半导体制程技术导论chapter-3半导体原理

1Chapter3

半导体基础原理、组件与制程王凤江，Ph.D.fjwang@2目标从元素周期表上至少可以认出两种半导体材料列出n型和p型的掺杂物描述一个二极管和一個MOS晶体管列出在半导体工业所制造的三种芯片列出至少四种在芯片制造上必备的基本制程原子结构3碳原子：原子核包含相同数目的质子(+)和中子，6个电子()绕原子核外围轨道运转。价电子电子

(负电荷)中子

(中性)原子数

(质子数)核心(原子中心；包含质子和中子)轨道壳质子

(正电荷)价电壳

(原子外壳)C6++NN+NN++N+N------电子壳层4K=2L=8M=18N=32O=32P=10Q=25单原子的轨道示意图与能带价带,Ev能隙,Eg价壳层原子核导带,Ec钠和氯的电子轨迹模型6-----------Na11钠原子氯原子Cl17-----------------7能带、能隙和电阻系数Eg=1.1eVEg=8eV铝2.7mWcm钠4.7mWcm硅~1010mWcm二氧化硅>1020

mWcm导体半导体绝缘体离子8Na+

当一个原子失去一个电子成为正离子Na11----------Cl当一个原子得到一个电子成为负离子Cl17------------------周期表常用元素的特性离子键共价键

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原子量阴电性酸碱特性‡

原子数

熔点

(℃)*沸点

(℃)原子半径

(Å)* 基於碳12.()表示大部分稳态或同位素。† s.表示升华。‡氧化物之区分，若为红色则为酸性，若为蓝色则为硷性，且颜色之深浅代表酸硷性之强弱。此外，若同时显示两色，则表示具备两种特性。周期表的元素方格常用於晶圆制造之族群化学元素特性Continuedonnextslide常用於晶圆制造之族群化学元素特性(续)具离子键的NaCl结构Cl-Na+---------------Cl17---H1氢原子氯原子H+ClHCl2个原子共用一个电子，形成共价键HCl的共价键16主题半导体是什么?基本半导体组件基本集成电路制程17半导体是什么?介于导体和绝缘体之间藉掺杂物控制导电性硅和锗半导体化合物碳化硅,锗化硅砷化镓,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半导体IVA族C，碳 6Si，硅 14Ge，锗

32Sn，锡

50Pb，铅

8220硅的单晶结构SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi21为什么用硅丰度高,价格不贵容易在热氧化过程中成长一层二氧化硅.热稳定性二氧化硅具强介电质及相对容易生成二氧化硅可以做为扩散掺杂的遮盖二氧化硅(SiO2)硅晶片硅晶片上的SiO2硅的掺杂PSiSiSiSiSiSiPPPP掺杂剂晶片掺质层掺质原子扩散进入硅沉积步骤驱入&扩散步骤硅片基板活化步骤GroupIII(p型)硼 5铝

13镓

31铟

49GroupIV碳 6硅 14锗

32锡

50GroupV(n-型)氮 7磷 15砷 33锑

51受体杂质施体杂质半导体*划线元素使用於硅基板的IC制程。硅掺杂施主原子提供过剩电子以形成n型硅磷原子当作n型的掺质过剩电子()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPPP掺杂磷以形成n型硅n型硅中的自由电子流自由电子流向正极电源正极

电子流电源负极

受主原子提供一个电子空位，形成p型硅空穴硼原子当作

p型的掺质SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB掺杂硼以形成p型硅在p型硅的空穴流电子流空穴流动电源正端电源负端空穴流向负极电子流向正极29N-型(砷)掺杂硅及施主能级-SiSiSiSiSiSiSiSiAs额外的电子价带,EvEg=1.1eV导带,EcEd~0.05eV30P-型(硼)掺杂硅及其受主能级价带,EvEg=1.1eV导带,EcEa~0.05eV电子-SiSiSiSiSiSiSiSiB电洞31空穴移动的示意说明价带,EvEg=1.1eV导带,EcEa~0.05eV电子电洞电子电洞价帶,EvEg=1.1eV导帶,Ec价帶,EvEg=1.1eV导帶,Ec电子电洞硅的电阻率与掺质浓度之关系RedrawnfromVLSIFabricationPrinciples,SiliconandGalliumArsenide,JohnWiley&Sons,Inc.电阻率(-cm)10211020101910181017101610151014101310-310-210-1100101102103n-型p-型掺质浓度(atoms/cm3)33掺杂物浓度和电阻系数掺杂物浓度越高，提供的载体越多(电子或电洞)导电性越高，电阻系数越低电子移动速度比电洞快在相同的浓度下，N-型硅比P-型硅的电阻系数低34基本组件电阻器电容器二极管双载子晶体管金氧半场效晶体管35电阻器lhwrr:电阻系数36电阻器通常以多晶硅（电阻系数：200来制作IC芯片上的电阻器电阻的高低取决于长度、线宽、接面深度和掺杂物浓度37n-

