半导体制造技术课件

半導體製造技術

第2章

半導體材料特性

DELININSTITUTEOFTECHNOLOGY

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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

-----------Na11鈉原子氯原子Cl17-----------------圖2.3

能帶

半導體導電帶價電帶電子能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

能隙能隙週期表常用元素的特性離子鍵共價鍵

元素週期表圖2.6

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原子量陰電性酸鹼特性‡

原子數

熔點(℃)*沸點(℃)原子半徑(Å)* 基於碳12.()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(續)表2.1

具離子鍵的NaCl結構

Cl-Na+圖2.8

---------------Cl17---H1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

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電池正端。e-6Volt電池

e-e-e-銅原子價電殼之孤立電子---------------Cu29--------------KLMN銅(Cu)的自由電子流

殼層KLMN總數每層電子最大數目 2 8 18 32 60每層電子實際數目 2 8 18 1 29圖2.11

線的尺寸如何影響電阻

高電阻低電阻LAR

=圖2.12

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)導線導線電容器的符號圖2.14

電池對電容器的充電

1.5V開關帶正電荷導電板帶負電荷導電板靜電場e-e-e-e-e-1.5V電池圖2.15

電容儲存電荷

帶負荷平面電場1.5V帶正荷平面圖2.16

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 824A族元素半導體

圖2.18

SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結

矽的共價鍵

圖2.19

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

GroupIII(p型)硼 5鋁 13鎵 31銦 49GroupIV碳 6矽 14鍺 32錫 50GroupV(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

RedrawnfromVLSIFabricationPri