半导体制程概论03.ppt

1、蕭宏博士,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,1,Chapter 3 半導體基礎原理、元件與製程,Hong Xiao, Ph. D.www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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.au

2、stin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,3,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.htm,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.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,5,元素週期表,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.

3、htm,6,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.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,8,能帶、能隙 和電阻係數,Eg = 1.1 eV,Eg = 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,

4、Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,9,矽的單晶結構,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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.htm,11,N-型 (砷) 摻雜矽及施體能階,價帶, Ev,Eg = 1.1 eV,導帶, Ec,Ed 0.05 eV

5、,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,12,P-型(硼) 摻雜矽及其受體能階,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,13,電洞移動的示意說明,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,

6、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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,17,電阻器,l,h,w,r,r:電阻係數,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/Ho

7、ngXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,19,h,k,l,d,k:介電質常數,電容器,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,20,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.t

8、x.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,22,金屬間連線 與 RC時間延遲,I,金屬,r,介電質,k,d,w,l,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,23,二極體,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

9、.tx.us/HongXiao/Book.htm,24,二極體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,25,P,N,+ +,+ +,+ +,+ +,+ +,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,過渡區(空乏區),V,0,V,p,V,n,圖3.14,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,26,內電壓,矽 V0 0.7 V,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,27,二極

10、體的 I-V曲線,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,29,NPN 和 PNP電晶體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,

11、AlCuSi,基極,集極,射極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,31,P型晶片,n+ 深埋層,n 型磊晶層,p,p,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.htm,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, 有助於發展數位邏

12、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.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,+,

13、SiO,2,源極,汲極,p-Si,n,+,V,D,V,G,= 0,n,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,35,PMOS元件,+,金屬匣極,SiO,2,源極,汲極,n-Si,p,+,V,D, 0,V,G, V,T, 0,+ + + + + + +,- - - - - - -,電洞電流,正電荷,負電荷,沒有電流,p,+,SiO,2,源極,汲極,n-Si,p,+,V,D,V,G,= 0,p,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,36,金氧半場效電

14、晶體,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,37,MOSFET 和飲水機(Drinking Fountain),MOSFET源極, 汲極, 匣極 源極 / 汲極偏壓 匣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, 匣 閥 受壓力作用的源閥 對匣閥加壓 (按鈕)做為開關(開) 電流從源極流到集極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,38,基本電路,Bipolar PMOS NMOS CMOS BiCMOS,Hong Xi

15、ao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,39,不同基片的元件,雙載子 金氧半場效電晶體 雙載子互補型金氧半電晶體,矽,砷化鎵: 可以製作到頻率 20 GHz 的元件 發光二極體 (LED),化合物,雙載子:高速元件,鍺,主導IC工業,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,40,半導體產品的市場佔有率,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,41,雙載子積體電路,最早的IC晶片 1961,

16、四個雙載子電晶體, $150.00 市佔率快速下降 在類比系統和電源供應元件仍在使用 電視,放映機,手機, 等.,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,42,PMOS,第一個 金氧半場效電晶體, 1960 1960年代用在數位邏輯元件 在1970年代中期代替NMOS,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,43,NMOS,較PMOS快 1970到1980年代用在數位邏輯元件 電子表以及手持式電子計算機 1980年代被CMOS取代,Hong Xia

17、o, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,44,CMOS,1980年代刊開始被廣泛用在IC晶片的電路中 低消耗功率 具溫度的高穩定性 較高的雜訊免疫性 對稱式設計,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,45,V in,Vout,Vdd,Vss,PMOS,NMOS,CMOS反相器,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,46,CMOS IC,P型矽,USG,N型矽,Balk Si,多晶矽,ST

18、I,n+ 源極/汲極,p+源極/汲極,氧化物匣,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,47,BICMOS,結合CMOS 和雙載子電路 主要發展在1990年代 CMOS做為邏輯電路 雙載子做為輸出入元件 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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,48,IC晶片組,記憶體 微處理器 特殊應用的積體電路(ASIC),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc

