图解半导体工艺基础3
半导体器件原理Chapter3
I
EB n
emitter
current
injected
into
the
base
I
BE p
base
current
injected
into
the
emitter
I
BE R
recombination
in
the
base
current
region
I
CB p
reverse
biased
current
Semiconductor Devices
11
中国科学技术大学物理系微电子专业
3、晶体管端电流的组成
工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量 为:
• IEP:从发射区注入的空穴电流, • IEN:从基区注入到发射区的电子电流, • I基CN区:形集成电的区电-流基,区结附近的热电子漂移到
• ICP:集电区-基区结的空穴注入电流。 • I合BR而=必IEP须-补IC充P,的基电区子内电电流子。与空穴电流的复
pB (x)
pB0
pB0
qVE B
(e kT
1) sinh(WB
LpB
sinh(WB LpB )
x)
pB0
qVB C
(e kT
1) sinh(
x LpB )
sinh(WB LpB )
• 基区少子分布遵循双曲函数规律变化。它之所以 不再是单个P-N结那样的简单指数分布函数,原因 就在于离发射结很近的地方有集电结存在,从而改 变了边界条件。
(a)均匀基区晶体管,传输机构以扩散为主,如 合金管和全离子注入管。传输以扩散为主。
半导体IC的制做工艺图解
芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序(Wafer Fabrication)、晶圆针测工序(Wafer Probe)、构装工序(Packaging)、测试工序(Initial Test and Final Test)等几个步骤。
其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段(Front End)工序,而构装工序、测试工序为后段(Back End)工序。
1、晶圆处理工序:本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件(如晶体管、电容、逻辑开关等),其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关,但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗,再在其表面进行氧化及化学气相沉积,然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤,最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。
2、晶圆针测工序:经过上道工序后,晶圆上就形成了一个个的小格,即晶粒,一般情况下,为便于测试,提高效率,同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品;但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。
在用针测(Probe)仪对每个晶粒检测其电气特性,并将不合格的晶粒标上记号后,将晶圆切开,分割成一颗颗单独的晶粒,再按其电气特性分类,装入不同的托盘中,不合格的晶粒则舍弃。
3、构装工序:就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上,并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接,以作为与外界电路板连接之用,最后盖上塑胶盖板,用胶水封死。
其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。
到此才算制成了一块集成电路芯片(即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色,两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块)。
4、测试工序:芯片制造的最后一道工序为测试,其又可分为一般测试和特殊测试,前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性,如消耗功率、运行速度、耐压度等。
经测试后的芯片,依其电气特性划分为不同等级。
而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数,从相近参数规格、品种中拿出部分芯片,做有针对性的专门测试,看是否能满足客户的特殊需求,以决定是否须为客户设计专用芯片。
3、半导体工艺原理-离子注入
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
27
四、离子束电流的测量
Sampling slit in disk
Ion beam
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Current integrator
2
二、结深的测量
测量结深的方法主要有 磨角法、
磨槽法(滚槽法) 和 光干涉法。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
3
费克第一定律 费克第二定律。 再分布后的表面杂质浓度为
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
根据冶金学原理,由两种或多种金属组成的合金,其熔点 会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点,从而可大大降低 合金中金属处于液态时的蒸汽压。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
24
