1 半導體 製造技術 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 2 課程說明 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 3 張茂男 Mao-Nan Chang R518, 22840427 #410 mnchang@dragon.nchu.edu.tw Department of Physics National Chung Hsing University Taichung, Taiwan Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 4 助教: 薛聿勛 (R509) TEL: 0968-026310 E-mail: h44444y@gmail.com Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 5 物理系半導體領域課程規劃 基礎課程 研 究 所 大 四 大 三 大 二 大 一 • 量子力學 • 表面物理(I/II) • 凝態物理(I/II) • 近代光學導論 • 量子物理(I/II) • 光學 • 電磁學 • 近代物理 • 電磁波 • 物理數學(I/II) • 普通化學 • 普通物理(I/II) • 微積分 • 初等物數 實驗課程 • 高等實驗 • 光學實驗 • 電路學實驗 • 應電實驗 • 普物實驗 • 普化實驗 • 物理實驗(I/II) 專業課程 • 薄膜物理與技術 • 半導體物理與元件 • 奈米光電檢測技術 • 奈米材料科學 • 奈米電子學 • 光電半導體元件物理 • 固態物理 • 半導體製造技術 • 電路學 • 應用電子學 • 光電科技導論 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 積體電 路產業 未來發展 • TSMC, UMC, VIS, PSMC… 記憶體 產業 • MXIC, Powerchip, Micron… 固態光 能產業 • EPISTAR, URE, E-Ton, MOTECH 研究所碩博士班 (物理、材料、電子、電機、光電) 教育研 發機構 • ITRI, NARL, Universities 6 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 7 相關基礎課程 普通物理 電磁學 熱物理 物理光學 量子物理 普通化學 應用數學 固態物理 半導體元件 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 8 Semiconductor Device Processes Semiconductor Crystals Wafer Technology Oxidation Thin Film Deposition Ion Implantation Thermal Annealing CMP Lithography Technology Etching & Clean SIMS EM (SEM/TEM) SPM (AFM/SCM/C-AFM/SSRM) APT 晶圓技術、離子佈植、熱退火處理、微影技術、蝕刻製程、薄膜成長技術、研磨與拋光 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 9 2022台灣半導體研究中心-中興大學物理系合作課程 日 期 2月17日 2月24日 3 月 3 日 3月10日 3月17日 3月24日 3月31日 4 月 7 日 4月14日 4月21日 4月28日 5 月 5 日 5月12日 5月19日 5月26日 6 月 2 日 6 月 9 日 6月16日 課程 課程說明 (張茂男) 半導體製造概述 (張茂男) 半導體材料特性 (張茂男) 半導體晶圓技術 (張茂男) III-V磊晶技術(晶元光電) 離子佈植技術 (TSRI/Dr.卓大鈞) 熱退火技術 (TSRI/Dr.卓大鈞) 停課 期中考週 摻雜與載子分布分析 (張茂男) 微影技術 (TSRI/Dr.陳俊淇) 微影技術 (TSRI/Dr.陳俊淇) 電子顯微鏡技術 (張茂男) 電子顯微鏡技術 (張茂男) 平坦化技術與表面形貌分析 (張茂男) 蝕刻技術 (NCTU/Prof.蘇俊榮) 薄膜成長技術 (NCTU/Prof.蘇俊榮) 期末考週 週次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 期中考範圍 25題選擇題 期末考範圍 25題選擇題 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 TSRI半抵免課程 修習過本課程者，可免上TSRI的 「SM01積體電路製程技術訓練 班」，並直接報名參加「SM01-1 積體電路製程技術見習班」。 https://cs.tsri.narl.org.tw/NDLCS/NDLInfo/TraingClassInfor.aspx 10 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 11 Evaluation Mid-term examination – 40% [Selected topics] Final-term examination – 40% [Selected topics] Home works – 10% [Run-cards] Final report – 10% [IC60] Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 12 Text Book & References Text Book --- Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology (by Hong Xiao, 歐亞書局) --- ULSI Technology (by C. Y. Chang and S. M. Sze, 東華書局) Suggested Readings Solid State Technology Semiconductor International Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 13 嚴峻挑戰的後面是美好的未來 — 台積電前董事長 張忠謀 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 14 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 15 半導體製造概述 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 16 我國半導體工業 Ex. 獲利比重 50% 來自於智慧手機 25% 來自高性能運算 25% 來自物聯網與車用電子 基本設施與環境 工業協會與國家實驗室 (TSIA, SEMI, TSRI, IMEC, etc.) 