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2http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 課程大綱課程大綱描述原子，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。 3http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 4http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 5http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 6http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 7http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 8http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 9http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 週期表週期表常用元素的特性常用元素的特性離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵 10http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 元素週期表元素週期表圖 2.6 Rf104Ha105Sg106Uns107Uno108Une109IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBIBIIBIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIAVIIIBHydrogenH1 1.008BerylliumBe49.012Na11Sodium22.989Li3Lithium6.93912 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-numMo4295.94Cr24Chromium51.996TechnitiumTc4399Ru44Ruthenium101.07Cd48Cadmium112.40Cu29Copper63.54PalladiumPd46 106.4SilverAg47107.87Sm62Samarium150.35Ga31Gallium69.72In49Indium114.82Ge3272.59GermaniumSn50Tin118.69Sb51Antimony121.75Te52Tellurium127.60I53Iodine126.904Xe54Xenon131.30Cs55Cesium132.90Ba56Barium1137.34La57Lanthanum138.91Hf72Hafnium178.49Ta73Tantalum180.95W74Tungsten183.85Re75Rhenium186.2Os76Osmium190.2Ir77Iridium192.2Pt78Platinum195.09Au79Gold196.967Hg80Mercury200.59Tl81Thallium204.37Pb82Lead207.19Bi83Bismuth208.98Po84Polonium 210At85Astatine210Rn86Radon222Uun110Fr87Francium223Ra88Radium226Ac89227ActiniumCe58Cerium140.12Pr59Praseodym-ium140.9160NdNeodym-ium144.24Pm61Prome-thium147EuropiumEu63151.96Gd64Gadolin-ium157.25Tb65Terbium158.92Dy66Dyspro-sium162.50Ho67Holmium164.93Er68Erbium167.26Tm69Thulium168.93Yb70Ytterbium173.0471LuLutetium174.97Th90Thorium232.04Pa91Procat- inium231U92Uranium238.03Np93Neptunium237Pu94Plutonium242AmericiumAm95243Cm96Curium247BerkeliumBk97247Cf98Califor-nium249Es99Einstein-ium254Fm100Fermium253Md101Mendelev-ium256102NoNobelium253Lr103Lawren-cium257Transition MetalsNonmetalsMetalloids(semimetals)LanthanidesActinides11http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved C612.011152.035703470 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. () 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。週期表的元素方格週期表的元素方格 圖 2.7 12http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 族群 特性 IA 1 價電子；容易釋出電子；低陰電性 極不穩定 活性極強；爆裂的 離子鍵形式 基於污染考慮，建議不要使用此族之金屬 IIA 2 價電子 相當不穩定 活性相當強 儘量避免使用此族金屬 IIIA 3 價電子 摻雜半導體材料之元素 (主要為 B) 常見之內連線導體材料 (如 Al) IVA 4 價電子 半導體材料 共價鍵形式 常用於晶圓製造之族群化學元素特性常用於晶圓製造之族群化學元素特性 Continued on next slide表 2.1 13http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 族群 特性 VA 5 價電子 摻雜半導體材料之元素 (主要為 P 和 As) VIA 6 價電子 VIIA 7 價電子；容易吸引電子；高陰電性 腐蝕性 活性極強 離子鍵形式 適合於半導體應用，如化合物之蝕刻及清洗 VIIIA 8 價電子 穩定；活性極弱 鈍氣 安全地用在半導體製造方面 IB 最佳金屬導體 Cu 取代 Al 作為主要的內連接導體材料 IVB VIB 常用於半導體製程之耐高溫金屬，可改善金屬化製程 (尤其是 Ti, W, Mo, Ta 和 Cr) 和矽反應穩定的化合物，具良好電性 常用於晶圓製造之族群化學元素特性常用於晶圓製造之族群化學元素特性(續續)表 2.1 14http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 具離子鍵的具離子鍵的NaCl結構結構 Cl-Na+圖 2.8 15http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved Cl 17H 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的共價鍵的共價鍵 