19、.tx.us/HongXiao/Book.htm,49,記憶晶片組,以電荷形式的儲存元件 揮發性記憶體 動態隨機存取記憶體 (DRAM) 靜態隨機存取記憶體(SRAM) 非揮發性記憶體 可抹除程式唯讀記憶體(EPROM) 快閃記憶體(FLASH),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,50,DRAM,電腦和電子儀器的主要儲存元件 是IC製程發展的主要驅動力 一個電晶體和一個電容,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,51,基本 DRAM 記憶體

20、單元,NMOS,電容,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,52,SRAM,做為電腦的貯藏式記憶體來儲存最常用的指令 由六個電晶體元件組成 速度比DRAM快 製程更複雜、價格更昂貴,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,53,EPROM,非揮發式記憶體 需要電力來保存資料 利用電腦偏壓的記憶裝置貯藏開機用的指令 懸浮匣極 用紫外線來清除晶片記憶,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Bo

21、ok.htm,54,EPROM,n,+,匣極氧化層,源極,汲極,p-Si,n,+,V,D,V,G,多晶矽1,多晶矽 2,多晶矽間介電質,可透過UV光線的鈍化介電質,懸浮匣極,控制匣極,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,55,EPROM寫入步驟,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,VD 0,VGVT0,e- 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

22、/HongXiao/Book.htm,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,VD 0,VGVT0,e- 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.htm,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

23、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.htm,58,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.htm,59,植入深埋層,P型矽,SiO,2,n,+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.

24、cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,60,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.htm,61,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.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao

25、/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,65,MOSFET,有助於數位電子的發展 主要的驅動力: 手錶

26、 計算器 個人電腦 網際網路 電信,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,67,PMOS 的製程流程(1960s),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,68,晶圓清洗、場區氧化及光阻塗佈,N

27、-型矽,原生氧化層,N -型矽,N -型矽,場區氧化層,N -型矽,底漆層,光阻t,場區氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,69,光微影技術和蝕刻,N-型矽,源極/汲極 光罩,光阻,場區氧化層,N-型矽,源極/汲極 光罩,光阻,紫外光,N-型矽,光阻,場區氧化層,N-型矽,光阻,場區氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,70,源極/汲極摻雜極匣極氧化,N型矽,場區氧化層,N型矽,p,+,p,+,場區氧化層,N型矽,p,+,p,

28、+,場區氧化層,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區氧化層,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,71,接觸窗孔, 金屬化和鈍化,N型矽,p,+,p,+,匣極氧化層,場區氧化層,AlSi,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,72,PMOS的說明,N型矽,匣極氧化層,CVD覆蓋氧化層,p+,p+,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,73,1970年代中期之後的NM

29、OS 製程,摻雜:離子佈植技術取代擴散 NMOS取代 PMOS NMOS 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.htm,74,P型矽,場區氧化層,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,75,NMOS 製程序 (1970s),Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.u

30、s/HongXiao/Book.htm,76,NMOS 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-Si,n+,n+,p-Si,p-Si,p-Si,poly,poly,poly,poly,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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

31、,PSG,AlSi,AlSi,AlSi,SiN,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,p-Si,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,78,CMOS,1980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.htm,79,CMOS的優點,耗電量低 溫度穩定性高 雜訊免疫力高,Hong Xiao, Ph. D.,w

32、ww2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,In Out0 11 0,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,81,有雙金屬層的CMOS 晶片截面,P型基片,p+,p+,N型井區,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+,Hong

33、Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,P型井區,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,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/H

34、ongXiao/Book.htm,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: 豐度高及氧化物穩定,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm,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,Hong Xiao, Ph. D.,www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/B

35、ook.htm,85,概要,R=r l/A C=k A/d 電容主要使用在DRAM Bipolar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.htm,86,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.htm,87,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.,