動態(tài)隨機存取內存(DRAM)靜態(tài)隨機存取內存(SRAM)非揮發(fā)性內存

可抹除程序只讀存儲器(EPROM)閃存(FLASH)70DRAM計算機和電子儀器的主要儲存組件是IC制程發(fā)展的主要驅動力一個晶體管和一個電容71基本DRAM內存單元字符線位線VddNMOS電容72SRAM做為計算機的貯藏式內存來儲存最常用的指令由六個晶體管組件組成速度比DRAM快制程更復雜、價格更昂貴73EPROM非揮發(fā)式內存需要電力來保存數據利用計算機偏壓的記憶裝置貯藏開機用的指令懸浮柵極用紫外線來清除芯片記憶74EPROMn+柵極氧化層源極汲極p-Sin+VDVG多晶硅1多晶硅2多晶硅間介電質可透過UV光線的鈍化介電質懸浮柵極控制柵極75EPROM寫入步驟n+柵極氧化層源極汲極p-Sin+多晶硅2多晶硅間介電質可透過UV光線的鈍化介電質VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-電子注入懸浮柵極控制柵極76EPROM刪除步驟n+柵極氧化層源極汲極p-Sin+多晶硅2多晶硅間介電質可透過UV光線的鈍化介電質VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-電子穿隧懸浮柵極控制柵極紫外光77IC制程摘要

IC

生產工廠

添加制程

移除制程

加熱制程圖形化制程

離子注入

擴散

薄膜生長,SiO2

薄膜沉積

晶圓清洗

刻蝕

化學機械研磨

退火

再流動

合金化

光刻

CVD

PVD

電鍍

圖形化刻蝕(RIE)剝除全區(qū)蝕刻

電介質

金屬

外延，多晶硅

電介質

金屬光刻膠涂敷

(添加)

烘烤(加熱及移除)

顯影(移除)

金屬氧化物

離子注入

曝光(加熱)78基本雙載體晶體管制程深埋層摻雜外延硅成長絕緣區(qū)和晶體管摻雜連接導線鈍化保護79植入深埋層P型硅SiO2n+80外延硅成長n+深埋層N型外延P型硅81植入絕緣區(qū)p+p+n+深埋層N型外延P型硅82植入射極、集極和基極p+p+n+pn+n+深埋層P型硅N型外延83沉積金屬層p+p+n+深埋層射極基極集極SiO2Al?Cu?Sip+n+nP型硅N型外延84鈍化保護的氧化沉積射極基極集極Al?Cu?SiCVD\氧化層SiO2p+p+n+深埋層N型外延p+n+nP型硅85MOSFET有助于數字電子的發(fā)展主要的驅動力:手表計算器個人計算機因特網電信861960s:PMOS制程雙載子晶體管為主第一顆MOSFET在貝爾實驗室制造硅基片摻雜擴散硼在硅中的擴散速度較快PMOS87PMOS的制程流程(1960s)晶圓清洗(R)蝕刻氧化層(R)場區(qū)氧化(A)剝除光阻(R)光罩1.(源極/汲極)(P)鋁沉積(A)蝕刻氧化層(R)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2.(柵極)(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5.(接合墊區(qū))(P)柵極氧化(A)蝕刻氧化層(R)光罩3.(接觸窗)(P)測試和封裝88晶圓清洗、場區(qū)氧化及光阻涂布N-型硅原生氧化層N-型硅N-型硅場區(qū)氧化層N-型硅底漆層光刻膠場區(qū)氧化層89光微影技術和蝕刻N-型硅源極/漏極光刻光刻膠場區(qū)氧化層N-型硅源極/汲極光罩光刻膠紫外光N-型硅光阻場區(qū)氧化層N-型硅光阻場區(qū)氧化層90源極/汲極摻雜極柵極氧化N型硅場區(qū)氧化層N型硅p+p+場區(qū)氧化層N型硅p+p+場區(qū)氧化層N型硅p+p+柵極氧化層場區(qū)氧化層91接觸窗孔,金屬化和鈍化N型硅p+p+柵極氧化層場區(qū)氧化層N型硅p+p+柵極氧化層場區(qū)氧化層Al?SiN型硅p+柵極氧化層場區(qū)氧化層p+柵極氧化層

N型硅CVD覆蓋氧化物92PMOS的說明N型硅柵極氧化層CVD覆蓋氧化層p+p+931970年代中期之后的NMOS制程摻雜:離子布植技術取代擴散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94P型硅場區(qū)氧化層柵極源極汲極柵極氧化層磷離子,P+n+n+多晶硅自對準的源極/漏極布植95NMOS制程序(1970s)晶圓清洗PSG再流動成長場區(qū)氧化層光罩3.接觸窗光罩1.組件區(qū)蝕刻PSG/USG蝕刻氧化層光阻剝除/清洗光阻剝除/清洗鋁沉積成長柵極氧化層光罩4.金屬沉積多晶硅蝕刻鋁光罩2.柵極光阻剝除/清洗蝕刻多晶硅金屬退火光阻剝除/清洗CVD氧化層S/D布植光罩5.接合墊區(qū)退火及多晶硅再氧化蝕刻氧化層CVD成長USG及PSG測試及封裝