圖 2.9 16http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 材料之分類材料之分類 導體導體 絕緣體絕緣體 半導體半導體 17http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 電子電流電子電流 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-6 Volt電池電池 e-e-e-18http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 銅原子銅原子 價電殼之孤立電子價電殼之孤立電子Cu 29KLMN銅銅 (Cu) 的自由電子流的自由電子流 殼層KLMN總數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 19http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 線的尺寸如何影響電阻線的尺寸如何影響電阻 高電阻高電阻低電阻低電阻 LAR =圖 2.12 20http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 晶圓加入雜質以增加其導電率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電池電池Na+Cl-H2O圖 2.13 21http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 基本電容器結構基本電容器結構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 22http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 電池對電容器的充電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 23http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 電容儲存電荷電容儲存電荷 帶負荷平面電場 1.5 V帶正荷平面 圖 2.16 24http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 低低k介電材料介電材料 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 25http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 矽矽 純矽純矽 為何採用矽？為何採用矽？ 具摻雜之矽具摻雜之矽 摻質之材料摻質之材料 n型矽型矽 p型矽型矽 摻雜矽之電阻率摻雜矽之電阻率 pn接面接面 26http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 半導體半導體IVA族 C，碳6Si，矽14Ge，鍺32Sn，錫50Pb，鉛82 4A族元素半導體族元素半導體 圖 2.18 27http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結原子共用價電子，形成似絕緣體的鍵結 矽的共價鍵矽的共價鍵 圖 2.19 28http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 二氧化矽 (SiO2)矽晶片矽晶片上的矽晶片上的SiO2圖 2.20 29http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 矽的摻雜矽的摻雜 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 30http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved Group III (p型) 硼硼 5鋁 13鎵 31銦 49Group IV 碳 6矽矽 14鍺 32錫 50Group V (n-型型)氮 7磷磷 15砷砷 33銻銻51受體雜質受體雜質施體雜質施體雜質半導體半導體* 劃線元素使用於矽基板的IC製程。 矽摻雜矽摻雜 圖 2.22 31http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 施體原子供應額外的電子形成n型矽磷原子當作磷原子當作n型型的摻質的摻質多出的電子多出的電子 ( )SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi P P P摻雜磷以形成摻雜磷以形成n型矽型矽 圖 2.23 32http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 自由電子流在自由電子流在n型矽型矽 自由電子往正端流自由電子往正端流 電源供應的正端 電子流電源供應的負端電源供應的負端 圖 2.24 33http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 受體電子提供一個電子空位，形成p型矽 電洞電洞 硼原子當作硼原子當作p型的摻質型的摻質SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB摻雜硼以形成摻雜硼以形成p型矽型矽 圖 2.25 34http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 在在p型矽的電洞流型矽的電洞流 電子流電子流電洞流電洞流電源供應的正端電源供應的正端 電源供應的負端 電洞往負端流電洞往負端流電子往正端流電子往正端流圖 2.26 35http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 矽的電阻率與摻質濃度之關係矽的電阻率與摻質濃度之關係 Redrawn from VLSI Fabrication Principles, Silicon and Gallium Arsenide, John Wiley & Sons, Inc.電阻率 (-cm)10211020101910181017101610151014101310-310-210-1100101102103n-型 p-型 圖 2.27 摻質濃度 (atoms/cm3) 36http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved p-型矽 n-型矽pn接面橫切面接面橫切面 圖 2.28 37http:/www.dlit.edu.tw 2005 DLIT, All rights reserved 其他半導體材料其他半導體材料不同半導體材料的物理特性比較不同半導體材料的物理特性比較 性質 Si Ge GaAs SiO2 熔點 () 1412 937 1238 1700 (approx.) 原子量 28.09 72.60 144.63 60.08 原子密度 (atom/cm3) 4.99 x1022 4.42x1022 2.21x1022 2.3x1022 能隙 (eV) 1.11 0.67 1.40 8 (approx.) 表 2.3