例如,金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC,它们在此 温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组 成合金时,其熔点降为 370 oC ,在此温度下,金和硅的蒸汽压 分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
17
1、等离子体型源 这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的 电离成分可能不到万分之一,其密度、压力、温度等物理量仍 与普通气体相同,正、负电荷数相等,宏观上仍为电中性,但 其电学特性却发生了很大变化,成为一种电导率很高的流体。
半导体制造工艺课件(PPT 98页)
消除损伤
退火方式:
炉退火
快速退火:脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)
氧化工艺
氧化:制备SiO2层 SiO2的性质及其作用 SiO2是一种十分理想的电绝缘材料,
去掉氮化硅层
P阱离子注入,注硼
推阱
去掉N阱区的氧化层 退火驱入
形成场隔离区
生长一层薄氧化层 淀积一层氮化硅
光刻场隔离区,非隔离区被 光刻胶保护起来
反应离子刻蚀氮化硅 场区离子注入 热生长厚的场氧化层 去掉氮化硅层
形成多晶硅栅
生长栅氧化层 淀积多晶硅 光刻多晶硅栅 刻蚀多晶硅栅
掺杂的均匀性好 温度低:小于600℃ 可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
离子注入系统的原理示意图
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
退火
退火:也叫热处理,集成电路工艺中所有的 在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都 可以称为退火
Salicide工艺
淀积多晶硅、刻蚀 并形成侧壁氧化层;
淀积Ti或Co等难熔 金属
RTP并选择腐蚀侧 壁氧化层上的金属;
最后形成Salicide 结构
形成硅化物
淀积氧化层 反应离子刻蚀氧化层,形成侧壁氧化层 淀积难熔金属Ti或Co等 低温退火,形成C-47相的TiSi2或CoSi 去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co 高温退火,形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2
氧化层刻蚀掉,并去掉光刻胶 进行大剂量As+注入并退火,形成n+埋层
MEMS工艺(3半导体工艺)
掺杂的主要形式:注入和扩散
退火:也叫热处理,集成电路工艺中所有的在氮气等不
活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。
目的:激活杂质
消除损伤 结构释放后消除残余应力
退火方式:
炉退火 快速退火
1.扩散工艺
•定义:在一定温度下杂质原子具有一 定能量,能够克服阻力进入半导体并 在其中做缓慢的迁移运动。 •形式:替代式扩散和间隙式扩散
• 2.漏电电流大:表面沾污引起的表面漏电;氧化层的 缺陷破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在 电路中的绝缘作用而导电;硅片的缺陷引起杂质扩散时 产生管道击穿。
• 3.薄层电阻偏差
• 4.器件特性异常:击穿电压异常;hFE异常;稳压二
极管稳压值异常。
。
工艺控制
• 污染控制:颗粒、有机物、薄膜、金属离子 • 污染来源:操作者,清洗过程,高温处理,工具 •• 参量控制:温度,时间,气体流量(影响最大?) • 1.温度控制:源温、硅片温度、升温降温、测温 •2.时间: 进舟出舟自动化, 试片 • 3.气体流量:流量稳定,可重复性,假片
离子注入
• 特点:横向效应小,但结深浅;杂质量可控;晶格缺陷多 • 基本原理:杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面,形成注入层 • 装置:离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶室、真空系统
离子注入系统的原理示意图
离子注入的步骤
注入的离子在基底中的分布
• 根据Ruska(1987),注入离子的浓度N(X)可遵循下面方程式
分类
• 普通热退火 • 硼的退火特性 • 磷的退火特性 • 扩散效应 • 快速退火
•方式:
•热退火:管式炉,保护气氛,900C, 20~30min,用于再扩散
半导体工艺基础
无规则运动
无规则运动
真性半导体:完全不含 外因性半导体:含Ⅲ族或 杂质原子的半导体 Ⅴ族杂质元素的半导体
低温 原子的振动
电子无规则运动
结果,载流子的移动度 变小,电阻上升
共价电子逸出晶体的同时产生 了电子-空穴对,既载流子。
本征半导体的电子密度n等于空 穴密度p
n=p=ni (ni:本征载流子密度)
11
《半导体制造》
掺杂P,就多出 一个电子,即 传导电子,此 时的P称为施主 杂质。
掺杂B,就缺少 一个电子,可 以等同于产生 一个空穴,此 时的B称为受主 杂质。
12
Semiconductor Manufacturing Basic
扩散 注入
载流子的产生
跳跃
可移动的领域 矮墙
高墙
阶梯
自己的房间
49
ALD (原子层沉积)
薄膜、高介电膜的形成技术
原料气体 惰性气体 氧化气体 惰性气体
表面上吸附原料 气体
生 由惰性气体替换 成 不要的原料气体 单
层 原料原子的氧化 膜
由惰性气体替换 氧化气体
可以利用重叠的方式来控制原子层, 从而成膜
可以实现不同膜的重叠
50
扩散
扩散就是由于浓度梯度的驱动,形成的原子移动
洗净 CMP
刻蚀 干刻 湿刻 去胶机
离子注入
掩膜版20张
光刻
涂胶 显影 溅射 SEM
光刻胶
5
6
《半导体制造》
第二章
扩散 注入
Semiconductor Manufacturing Basic
扩散 注入
半导体是什么?
