半导体制造技术

1、半導體製造技術第 2 章半導體材料特性DE LIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 2005 DLIT, All rights reserved 授課老師：王宣勝課程大綱描述原子，包含其價電殼、能帶理論與離子。解釋週期表，同時說明離子鍵與共價鍵如何形成。由電流之流動觀點說明材料之3大分類。解釋電阻率、電阻與電容，並能詳細敘述這些參數於晶圓製造時之重要性。敘述純矽，同時說明為何其能成為最重要半導體材料之4項原因。解釋摻雜並且說明為何加入3價與5價摻質可使得矽成為有用之半導體材料。討論p型矽 (受體) 與n型矽 (施體)，描述加入摻質如何改變其電阻率並解釋pn接面。討論其他的半導體

2、材料，描述砷化鎵之優缺點。原子結構物質元素核心質子中子價電殼電子分子化合物電子電子能量 價電殼 固態能帶理論 離子 碳原子的元素模式 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)C 6+NN+NN+N+N-圖 2.1 氫原子模型的電子殼層圖 2.2 K = 2L = 8M = 18N = 32O = 32P = 10Q = 2Na和Cl的電子軌跡模型 -Na 11鈉原子氯原子Cl 17-圖 2.3 能帶 半導體導電帶價電帶電子能

3、量 導電帶價電帶絕緣體 電子能量 導電帶價電帶重疊之能帶 僅需一小能量便可傳導導體 電子能量 圖 2.4 能隙能隙NaClNa+ 當一個原子失去一個電子成為正離子Na 11-Cl當一個原子得到一個電子成為負離子Cl 17-圖 2.5 週期表常用元素的特性離子鍵共價鍵元素週期表圖 2.6 Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH1 1.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912 24.3

4、12MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Ph

5、osphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxygen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4

6、399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46 106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafniu

7、m178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium 210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59

8、Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat- inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Pluton

9、ium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257Transition MetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinidesC612.011152.035703470 s. 0.77原子量陰電性酸鹼特性 原子數 熔點 ()*沸點 () 原子半徑 ()*基於碳12. ()

10、 表示大部分穩態或同位素。 s.表示昇華。 氧化物之區分，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。週期表的元素方格 圖 2.7 常用於晶圓製造之族群化學元素特性 Continued on next slide表 2.1 常用於晶圓製造之族群化學元素特性(續)表 2.1 具離子鍵的NaCl結構 Cl-Na+圖 2.8 -Cl 17-H 1氫原子氯原子H + Cl HCl2個原子共用一個電子，形成共價鍵HCl的共價鍵 圖 2.9 材料之分類導體絕緣體半導體電子電流 圖 2.10 銅線提供電子流通電徑，從負端通過燈泡內的白熱絲且回到

11、電池正端。e-6 Volt電池 e-e-e-銅原子 價電殼之孤立電子-Cu 29-KLMN銅 (Cu) 的自由電子流 殼層KLMN總數每層電子最大數目281832 60每層電子實際數目28181 29圖 2.11 線的尺寸如何影響電阻 高電阻低電阻 LAR =圖 2.12 晶圓加入雜質以增加其導電率 鹽於水中解離成Na+和Cl 離子，提供一電流傳導路徑。e-e-e-e-+-6 Volt電池Na+Cl-H2O圖 2.13 基本電容器結構K = 介電常數 (F/cm)A = 導電板面積 (cm2)S = 導電板間距離 (cm) KASC =電容公式導體(金屬板)導體(金屬板)介電層(玻璃)導線導線

12、電容器的符號 圖 2.14 電池對電容器的充電 1.5 V開關 帶正電荷導電板帶負電荷導電板靜電場 e-e-e-e-e-1.5 V電池圖 2.15 電容儲存電荷 帶負荷平面電場 1.5 V帶正荷平面 圖 2.16 低k介電材料 金屬層2介電材料*金屬層1電容*低k介電材料降低兩金屬層間的等效電容圖 2.17 矽純矽 為何採用矽？具摻雜之矽摻質之材料n型矽 p型矽摻雜矽之電阻率 pn接面 半導體IVA族 C，碳6Si，矽14Ge，鍺32Sn，錫50Pb，鉛82 4A族元素半導體 圖 2.18 SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi

13、原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結 矽的共價鍵 圖 2.19 二氧化矽 (SiO2)矽晶片矽晶片上的SiO2圖 2.20 矽的摻雜 PSiSiSiSiSiSiPPPP塗佈雜質晶片摻質層摻質原子擴散通過矽沈積步驟驅入 & 擴散步驟晶片基板活化步驟圖 2.21 Group III (p型) 硼 5鋁 13鎵 31銦 49Group IV 碳 6矽 14鍺 32錫 50Group V (n-型)氮 7磷 15砷 33銻51受體雜質施體雜質半導體* 劃線元素使用於矽基板的IC製程。 矽摻雜 圖 2.22 施體原子供應額外的電子形成n型矽磷原子當作n型的摻質多出的電子 ()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi P P P摻雜磷以形成n型矽 圖 2.23 自由電子流在n型矽 自由電子往正端流 電源供應的正端 電子流電源供應的負端 圖 2.24 受體電子提供一個電子空位，形成p型矽 電洞 硼原子當作p型的摻質SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB摻雜硼以形成p型矽 圖 2.25 在p型矽的電洞流 電子流電洞流電源供應的正端 電源供應的負端 電洞往負端流電子往正端流圖 2.26 矽的電阻率與摻質濃度之關係 Redrawn from