產品應用方向 度量衡工具 消費者： 電腦和手機(通訊電子) 汽車(車用電子) 航空和宇宙航行 醫學 娛樂(消費電子) 新興產業(IOT/AI/Mining) 顧客服務 物性分析研究機構 原始的設備製程 技術能力 印刷電路板工業 生產工具 實用品 材料 & 化學 晶片製造者 學院 & 大學 (半導體人才) 近年來的人力需求: 物理、化學、材料、機械、電機、電子 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 17 電子產業 晶圓代工 IC設計 光電產業 節能元件 電 光 供能元件 光 電 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 18 晶片 IC (積體電路) VLSI (超大型積體電路) 手機系統 SoC (系統單晶片or晶片系統) 晶圓 資料來源: CIC Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 19 ULSI 晶片 Photo courtesy of Intel Corporation, Pentium III Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 20 尺寸大小不代表一切，良率與可靠度也要兼顧。 Intel聲稱他們的10奈米與7奈米節點比其他晶圓代工業者(如TSMC與Samsung) 更好，但這一點需要在晶片層級以PAAC ──功耗(power)、性能(performance)、 面積(area)與成本(cost)──為基準來佐證；在每一個製程節點，其他晶圓代工 業者在SoC的PPAC上都擊敗了Intel。 (https://www.semiwiki.com/forum/content/6125-apple-will-never-use-intel-custom-foundry.html) SoC (system-on-a-chip)系統單晶片 HP: high performance LP: low power http://android.stackexchange.com/questions/89737/storage-space-and-memory-mobile-phone-architecture-versus-pc-architecture Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 21 半導體工業趨勢 增加晶片特性 降低臨界尺寸 (CD) EUV微影技術(5奈米以下的關鍵) 增加每一晶片上的組件數目 挑戰Moore’s 定律 降低功率消耗 增加晶片的可靠度 降低晶片價錢 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 22 臨界尺寸 (半導體元件製程中的最小線寬) 線寬 間隙 接觸洞 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 23 三星(Samsung)在Semicon West 2016大會上的簡報 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 24 半導體工業的生涯發展路線 工廠領導者 維修領導者 維修管理者 生產領導者 工程師領導者 製程工程師 生產管理者 設備工程師 整合工程師 設備技術人員 良率&錯誤分析技術人員 維修技術人員 製造技術人員 製程技術人員 研究技術人員 晶製程造技術人員 生產者 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 25 超大型積體電路有多複雜？ 薄膜製程 物理氣相沈積、化學氣相沈積、平坦化 SiO2, Si3N4, SiON, PSG, BPSG, FSG, Si, Al, Ti, Co, TiN, TaN, Cu, etc. 微影製程 光阻液塗佈, 光學系統, 高解析技術 波長 : 13.5 nm 光源: EUV 蝕刻製程 濕式蝕刻 : H2SO4, HCl, HNO3, HF, H3PO4, NH4OH, H2O2, ACE, etc. 乾式蝕刻 : Ar, O2, H2, N2, Cl2, HCl, HBr, SF6, CF4, C2F6, CHF3, C4F8, CO, etc. 氧化擴散製程 熱氧化、離子植入、固態擴散、快速熱處理 其它步驟 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 26 超大型積體電路有多複雜？ 高溫氧化 > 5 次 介電層沉積 > 10 次 金屬沉積 > 10 次 複晶矽沈積 > 1 次 離子植入 > 10 次 微影製程 > 25 次 蝕刻製程 > 20 次 平坦化 > 15次 表面清洗 > 50 次 線上量測 > 100 次 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 27 積體電路實例 : MPU (微處理器單元) IBM, 1999 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 28 Passivation Dielectric Etch stop layer Global Dielectric diffusion barrier Copper conductor with metal barrier liner Intermediate The SEM image of MOS devices Local Active area Pre-metal dielectric Tungsten contact plug Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 29 Devices: BJT, CMOS, RAM, LD, LED… (元件) Ex. OM, SEM/EDS, AFM, FIB, FTIR, Stress Metal 2 Passivation Metal 1 Via DM2 Silicide DM1 PMD Poly-Si FOX n+ Gate Oxide Vt Adjust Implant SEM/EDS, TEM, C-AFM, SAM, XPS, FIB, TXRF, XRD, FTIR, Stress p-tub Channel Stop n-tub SIMS, TXRF, AFM, TEM, SSRM, C-AFM, SCM, OM, Ellips., 微粒 量測 Si Substrate Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 30 怎麼做IC？ 先將電路設計好 (電路設計) 製作成光罩（光罩製作） 在晶片表面形成所需要的薄膜（氧 化或薄膜製程） 在晶片上塗一層稱為光阻液的感光 乳劑 將晶片至於光罩下方 以特定波長的光線照射使光阻液感 光 以顯影液將感光的光阻液去掉 （微 影製程） 以適當的化學程序將暴露出來的薄 膜去掉 以適當的化學程序將剩下的光阻液 去掉（蝕刻製程） 先將文字及圖案設計好 印成投影片 在晶片背面形成一層二氧化矽(不同 的厚度會有不同的顏色) 在晶片上塗一層稱為光阻液的感光乳 劑 將投影片覆蓋在晶片上 以特定波長的光線照射使光阻液感光 以顯影液將感光的光阻液去掉 以氫氟酸將暴露出來的二氧化矽去掉 以有機溶劑將剩下的光阻液去掉 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 31 電腦輔助設計軟 晶片製作及封裝 台積電，聯電 體(EDA Tools) 構想 設計 製作 測試 雛型品 Idea Design Fabrication Testing Prototyped IC Equipment 設備 資金/人才 Funding/HR 設計軟體 CAD CAE Mat’l IC設計 光罩 晶圓代工 封裝 測試 Design Mask Fab Packaging Testing Substrate Wafer Chemical 後勤服務支援 Service Support