电阻
良导体(金属) 柔软、不透明、重
半导体工艺基础
x2 4 Dt
集成电路及微机械加工技术
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重庆大学光电工程学院
有限源扩散的特点如下: ( 1)杂质分布:扩散时间越长,杂质扩散得越深,表面浓 度越低;扩散时间相同时,扩散温度越高,杂质扩散得也越深, 表面浓度下降得越多; (2)在整个扩散过程中,杂质总量 Q 保持不变。 (3)表面杂质浓度可控,任何 t 时刻的表面浓度为: Q N ( s t) Dt (4)结深: 根据 NB = N(xj , t),可求出结深为:
(四)、锑扩散
(五)、金扩散
集成电路及微机械加工技术
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重庆大学光电工程学院
§1.5 杂质扩散后结深和方块电阻的测量
(一)、结深的测量 测量结深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。 1、磨角法 首先将扩散片磨成斜角( 1 ~5 ),然后采用染色液对表
面染色以区分 N 区和 P 区的界面位置。常用的染色液是浓氢氟
B2O3的性质
集成电路及微机械加工技术
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4B + 3SiO2
重庆大学光电工程学院
(二)、磷扩散 磷扩散源很多,其共性在于先生成 P2O5 ,再与硅反应生 成单质磷向硅内扩散。 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 1、磷的固态源扩散 2、磷的液态源扩散 3、磷的气态源扩散 (三)、砷扩散
集成电路及微机械加工技术
17
重庆大学光电工程学院
§1.3 扩散系数与扩散方程 (一)、费克第一定律——扩散定律
一维情况下,单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子 数——即扩散流密度jp( x, t )与粒子的浓度梯度成正比。
dN ( x, t ) j p ( x, t ) D dx
扩散系数D与温度T(K)之间有如下指数关系: D = D∞e —ΔE/kT
半导体制造工艺第3章 清 洗 工 艺
3.3 清洗方法概况
图3-2 等离子清洗机的工作原理图及清洗过程
3.3 清洗方法概况
1)被清洗的工件送入真空舱并加以固定,启动运行装置,开始排气,
使真空舱的真空程度达到10Pa左右的标准真空度。 2)向真空舱引入等离子清洗用的气体,并使其压力保持在100Pa。 3)在真空舱内的电极与接地装置之间施加高频电压,使气体被击穿, 并通过辉光放电而发生离子化并产生等离子体。 4)清洗完毕后切断高频电压,并将气体及汽化的污垢排出,同时向 真空舱内鼓入空气,并使气压升至一个大气压。
围内,而振动频率超过20kHz以上的声波则称为超声波,用于清洗 的超声波所采用的频率为,超声波由于频率高、波长短,因而传 播的方向性好、穿透能力强,这也就是为什么设计制作超声波清 洗机的原因。 3.4.2 超声波清洗机
3.4 常用清洗设备——超声波清洗设备
1.切割片超声波清洗机的工艺流程
①超声波抛动粗洗→②超声波抛动清洗→③超声波抛动漂洗→④超 声波抛动漂洗→⑤纯水喷淋抛动漂洗→⑥超声波抛动漂洗。 2.研磨片超声波清洗机的工艺流程 ①热纯水超声波抛动清洗→②热碱水超声波抛动清洗→③热纯水超 声波抛动清洗→④热纯水超声波抛动清洗→⑤纯水喷淋抛动漂洗→ ⑥热酸超声波抛动清洗→⑦热纯水超声波抛动漂洗→⑧热纯水超声 波抛动漂洗。
3.4 常用清洗设备——超声波清洗设备
3.4.3 其他清洗设备 超声波清洗是半导体工业中广泛应用的一种清洗方法,该方法的 优点是清洗效果好,操作简单,对于复杂的器件和容器也能清除,
