半导体制造技术

1、半导体制造技术第1页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二课程大纲描述原子，包含其价电壳、能带理论与离子。解释周期表，同时说明离子键与共价键如何形成。由电流之流动观点说明材料之3大分类。解释电阻率、电阻与电容，并能详细叙述这些参数於晶圆制造时之重要性。叙述纯矽，同时说明为何其能成为最重要半导体材料之4项原因。解释掺杂并且说明为何加入3价与5价掺质可使得矽成为有用之半导体材料。讨论p型矽 (受体) 与n型矽 (施体)，描述加入掺质如何改变其电阻率并解释pn接面。讨论其他的半导体材料，描述砷化镓之优缺点。 第2页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二原子结构物质元素

2、核心质子中子价电壳电子分子化合物电子电子能量 价电壳 固态能带理论 离子 第3页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二碳原子的元素模式 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)C 6+NN+NN+N+N-图 2.1 第4页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二氢原子模型的电子壳层图 2.2 K = 2L = 8M = 18N = 32O = 32P = 10Q = 2第5页，共37页，2022

3、年，5月20日，1点40分，星期二Na和Cl的电子轨迹模型 -Na 11钠原子氯原子Cl 17-图 2.3 第6页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二能带 半导体导电带价电带电子能量 导电带价电带绝缘体 电子能量 导电带价电带重叠之能带 仅需一小能量便可传导导体 电子能量 图 2.4 能隙能隙第7页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二NaClNa+ 当一个原子失去一个电子成为正离子Na 11-Cl当一个原子得到一个电子成为负离子Cl 17-图 2.5 第8页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二周期表常用元素的特性离子键共价键 第9页，共37

4、页，2022年，5月20日，1点40分，星期二元素周期表图 2.6 Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH1 1.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912 24.312MgMagnesium19KPotassium39.102Ca2040.08CalciumSc21Scandium44.956Ti22Titanium47.90V23Vanadium50.942ManganeseMn

5、2554.938Fe26Iron55.847Co27Cobalt58.933Ni28Nickel58.71Rh45Rhodium102.91Zn30Zinc65.37As33Arsenic74.922Se34Selenium78.96Br35Bromine79.909Kr36Krypton83.80Al13Aluminum26.981Si14Silicon28.086P15Phosphorus30.974S16Sulfur32.064Cl17Chlorine35.453Ar18Argon39.948B5Boron10.811C6Carbon12.011N7Nitrogen14.007O8Oxy

6、gen15.999F9Florine18.998Ne10Neon20.183He2Helium4.0026Rb37Rubidium85.47Sr38Strontium87.62Y39Yttrium88.905Zr40Zirconium91.22Nb41Niobium92.906Molybde-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46 106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga3

7、1Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au7

8、9Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium 210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158

9、.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat- inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101M

10、endelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257Transition MetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinides第10页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二C612.011152.035703470 s. 0.77原子量阴电性酸硷特性 原子数 熔点 ()*沸点 () 原子半径 ()*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

11、种特性。周期表的元素方格 图 2.7 第11页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二常用於晶圆制造之族群化学元素特性 Continued on next slide表 2.1 第12页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二常用於晶圆制造之族群化学元素特性(续)表 2.1 第13页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二具离子键的NaCl结构 Cl-Na+图 2.8 第14页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二-Cl 17-H 1氢原子氯原子H + Cl HCl2个原子共用一个电子，形成共价键HCl的共价键 图 2.9 第15页，共

12、37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二材料之分类导体绝缘体半导体 第16页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二电子电流 图 2.10 铜线提供电子流通电径，从负端通过灯泡内的白热丝且回到电池正端。e-6 Volt电池 e-e-e-第17页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二铜原子 价电壳之孤立电子-Cu 29-KLMN铜 (Cu) 的自由电子流 壳层KLMN总数每层电子最大数目281832 60每层电子实际数目28181 29图 2.11 第18页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二线的尺寸如何影响电阻 高电阻低电阻 LAR =

13、图 2.12 第19页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二晶圆加入杂质以增加其导电率 盐於水中解离成Na+和Cl 离子，提供一电流传导路径。e-e-e-e-+-6 Volt电池Na+Cl-H2O图 2.13 第20页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二基本电容器结构K = 介电常数 (F/cm)A = 导电板面积 (cm2)S = 导电板间距离 (cm) KASC =电容公式导体(金属板)导体(金属板)介电层(玻璃)导线导线电容器的符号 图 2.14 第21页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二电池对电容器的充电 1.5 V开关 带正电荷导

14、电板带负电荷导电板静电场 e-e-e-e-e-1.5 V电池图 2.15 第22页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二电容储存电荷 带负荷平面电场 1.5 V带正荷平面 图 2.16 第23页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二低k介电材料 金属层2介电材料*金属层1电容*低k介电材料降低两金属层间的等效电容图 2.17 第24页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二矽纯矽 为何采用矽？具掺杂之矽掺质之材料n型矽 p型矽掺杂矽之电阻率 pn接面 第25页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二半导体IVA族 C，碳6Si，矽14

15、Ge，锗32Sn，锡50Pb，铅82 4A族元素半导体 图 2.18 第26页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子共用价电子，形成似绝缘体的键结 矽的共价键 图 2.19 第27页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二二氧化矽 (SiO2)矽晶片矽晶片上的SiO2图 2.20 第28页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二矽的掺杂 PSiSiSiSiSiSiPPPP涂布杂质晶片掺质层掺质原子扩散通过矽沈积步骤驱入 & 扩散步骤晶片基板活化

16、步骤图 2.21 第29页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二Group III (p型) 硼 5铝 13镓 31铟 49Group IV 碳 6矽 14锗 32锡 50Group V (n-型)氮 7磷 15砷 33锑51受体杂质施体杂质半导体* 划线元素使用於矽基板的IC制程。 矽掺杂 图 2.22 第30页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二施体原子供应额外的电子形成n型矽磷原子当作n型的掺质多出的电子 ()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi P P P掺杂磷以形成n型矽 图 2.23 第31页，共

17、37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二自由电子流在n型矽 自由电子往正端流 电源供应的正端 电子流电源供应的负端 图 2.24 第32页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二受体电子提供一个电子空位，形成p型矽 电洞 硼原子当作p型的掺质SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB掺杂硼以形成p型矽 图 2.25 第33页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二在p型矽的电洞流 电子流电洞流电源供应的正端 电源供应的负端 电洞往负端流电子往正端流图 2.26 第34页，共37页，2022年，5月20日，1点40分，星期二矽的电阻率与掺质浓度之关系 Redrawn from VLSI Fabrication Principles, Silicon and