Cargo Customs SBIP Leadframe 晶圓材料 完整的聚落型產業鏈 資料來源: CIC Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 32 晶圓材料 晶圓代工廠 封裝測試廠 晶圓代工 台積電，聯電 封裝測試 矽品，日月光 IC設計 LED 聯發科(併購晨星)，聯詠，瑞昱 晶元光電 資料來源: CIC Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 33 Processes Wafers 半 導 體 製 程 Devices 線 材料分析與元件測試 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 34 微晶片封裝 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 35 微處理晶片 微處理機晶片 (Photo courtesy of Advanced Micro Devices) 微處理機晶片 (Photo courtesy of Intel Corporation) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 36 Transistor The most important invention of the 20th century? A transistor is an electronic device used as a switch or to amplify an electric current or voltage. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 37 真空管 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 38 The Invention of the First Transistor November 17- December 23, 1947 (Bell Labs) Ge Si SiGe Point-contact transistor Ge Crystal Triode John Bardeen, Walter Brattain, William Shockley Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 39 假設20歲年輕人之創造力是100%、辨別力是0%，70歲 老年人創造力是0%、辨別力是100%，人生分歧點是45 歲。分析諾貝爾獎得主獲獎事由和年齡關聯性，會發現 得獎人年齡大多集中於35歲至39歲時。 Bell Labs is the birthplace of the Transistor, inventing the device that led to a communications revolution. John Bardeen, Walter Brattain and William Shockley discovered the transistor effect and developed the first device in December 1947, while the three were members of the technical staff at Bell Laboratories in Murray Hill, NJ. [To view the patent, see US Patent #02569347 which was issued on September 25, 1951] They were awarded the Nobel Prize in physics in 1956. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 40 第一平面式電晶體 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 41 Bell Laboratories' germanium junction transistor was fabricated in 1950 The shape of the transistor has changed dramatically since it was invented at Bell Labs in 1947 as a replacement for the vacuum tube. Clockwise from the top: 1941 vacuum tube used for telephone communications; the point-contact transistor as it was introduced June 30,1948 to the world, six months after its invention; 1955 transistor which replaced vacuum tubes in network communications equipment; 1957 diffused base high frequency broadband amplifier; 1967 microchip, used to produce the tones in a touch-tone telephone set, contained two transistors; and (center) a Lucent Technologies digital signal processor chip, which can contain as many as 5 million transistors, used in modems and cellular communications. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 42 Major Milestones in Transistor Electronics from Bell Laboratories Record magazine - January 1975, p.74 1948 - POINT CONTACT TRANSISTOR (官方正式公開訊息的時間) 1950 - SINGLE-CRYSTAL GERMANIUM 1951 - GROWN JUNCTION TRANSISTOR 1952 - ALLOY JUNCTION TRANSISTOR 1952 - ZONE MELTING AND REFINING 1952 - SINGLE-CRYSTAL SILICON 1955 - DIFFUSED -BASE TRANSISTORS 1957 - OXIDE MASKING 1960 - PLANAR TRANSISTOR 1960 - MOS TRANSISTOR 1960 - EPITAXIAL TRANSISTOR 1961 - INTEGRATED CIRCUITS Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 43 第一個積體電路 (由TI之Jack所製造) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 44 早期與現在半導體尺寸的對照 1990年的微晶片 (5 25百萬個電晶體) 1960年的電晶體 US硬幣 (10分) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 45 半導體積體電路 積體電路 半導體工業的時間週期 每個晶片組成數 沒有整合 (離散組成) 1960年前 小尺寸整合 (SSI) 1960年早期 中尺寸整合 (MSI) 1960年到1970年早期 大尺寸整合 (LSI) 1970年早期到1970年晚期 5,000 100,000 非常大尺寸整合 (VLSI) 1970年晚期到1980年晚期 100,000 1,000,000 超大尺寸整合 (ULSI) 1990年至今 1 25 50 5,000 ＞1,000,000 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 46 晶圓晶片的俯視圖 一個單一的積體電路， 如晶粒、晶片和微晶片 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 47 矽晶片的元件和膜層 傳導層 頂部保護層 金屬層 絕緣層 drain 傳導層的凹部 矽基板 矽基板 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 48 晶圓廠的設備技術人員 Photograph courtesy of Advanced Micro Devices Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 49 晶圓廠的技術人員 Photo courtesy of Advanced Micro Devices Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 50 積體電路實例 : DRAM TI-Acer 16MB Micron 64MB ERSO 16MB Oki 16MB Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 51 Clean Room (潔淨室) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 52 創意可以多美？ System on a Chip (SoC) 將數位、類比、邏輯、記憶體、低功 率、高功率等不同電路製作在同一晶 片上，晶片即為完整系統。 Anything on a Chip (AoC) 將系統所需要的所有東西包括積體電 路、微機電系統、生物電子等製作在 同一晶片上。 ROM MCU DSP Gates RAM Analog 行動電話晶片(T.I. 2000) Intellectual Properties (IP) 已事先定義、驗證、且可重覆使用的 功能組塊。 幫助IC設計師加速實現特定電路功能 的軟體程式。 重覆使用已驗證過的組塊是SoC及 AoC實現的必然要求。 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 53 技術要有多好？ IBM 授權翻印 物理極限 20 nm的電晶體只有約100個原子，如何精確掌握它們的行為嗎？ 1 nm以下的絕緣材料不到五個分子，可以絕緣嗎？ 設計能力 1997年 0.25微米 13M元件 210設計者 2002年 0.13微米 130M元件 800設計者！ 整合能力 SoC能整合多少種電路？IP能提高多少效率？ 支援產業如合配合？電路內部速度如何與外界銜接？ Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 54 電子產業發展的階段 1950年代: 電晶體技術 (1958, IC發明) 1960年代: 製造技術 (1960, 1st MOSFET; 1963, CMOS 發明; 1968, DRAM cell發明) 1970年代: 競爭 (1971, 1st 微處理器) 1980年代: 自動化 (開啟VLSI紀元) 1990年代: 大量生產 (cost down) 2000年代: 後摩爾時代 (奈米元件技術) 2010年代: 深奈米挑戰 (新材料技術) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 55 長度單位 米=公尺(1 m=100 cm) 公分(cm) 毫米=公厘(1 mm=0.1 cm=10-3 m) 微米(1 um=10-4 cm=10-6 m) 奈米(1 nm=10-3 um=10-9 m) 埃(1 A=10-8 cm) 1 mil=10-3 inch=0.00254 cm 次微米：< 1 um 次半微米：< 0.5 um 深次微米：< 0.25 um 奈米：< 0.1 um (< 100 nm) 實物尺寸 • 頭髮：50 - 200 um • 灰塵：2 - 100 um • 香煙霧：0.02 - 0.5 um • 紅血球：5 - 10 um • 病毒、蛋白質：0.01 - 0.1 um • 葡萄糖：0.5 - 2 nm • 原子：0.1 - 0.5 nm Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 56 矽晶片尺寸的發展 2000 1992 1987 1981 1975 1965 50 mm 100 mm 125 mm 150 mm 200 mm 300 mm Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 57 晶晶亮亮、閃閃動人 16 Wafer Diameter (inches) 14 12 10 8 6 4 2 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Year Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 58 IC 製造 矽晶圓 晶圓 晶圓尺寸 元件與膜層設計 晶圓廠 (IC製造的主要階段) 晶圓準備 晶圓製造 晶圓測試/分類 裝配與封裝 最後測試 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 59 IC 製造的主要階段 1. 晶圓準備 包 括 結 晶 、 單晶矽 長晶、圓柱 化、切片和 矽棒切片 研磨。 2. 晶圓製造 摻雜。 包括探針、 測試、分類 晶圓上的每 個晶粒。 沿 切 刻 線 切 切刻線 割 晶 圓 ， 以 單一晶粒 分隔每個晶 粒。 晶粒黏著於 封裝體內， 並進行金屬 打線。 包括清洗、 加層、圖案 化、蝕刻、 3. 測試／分類 4. 裝配和封裝 缺陷晶粒 裝配 封裝 5. 最後測試 確定IC通過 電子和環境 測試。 