半导体制程概论03

蕭宏博士半導體基礎原理、元件與製程HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.主題•半導體是什麼?•基本半導體元件•基本積體電路製程HongXiao,Ph.D.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.HongXiao,Ph.D.元素週期表HongXiao,Ph.D.半導體基片與摻雜物基片P-型摻雜物N-型摻雜物HongXiao,Ph.D.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,EcHongXiao,Ph.D.能帶、能隙和電阻係數Eg=1.1eVEg=8eV鋁2.7mWcm鈉4.7mWcm矽~1010mWcm二氧化矽1020mWcm導體半導體絕緣體HongXiao,Ph.D.矽的單晶結構-SiSiSiSiSiSiSiSiSi共享電子HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.型(砷)摻雜矽及施體能階-SiSiSiSiSiSiSiSiAs額外的電子價帶,EvEg=1.1eV導帶,EcEd~0.05eVHongXiao,Ph.D.型(硼)摻雜矽及其受體能階價帶,EvEg=1.1eV導帶,EcEa~0.05eV電子-SiSiSiSiSiSiSiSiB電洞HongXiao,Ph.D.電洞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HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.電阻器lhwrwhlRrr:電阻係數HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.hld:介電質常數電容器HongXiao,Ph.D.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-介電質材料HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.金屬間連線與RC時間延遲I金屬,r介電質,dwlHongXiao,Ph.D.二極體•P-N接面•僅准許電流在正向偏壓的時候通過.HongXiao,Ph.D.二極體V1V2P2P1•V1V2,•P1P2,有電流有氣流•V1V2,沒有電流•P1P2,沒有氣流HongXiao,Ph.D.過渡區(空乏區)V0VpVn圖3.14HongXiao,Ph.D.內電壓•矽V0~0.7V20lnidanNNqkTVHongXiao,Ph.D.二極體的I-V曲線VI-I0HongXiao,Ph.D.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HongXiao,Ph.D.和PNP電晶體CEBNNPEBCECBPPNEBCHongXiao,Ph.D.雙載子電晶體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HongXiao,Ph.D.型晶片n+深埋層n型磊晶層pp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HongXiao,Ph.D.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,有助於發展數位邏輯電路•在半導體工業中被廣泛的使用HongXiao,Ph.D.元件基本結構VGVD接地n+金屬匣極源極汲極p-Sin+VDVG氧化層HongXiao,Ph.D.元件+“金屬匣極SiO2源極汲極p-Sin+VD0VGVT0+++++++-------電子流正電荷負電荷沒有電流n+SiO2源極汲極p-Sin+VDVG=0nHongXiao,Ph.D.元件+金屬匣極SiO2源極汲極n-Sip+VD0VGVT0+++++++-------電洞電流正電荷負電荷沒有電流p+SiO2源極汲極n-Sip+VDVG=0pHongXiao,Ph.D.金氧半場效電晶體HongXiao,Ph.D.和飲水機(DrinkingFountain)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HongXiao,Ph.D.基本電路•Bipolar•PMOS•NMOS•CMOS•BiCMOSHongXiao,Ph.D.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20GHz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HongXiao,Ph.D.半導體產品的市場佔有率金屬半場效電晶體100%50%198019902000化合物半導體雙載子電晶體88%8%4%HongXiao,Ph.D.雙載子積體電路•最早的IC晶片•1961,四個雙載子電晶體,$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.HongXiao,Ph.D.•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NMOSHongXiao,Ph.D.•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HongXiao,Ph.D.•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HongXiao,Ph.D.反相器HongXiao,Ph.D.型矽USGN型矽BalkSi多晶矽STIn+源極/汲極p+源極/汲極氧化物匣HongXiao,Ph.D.•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HongXiao,Ph.D.晶片組•記憶體