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半导体制造技术半导体制造技术第1页，共37页，编辑于2022年，星期五课程大纲课程大纲描述原子，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，编辑于2022年，星期五原子结构原子结构物质物质元素元素核心核心质子质子中子中子价电壳价电壳电子电子分子分子化合物化合物电电子子电电子能量子能量 价电壳价电壳 固固态态能能带带理理论论 离离子子 第3页，共37页，编辑于2022年，星期五碳原子的元素模式碳原子的元素模式 碳原子碳原子：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。价电价电子子电电子子(负电荷)中子中子(中性)原子数原子数(质子数)核核心心(原子中心；包含质子和中子)轨道壳轨道壳质质子子(正电荷)价电壳价电壳(原子外壳原子外壳)C 6+N NN N+N NN N+N N+N N-图 2.1 第4页，共37页，编辑于2022年，星期五氢原子模型的电子壳层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，编辑于2022年，星期五NaNa和和ClCl的电子轨迹模型的电子轨迹模型 -Na 11钠钠原子原子氯原子氯原子Cl 17-图 2.3 第6页，共37页，编辑于2022年，星期五能带能带 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，编辑于2022年，星期五NaClNaClNa+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，编辑于2022年，星期五周期表周期表常用元素的特性常用元素的特性离子键离子键共价键共价键 第9页，共37页，编辑于2022年，星期五元素周期表元素周期表图 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)LanthanidesActinides第10页，共37页，编辑于2022年，星期五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，则表示具备两种特性。周期表的元素方格周期表的元素方格 图 2.7 第11页，共37页，编辑于2022年，星期五常用於晶圆制造之族群化学元素特性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，编辑于2022年，星期五常用於晶圆制造之族群化学元素特性常用於晶圆制造之族群化学元素特性(续续)表 2.1 第13页，共37页，编辑于2022年，星期五具离子键的具离子键的NaClNaCl结构结构 Cl-Na+图 2.8 第14页，共37页，编辑于2022年，星期五-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HClHCl的共价键的共价键 图 2.9 第15页，共37页，编辑于2022年，星期五材料之分类材料之分类导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体 第16页，共37页，编辑于2022年，星期五电子电流电子电流 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电池电池 e-e-e-第17页，共37页，编辑于2022年，星期五铜铜原子原子 价电壳之孤立电价电壳之孤立电子子-Cu 29-KLMN铜铜(Cu)(Cu)的自由电子流的自由电子流 壳层KLMN总数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，编辑于2022年，星期五线的尺寸如何影响电阻线的尺寸如何影响电阻 高电高电阻阻低电低电阻阻 LAR=图 2.12 第19页，共37页，编辑于2022年，星期五晶圆加入杂质以增加其导电率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电电池池Na+Cl-H2O图 2.13 第20页，共37页，编辑于2022年，星期五基本电容器结构基本电容器结构K=介电常数(F/cm)A=导电板面积(cm2)S=导电板间距离(cm)KASC =电电容公式容公式导体(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，编辑于2022年，星期五电池对电容器的充电电池对电容器的充电 1.5 V开关 带正电荷导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，编辑于2022年，星期五电容储存电荷电容储存电荷 带负荷平面电场 1.5 V带正荷平面 图 2.16 第23页，共37页，编辑于2022年，星期五低低k k介电材料介电材料 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，编辑于2022年，星期五矽矽纯矽纯矽 为何采用矽？为何采用矽？具掺杂之矽具掺杂之矽掺质之材料掺质之材料n n型矽型矽 p p型矽型矽掺杂矽之电阻率掺杂矽之电阻率 pnpn接面接面 第25页，共37页，编辑于2022年，星期五半导体半导体IVA族 C，碳6Si，矽14Ge，锗32Sn，锡50Pb，铅82 4A4A族元素半导体族元素半导体 图 2.18 第26页，共37页，编辑于2022年，星期五SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi原子共用价电子，形成似绝缘体的键结原子共用价电子，形成似绝缘体的键结 矽的共价键矽的共价键 图 2.19 第27页，共37页，编辑于2022年，星期五二氧化矽(SiO2)矽晶片矽晶片上的矽晶片上的SiOSiO2 2图 2.20 第28页，共37页，编辑于2022年，星期五矽的掺杂矽的掺杂 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步骤图 2.21 第29页，共37页，编辑于2022年，星期五Group III(p型)硼硼 5铝 13镓 31铟 49Group IV 碳 6矽矽 14锗 32锡 50Group V(n-型型)氮 7磷磷 15砷砷 33锑锑51受体杂质受体杂质施体杂质施体杂质半导体半导体*划线元素使用於矽基板的IC制程。矽掺杂矽掺杂 图 2.22 第30页，共37页，编辑于2022年，星期五施体原子供应额外的电子形成n型矽磷原子当磷原子当作作n型型的掺质的掺质多出的电多出的电子子()SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi P P P掺杂磷以形成掺杂磷以形成n n型矽型矽 图 2.23 第31页，共37页，编辑于2022年，星期五自由电子流在自由电子流在n n型矽型矽 自由电自由电子往正端流子往正端流 电源供应的正端 电子流电源供应的负电源供应的负端端 图 2.24 第32页，共37页，编辑于2022年，星期五受体电子提供一个电子空位，形成p型矽 电电洞洞 硼原子当硼原子当作作p型的掺质型的掺质SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSiBB掺杂硼以形成掺杂硼以形成p p型矽型矽 图 2.25 第33页，共37页，编辑于2022年，星期五在在p p型矽的电洞流型矽的电洞流 电电子流子流电电洞流洞流电源供应电源供应的正端的正端 电源供应的负端 电洞往负电洞往负端流端流电电子往正端流子往正端流图 2.26 第34页，共37页，编辑于2022年，星期五矽的电阻率与掺质浓度之关系矽的电阻率与掺质浓度之关系 Redrawn from VLSI Fabrication Principles,Silicon and Gallium Arsenide,John Wiley&Sons,Inc.电阻率(-cm)10211020101910181017101610151014101310-310-210-1100101102103n-型 p-型 图 2.27 掺质浓度(atoms/cm3)第35页，共37页，编辑于2022年，星期五p-型矽 n-型矽pnpn接面横切面接面横切面 图 2.28 第36页，共37页，编辑于2022年，星期五其他半导体材料其他半导体材料表 2.3 第37页，共37页，编辑于2022年，星期五