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 60 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 61 半導體製造技術 (半導體材料特性) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 62 材料的分類 導體 絕緣體 半導體 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 63 元素與晶體 Elements and Crystals Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 64 II-VI: ZnO… III-V: GaAs… IV-VI: SiC… IV-IV: PbS… IV: Si, Ge… Others: CIGS Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 65 Crystal structures Si, GaAs Auguste Bravais GaN Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 66 Vacancy Antisite Point Defects Substitutional Interstitial Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 67 Notations of Point Defects in Semiconductor Crystals Vacancy For example, GaAs: VGa Si: VSi Si: Bi GaAs: Asi GaAs: AsGa GaN: GaN Interstitial For example, Antisite For example, Substitutional For example, Si: BSi and AsSi Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 68 半導體 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 69 能帶(Energy Band) Band of states 能帶結構直接影響半導體材料的光學與電學特性。 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 70 Energy Bands of Materials 電子能量(eV) 電子能量(eV) 電子能量(eV) 導電帶 能 隙 大 導電帶 導電帶 價電帶 重疊之能帶 僅需一小 能量便可傳導 EC 能 隙 UV~IR 價電帶 EV 價電帶 絕緣體 導體 半導體 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 71 Band gaps Density of states for electrons and holes From electron point of view Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 72 Si, Ge, AlAs… GaN, GaAs, InP… E 𝐸𝑔 k 𝐸𝑔 k K=0 K=0 Direct band gap E Electron Hole Indirect band gap Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 73 Effective mass 等效質量 Parabolic, isotropic dispersion relation: where E(k) is the energy of an electron at wavevector k in an energy band, E0 is a constant giving the edge of energy of that band, and m* is a constant (the effective mass). For electrons and holes, We have 𝑚𝑒∗ and 𝑚ℎ∗ . 𝑚𝑒∗ 𝜕 2 𝐸𝑒 𝑘 −1 =ħ ( ) 𝜕𝑘 2 𝑚ℎ∗ 𝜕 2 𝐸ℎ 𝑘 −1 =ħ ( ) 𝜕𝑘 2 2 2 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 74 Carrier mobility 載子遷移率 In n-type semiconductor, the electrical conductivity σ is defined as ne 𝜇𝑒 , where 𝜇𝑒 is the electron mobility and n is the electron concentration of the material. In the electric field E, each of these electrons will move with the velocity vector -𝜇𝑒 E. This velocity is drift velocity 𝑣𝑑 . In p-type semiconductor, the electrical conductivity σ is defined as pe𝜇ℎ , where 𝜇ℎ is the hole mobility and p is the hole concentration of the material. 材料電阻要低，必須有高載子濃度與高遷移率。 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 75 矽的電阻率與摻雜濃度之關係 1021 1020 摻 質 1019 濃 度 1018 1. 摻雜物濃度越高，提供的載 子(carriers)越多(電子或電洞)。 (atoms/cm ) 2. 導電性越高，電阻係數越低。 1017 1016 n-型 p-型 3. 電子移動速度比電洞快。 4. 在相同的濃度下，N-型矽比 3 1015 P-型矽的電阻係數低。 1014 1013 -3 10 10-2 10-1 100 101 102 103 電阻率 (-cm) Redrawn from VLSI Fabrication Principles, Silicon and Gallium Arsenide, John Wiley & Sons, Inc. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 76 常用於晶圓製造之化學元素特性 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 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 77 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 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) IVB – VIB 和矽反應穩定的化合物，具良好電性 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 78 矽(Si) 純矽 為何採用矽？ 具摻雜之矽 摻雜材料 n型矽: P, As p型矽: B, BF2+ 摻雜矽之電阻率 pn接面 (離子佈植/磊晶成長) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 79 IVA族元素半導體 半導體 IVA族 C，碳 6 Si，矽 14 Ge，鍺 32 Sn，錫 50 Pb，鉛 82 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 80 Si single crystal (矽單晶) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 矽的共價鍵 Diamond structure Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 81 矽晶片上的SiO2 Native oxides / Thermal oxides 二氧化矽 (SiO2) 矽晶片 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 82 矽的摻雜 受體雜質 半導體 Group III (p型) 施體雜質 Group V (n-型) Group IV 硼 5 碳 6 氮 7 鋁 13 矽 14 磷 15 鎵 31 鍺 32 砷 33 銦 49 錫 50 銻 51 * 劃線元素使用於矽基板的傳統IC製程。 