半導(dǎo)體制造技術(shù)課件

半導(dǎo)體製造技術(shù)

第2章

半導(dǎo)體材料特性

DELININSTITUTEOFTECHNOLOGY

?2005DLIT,Allrightsreserved

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(shù)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(dǎo)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(zhì)可使得矽成為有用之半導(dǎo)體材料。討論p型矽(受體)與n型矽(施體)，描述加入摻質(zhì)如何改變其電阻率並解釋pn接面。討論其他的半導(dǎo)體材料，描述砷化鎵之優(yōu)缺點。

原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)元素核心質(zhì)子中子價電殼電子分子化合物電子電子能量價電殼固態(tài)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(dǎo)體導(dǎo)電帶價電帶電子能量導(dǎo)電帶價電帶絕緣體電子能量導(dǎo)電帶價電帶重疊之能帶僅需一小能量便可傳導(dǎo)導(dǎo)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(shù)

熔點(℃)*沸點(℃)原子半徑(?)* 基於碳12.()表示大部分穩(wěn)態(tài)或同位素。? s.表示昇華。?氧化物之區(qū)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(xué)元素特性(續(xù))表2.1

具離子鍵的NaCl結(jié)構(gòu)

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(nèi)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(shù)每層電子最大數(shù)目 2 8 18 32 60每層電子實際數(shù)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(jié)構(gòu)K=介電常數(shù)(F/cm)A=導(dǎo)電板面積(cm2)S=導(dǎo)電板間距離(cm)KASC=電容公式導(dǎo)體(金屬板)導(dǎo)體(金屬板)介電層(玻璃)導(dǎo)線導(dǎo)線電容器的符號圖2.14

電池對電容器的充電

1.5V開關(guān)帶正電荷導(dǎo)電板帶負電荷導(dǎo)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(zhì)之材料n型矽p型矽摻雜矽之電阻率pn接面

半導(dǎo)體IVA族C，碳 6Si，矽 14Ge，鍺 32Sn，錫 50Pb，鉛 824A族元素半導(dǎo)體

圖2.18

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

矽的共價鍵

圖2.19

矽的摻雜

PSiSiSiSiSiSiPPPP塗佈雜質(zhì)晶片摻質(zhì)層摻質(zhì)原子擴散通過矽沈積步驟驅(qū)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(zhì)施體雜質(zhì)半導(dǎo)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(yīng)額外的電子形成n型矽磷原子當(dāng)作n型的摻質(zhì)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(yīng)的正端電子流電源供應(yīng)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(dāng)作

p型的摻質(zhì)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(yīng)的正端電源供應(yīng)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(zhì)濃度之關(guān)係

RedrawnfromVLSIFabricationPri