基板金属接触薄膜型态的电阻SiO2，介电材料金属接触n-p-

扩散电阻SiO2，介电材料RECREBRBBRBCRCCRCB金属接触电阻体电阻n+

n+p-基极

发射极

集电极p-基板寄生电阻38hkldk:介电质常数电容器39电容器电荷储存组件内存组件,例如.DRAM挑战:在维持相同的电容量下降低电容的尺寸高-k介电质材料40电容器多晶硅1多晶硅2氧化层多晶硅1多晶硅2介电质层介电质层重掺杂硅平行板堆栈深沟槽式多晶硅硅41衬底氧化层介质金属接触衬底介质材料

(氧化层)第二层掺杂多晶层第一多晶硅

之金属接触第一掺杂多晶硅层衬底扩散区的金属接触掺杂的多晶硅层p-

扩散层衬底第一

多晶硅层第二

多晶硅层介质材料

(氧化层)42金属间联机与RC时间延迟I金属,r介电質,kdwl43二极管P-N结仅准许电流在正向偏压的时候通过.44二极管45PN++++++++++----------过渡区(空乏区)V0VpVn图3.1446内电压硅V0~0.7V47

二极管的I-V曲线48双载子晶体管PNP或NPN接面当作开关使用放大器模拟电路快速、高功率组件49NPN和PNP晶体管NNPEBCPPNEBC50NPN双载子晶体管N型磊晶层pn+P型基片电子流n+n+

深埋层p+p+SiO2Al•Cu•Si基极集极射极51P型芯片n+

深埋层n型磊晶层pp场区氧化层场区氧化层CVD氧化层CVD氧化层n+CVD氧化层多晶硅集极射极基极金属n+场区氧化层侧壁基极接触式NPN双载子晶体管52金属氧化半导体晶体管金属氧化半导体也称作金氧半场效晶体管(MOSFET)简单对称的结构可做为开关,有助于发展数字逻辑电路在半导体工业中被广泛的使用53NMOS组件

基本结构VGVD接地n+金属栅极源极汲极p-Sin+VDVG氧化层54NMOS组件+“金属栅极SiO2源极汲极p-Sin+VD>0VG>VT>0+++++++-------电子流正电荷负电荷没有电流n+SiO2源极汲极p-Sin+VDVG=0n55PMOS组件+金属栅极SiO2源极汲极n-Sip+VD>0VG<VT<0+++++++-------电洞电流正电荷负电荷没有电流p+SiO2源极汲极n-Sip+VDVG=0p56金氧半场效晶体管57MOSFET和饮水机(DrinkingFountain)MOSFET源极,汲極,栅极源极/汲极偏压栅极加上偏压电压做为开关(开)电流从源极流到集极饮水机

源,汲,

栅阀受压力作用的源阀对栅阀加压(按钮)做为开关(开)电流从源极流到集极58基本电路BipolarPMOSNMOSCMOSBiCMOS59不同基片的组件双载子金氧半场效晶体管双载子互补型金氧半晶体管硅砷化镓:可以制作到频率20GHz的组件发光二极管(LED)化合物双载子:高速组件锗主导IC工业60半导体产品的市场占有率金属半场效晶体管100%50%198019902000化合物半导体双载子晶体管88%8%4%61双载子集成电路最早的IC芯片1961,四个双载子晶体管,$150.00市占率快速下降在模拟系统和电源供应组件仍在使用电视,放映机,手机,等.62PMOS第一个金氧半场效晶体管,19601960年代用在数字逻辑组件在1970年代中期代替NMOS63NMOS较PMOS快1970到1980年代用在数字逻辑组件电子表以及手持式电子计算器1980年代被CMOS取代64CMOS1980年代刊开始被广泛用在IC芯片的电路中低消耗功率具温度的高稳定性较高的噪声免疫性对称式设计65VinVoutVddVssPMOSNMOSCMOS反相器66CMOSICP型硅USGN型硅BalkSi多晶硅STIn+

源极/汲极p+源极/汲极氧化物栅67BICMOS结合CMOS和双载子电路主要发展在1990年代CMOS做为逻辑电路双载子做为输出入组件速度比CMOS快高功率消耗当IC电力的供应降到1伏特以下就会丧失应用性68IC芯片组内存微处理器