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 83 N-type Si (P-doped) Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si P Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Extra electron (˗) Donor Donors provide extra electrons to form n-type Si. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 84 Doping Impurities (n-type) Conduction band, Ec Si Si Si Extra Electron Si As Si Si Si Si - Ed ~ 0.05 eV Eg = 1.12 eV Valence band, Ev Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 85 P-type Si (B-doped) Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si B Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si Si Hole (+) Acceptor Acceptors produce holes (empty states in the valence band) to form p-type Si. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 86 Doping Impurities (p-type) Conduction band, Ec Si Si Si Hole Si Eg = 1.1 eV B Si Ea ~ 0.05 eV Si Si - Si Valence band, Ev Electron Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 87 矽的擴散摻雜法 沈積步驟 驅入 & 擴散步驟 塗佈雜質 晶片基板 活化步驟 摻雜層 摻雜原子擴散通過矽 晶片 Si Si P P P Si Si Si Si P Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 88 矽的佈植摻雜法 Ion Implantation Ions Dopant activation Dopant Si Implanted region Substrate RTA (SA, FA, MWA) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 89 PN接面橫切面 p-型矽 n-型矽 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 90 P-N junctions A p-n junction is an interface region between p-type and n-type semiconductors. A p-n junction can be formed by various doping methods, such as ion implantation, diffusion, or epitaxy. In most semiconductor devices, p-n junctions are elementary "building blocks“ and dominate device properties. Ex. P-N Diode Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 91 BJT MOS Solar Cell LED Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 92 Introduction to pn junctions Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 93 Introduction to pn junctions Built-in potential (Bbi) Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 94 Introduction to pn junctions Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 95 其他半導體相關材料 不同材料的物理特性比較 性質 熔點 (℃) 原子量 原子密度 (atom/cm3) 能隙 (eV) E-mobility Si Ge GaAs 1412 937 1238 28.09 72.60 144.63 SiO2 1700 (approx.) 60.08 4.99 x 1022 4.42 x 1022 2.21 x 1022 2.3 x 1022 1.12 1000 cm2/(V*s) at 300K 0.67 1.42 8 (approx.) 8500 cm2/(V*s) at 300K Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 96 GaAs 1.42 eV AlAs 2.12 eV 光色 材料 光色 材料 紅外 紅 黃 黃綠 AlGaAs, InGaAsP GaP, GaAsP, InGaP GaAsP, AlInGaP GaP, AlInGaP 綠 青 紫外 InGaN InGaN, SiC GaN, InGaN Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 97 Heterojunctions Type I: Straddling gap; Type II: Staggered gap; Type III: Broken gap Type I Type II Type III The three types of semiconductor heterojunctions organized by band alignment. Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 98 Heterojunctions Double Quantum Well AlGaAs AlGaAs GaAs AlGaAs GaAs CB Well Barrier Well Barrier Barrier Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022 99 Mao-Nan Chang Applied Surface Science Lab Department of Physics 2022