但该方法具有噪声较大、换能器易坏的缺点。对硅片进行清洗经 常会用到的设备还有刷洗器、旋转喷淋器、溢流清洗器等。 (1)刷洗器 当硅片表面粘有微粒或有机残渣时常用刷洗的方法去 除表面颗粒。 (2)旋转喷淋器 旋转喷淋器是指利用机械设备将硅片以较高的速 度旋转起来,在旋转过程中通过不断向硅片表面喷液体(高纯去离 子水或其他清洗液)而达到清除硅片目的的一种设备。 (3)溢流清洗器 传统上绝大多数类型的去离子水清洗都是用溢流 清洗器。
半导体基础知识(3)
39
EF 的意义:
EF 的位置比较直观地反映了电子占 据电子态的情况。即标志了电子填充 能级的水平。 EF 越高,说明有较多的能量较高的电 子态上有电子占据。
杂质半导体中,EF的位置既反映 其导电类型,又反映其掺杂水平
40
EF 的位置
本征半导体: EF位于禁带中心位置 N型半导体: 极低温度下,EF位于施主
P型
受主 杂质
空穴
电子
电子浓度n≤空穴 浓度p
30
(3) 掺杂对半导体导电性能的影响
半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产 生附加的能级,价带中的电子若先跃迁到这 些能级上然后再跃迁到导带中去,要比电子 直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然 只有少量杂质,却会明显地改变导带中的电 子和价带中的空穴数目,从而显著地影响半 导体的电导率。
28
❖容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子 的能量状态称为受主能级EA ❖受E主A与控Ev制间材能料量导差电称性为。受主电离能。P型半导体由
杂质硅的原子图像和能带图
29
C、 N型半导体与P型半导体的比较
半导 所掺 多数载流子 少数载流子
体 杂质 (多子)
(少子)
特性
N型
施主 杂质
电子
空穴
电子浓度n≥空穴 浓度p
45
产生与复合
在非平衡状态下载流 子浓度为:
n=n0+Δn p=p0+Δp
Δn≈Δp
n:半导体中电子的浓度 p:半导体中空穴的浓度 n0:光照前一定温度下热
平衡时电子的浓度
p0:光照前一定温度下热 平衡时空穴的浓度
Δn:非平衡载流子电子的 浓度
Δp:非平衡载流子空穴的 浓度
第三章半导体制造工艺简介ppt课件
8 常用工艺之五:薄膜制备
❖ 四种薄膜:氧化膜;电介质膜;多晶硅膜; 金属膜
8 常用工艺之五:薄膜制备
❖ (1〕氧化 ❖ SiO2的作用 ❖ 屏蔽杂质、栅氧化层、介质隔离、器件保护和表面
钝化 ❖ SiO2的制备 ❖ 需要高纯度,目前最常用的方法是热氧化法。主要
分为干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化三种。 ❖ 氮化硅的制备 ❖ 主要用作:金属上下层的绝缘层、场氧的屏蔽层、
主要内容
❖ 3.1半导体基础知识 ❖ 3.2 工艺流程 ❖ 3.3 工艺集成
3.2 工艺流程
❖ 1 制造工艺简介 ❖ 2 材料的作用 ❖ 3 工艺流程 ❖ 4 常用工艺之一:外延生长 ❖ 5 常用工艺之二:光刻 ❖ 6 常用工艺之三:刻蚀 ❖ 7 常用工艺之四:掺杂 ❖ 8 常用工艺之五:薄膜制备
扩散和离子注入的对比
离子注入
注入损伤
❖ 注入损伤:带有能量的离子进入半导体衬底, 经过碰撞和损失能量,最后停留下来。
❖ 电子碰撞:电子激发或新的电子空穴对产生 ❖ 原子核碰撞:使原子碰撞,离开晶格,形成
损伤,也称晶格无序
晶格无序
退火
❖ 由于离子注入所造成的损伤区及无序团,使 迁移率和寿命等半导体参数受到严重影响。
❖ 每层版图都有相对应的掩膜版,并对应于不 同的工艺。
4 常用工艺之一:外延生长
❖ 半导体器件通常不是直接做在衬底上的, 而是先在沉底上生长一层外延层,然后将 器件做在外延层上。外延层可以与沉底同 一种材料,也可以不同。
❖ 在双极型集成电路中:可以解决原件间的 隔离;减小集电极串联电阻。
❖ 在CMOS集成电路中:可以有效避免闩锁 效应。
度取决于温度。
3.1半导体基础知识
❖ 关于扩散电阻: ❖ 集成电路中经常见到的扩散电阻其实就是利