特殊应用的集成电路(ASIC)69记忆芯片组以电荷形式的储存组件挥发性内存动态随机存取内存(DRAM)静态随机存取内存(SRAM)非挥发性内存

可抹除程序只读存储器(EPROM)闪存(FLASH)70DRAM计算机和电子仪器的主要储存组件是IC制程发展的主要驱动力一个晶体管和一个电容71基本DRAM内存单元字符线位线VddNMOS电容72SRAM做为计算机的贮藏式内存来储存最常用的指令由六个晶体管组件组成速度比DRAM快制程更复杂、价格更昂贵73EPROM非挥发式内存需要电力来保存数据利用计算机偏压的记忆装置贮藏开机用的指令悬浮栅极用紫外线来清除芯片记忆74EPROMn+栅极氧化层源极汲极p-Sin+VDVG多晶硅1多晶硅2多晶硅间介电质可透过UV光线的钝化介电质悬浮栅极控制栅极75EPROM写入步骤n+栅极氧化层源极汲极p-Sin+多晶硅2多晶硅间介电质可透过UV光线的钝化介电质VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-电子注入悬浮栅极控制栅极76EPROM删除步骤n+栅极氧化层源极汲极p-Sin+多晶硅2多晶硅间介电质可透过UV光线的钝化介电质VD>0VG>VT>0e-e-e-e-e-e-e-电子穿隧悬浮栅极控制栅极紫外光77IC制程摘要

IC

生产工厂

添加制程

移除制程

加热制程图形化制程

离子注入

扩散

薄膜生长,SiO2

薄膜沉积

晶圆清洗

刻蚀

化学机械研磨

退火

再流动

合金化

光刻

CVD

PVD

电镀

图形化刻蚀(RIE)剥除全区蚀刻

电介质

金属

外延，多晶硅

电介质

金属光刻胶涂敷

(添加)

烘烤(加热及移除)

显影(移除)

金属氧化物

离子注入

曝光(加热)78基本双载体晶体管制程深埋层掺杂外延硅成长绝缘区和晶体管掺杂连接导线钝化保护79植入深埋层P型硅SiO2n+80外延硅成长n+深埋层N型外延P型硅81植入绝缘区p+p+n+深埋层N型外延P型硅82植入射极、集极和基极p+p+n+pn+n+深埋层P型硅N型外延83沉积金属层p+p+n+深埋层射极基极集极SiO2Al•Cu•Sip+n+nP型硅N型外延84钝化保护的氧化沉积射极基极集极Al•Cu•SiCVD\氧化层SiO2p+p+n+深埋层N型外延p+n+nP型硅85MOSFET有助于数字电子的发展主要的驱动力:手表计算器个人计算机因特网电信861960s:PMOS制程双载子晶体管为主第一颗MOSFET在贝尔实验室制造硅基片掺杂扩散硼在硅中的扩散速度较快PMOS87PMOS的制程流程(1960s)晶圆清洗(R)蚀刻氧化层(R)场区氧化(A)剥除光阻(R)光罩1.(源极/汲极)(P)铝沉积(A)蚀刻氧化层(R)光罩4.(金属)(P)光阻剥除/清洗(R)蚀刻铝(R)S/D扩散(硼/氧化反应)(A)剥除光阻(R)光罩2.(栅極)(P)金属退火(H)蚀刻氧化层(R)CVD氧化层(A)光阻剥除/清洗(R)光罩5.(接合垫区)(P)栅极氧化(A)蚀刻氧化层(R)光罩3.(接触窗)(P)测试和封装88晶圆清洗、场区氧化及光阻涂布N-型硅原生氧化层N-型硅N-型硅场区氧化层N-型硅底漆层光刻胶场区氧化层89光微影技术和蚀刻N-型硅源极/漏极光刻光刻胶场区氧化层N-型硅源极/汲极光罩光刻胶紫外光N-型硅光阻场区氧化层N-型硅光阻场区氧化层90源极/汲极掺杂极栅极氧化N型硅场区氧化层N型硅p+p+场区氧化层N型硅p+p+场区氧化层N型硅p+p+栅极氧化层场区氧化层91接触窗孔,金属化和钝化N型硅p+p+栅极氧化层场区氧化层N型硅p+p+栅极氧化层场区氧化层Al∙SiN型硅p+栅极氧化层场区氧化层p+栅极氧化层

N型硅CVD覆盖氧化物92PMOS的说明N型硅栅极氧化层CVD覆盖氧化层p+p+931970年代中期之后的NMOS制程掺杂:离子布植技术取代扩散NMOS取代PMOSNMOS速度比PMOS快自我对准的源极/汲极主要驱动力量:手表和计算器94P型硅场区氧化层栅极源极汲极栅极氧化层磷离子,P+n+n+多晶硅自对准的源极/漏极布植95NMOS制程序(1970s)晶圆清洗PSG再流动成长场区氧化层光罩3.接触窗光罩1.组件区蚀刻PSG/USG蚀刻氧化层光阻剥除/清洗光阻剥除/清洗铝沉积成长栅极氧化层光罩4.金属沉积多晶硅蚀刻铝光罩2.栅极光阻剥除/清洗蚀刻多晶硅金属退火光阻剥除/清洗CVD氧化层S/D布植光罩5.接合垫区退火及多晶硅再氧化蚀刻氧化层CVD成长USG及PSG测试及封装