半导体原与晶圆制造

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1、半導體原料與晶圓製造程一誠yccheng@cyu.edu.tw10教學目標Objectives•熟悉半導體的基本知識•了解各種半導體材料的不同應用•製程的相關化學常識•矽晶圓的製造流程11PeriodicTableoftheElements12半導體基板與其滲雜材料SubstrateP-typeDopantN-typeDopants13原子軌域與期能帶結構ValenceshellsConductingband,EcNucleiBandgap,EgValenceband,Ev14能帶與電阻係數E=1.

2、1eVE=8eVggAluminumSodiumSiliconSilicondioxide2.7µΩ•cm4.7µΩ•cm~1010µΩ•cm>1020µΩ•cmConductorsSemiconductorInsulator15矽單晶的晶體結構SharedelectronsSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi-Si16矽的優點•Abundant,inexpensive•Thermalstability•Silicondioxideisastrongdielectricandrela

3、tivelyeasytoform•Silicondioxidecanbeusedasdiffusiondopingmask17N-type(Arsenic)DopedSiliconandItsDonorEnergyBandConductingband,EcSiSiSiExtraE~0.05eVElectrondSiAsSiE=1.1eVgSiSi-SiValenceband,Ev18P-type(Boron)DopedSiliconandItsDonorEnergyBandConductingban

4、d,ESiSiSicHoleE=1.1eVSigBSiE~0.05eVaSiSi-SiValenceband,EvElectron19IllustrationofHoleMovementConductingband,EConductingband,EConductingband,EcccElectronEg=1.1eVElectronEg=1.1eVElectronEg=1.1eVE~0.05eVaValenceband,EvValenceband,EvValenceband,EvHoleHoleH

5、ole20DopantConcentrationandResistivityResistivityP-type,BoronN-type,PhosphorusDopantconcentration21DopantConcentrationandResistivity•Higherdopantconcentration,morecarriers(electronsorholes)•Higherconductivity,lowerresistivity•Electronsmovefasterthanhol

6、es•N-typesiliconhaslowerresistivitythanp-typesiliconatthesamedopantconcentration22半導體的生產原料鍺和矽鍺缺點：（1）熔點僅為937oC，無法進行高溫製程（2）無法自然生成氧化物，表面易出現漏電現象矽優點：（1）二氧化矽，漏電問題解決（2）高熔點(1415oC)，允許高溫製程化合物半導體III、V，II、VI族合成砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、磷銦化鎵(InGaP)23III、V族特殊性

7、質（1）LED發光二極體(LED)砷化鎵（2）高(電)載子移動力高頻微波轉成電流，速度較矽快二至三倍（3）受輻射硬化(radiationhardened)不會因受輻射線而漏電（4）半絕緣體鄰近元件間漏電少，容許高元件密度，晶片高速運作III、V族不能取代矽的地位（1）製程困難（i）無法自然生成氧化物，須藉沈積法生成介電體於其表面（ii）砷危害人體，蒸發，晶圓易碎，需抑制層，或腔室加壓（iii）製程時間長，良率(yield)低，成本高（2）不需要這樣快速的性能24鍺化矽(SiGe)：砷化鎵的競爭者鍺化

8、矽電晶體提供高頻功能，超高快速無線電波、個人通訊裝置異質結構(hetrostructure)，或異質接合介面(heterojunction)鐵電體(ferroelectric)極具潛力的高速、穩定的記憶體結構鐵電體電容PZT及SBT，併入SiCMOS記憶電路，稱為鐵電隨機存取記憶體(FeRAM)25GeSiGaAsSiO2原子重72.628.09144.6360.08每立方公分原子數4.42e225e222.2e222.3e22結晶結構鑽石鑽石閃鋅礦非晶單位晶格原子數