圖解半導體制程概論1

█? 半導體的物理特性及電氣特性

【半導體】具有處于如銅或鐵等容易導電的【導體】、與如橡膠或玻璃等不導電的【絕緣體】中間的電阻系數、該電阻比會受到下列的因素而變化。如：

雜質的添加·溫度

光的照射·原子結合的缺陷

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?█? 半導體的材料

硅(Si)與鍺(Ge)為眾所周知的半導體材料.這些無素屬于元素周期素中的第IV族,其最外殼(最外層的軌道)具有四個電子.半導體除以硅與鍺的單一元素構成之處,也廣泛使用兩種以上之元素的化合物半導體.

●硅、鍺半導體

（Si、Ge Semiconductor)

單結晶的硅、其各個原子與所鄰接的原子共價電子（共有結合、共有化）且排列得井井有條。利用如此的單結晶，就可產生微觀性的量子力學效果，而構成半導體器件。

●化合物半導體

(Compound Semiconductor)

除硅（Si)之外，第III族與第V族的元素化合物，或者與第IV族元素組成的化合物也可用于半導體材料。

例如，GaAs（砷化鎵）、 Gap（磷化砷）、 AlGaAs（砷化鎵鋁）、? GaN（氮化鎵） SiC（碳化硅） SiGe（鍺化硅）等均是由2個以上元素所構成的半導體。

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█? 本征半導體與自由電子及空穴

我們將第IV族（最外層軌道有四個電子）的元素（Si、Ge等），以及和第IV族等價的化合物（GaAs、GaN等），且摻雜極少雜質的半導體的結晶，稱之為本征半導體（intrinsic semiconductor）。

●本征半導體（intrinsic semiconductor）

當溫度十分低的時候，在其原子的最外側的軌道上的電子（束縛電子（bound electrons）用于結合所鄰接的原子，因此在本征半導體內幾乎沒有自由載子，所以本征半導體具有高電阻比。

●自由電子（free electrons）

?束縛電子若以熱或光加以激發時就成為自由電子，其可在結晶內自由移動。

●空穴（hole）

在束縛電子成為自由電子后而缺少電子的地方，就有電子從鄰接的Si原子移動過來，同時在鄰接的Si原子新發生缺少電子的地方，就會有電子從其所鄰接的Si原子移動過來。在這種情況下，其與自由電子相異，即以逐次移動在一個鄰接原子間。缺少電子地方的移動，剛好同肯有正電荷的粒子以反方向作移動的動作，并且產生具有正電荷載子（空穴）的效力。

█ 添加摻雜物質的逆流地導體與電子及空穴

?將第V族的元素（最外層的軌道有五個電子）添加在第IV族的元素的結晶，即會形成1個自由電子且成為N型半導體。???

將第Ⅲ族的元素（最外層的軌道有三個電子）添加在第IV族的元素的結晶，即會產生缺少一個電子的地方且成為P型半導體。

?●N型半導體（N type Semiconductor）

?? N型半導體中，自由電子電成為電流的主流（多數載了），并將產生自由電子的原子，稱為“施體（donor）“。施體將帶正電而成為固定電荷。不過也會存在極少的空穴（少數載子）。

?作為N型摻雜物質使用的元素有：P 磷；As 砷；sb 銻

●P型半導體（P type Semiconductor）

在P型半導體中，空穴成為電流的主流（多數載子），并將產生空穴的原子，稱為“受體（acceptor）”。受體將帶負電而成為固定電荷。不過也會存在極少的自由電子（少數載子）。

?作為P型摻雜物質使用的元素有：B 硼；in 鋅

?█?漂移電流及擴散電流

流動于半導體體中的電流有兩種：漂移電流與擴散電流。MOS型半導體中漂移電流起著很重要的作用，而雙極型半導體中擴散電流的作用很重要。?

?●漂移電流（drift current）?

與電阻體（哭）相同，由于外加電壓所產生的電場，因電子和空穴的電性相吸引而流動所產生的電流。場效應管（FET）內流動的電流稱為漂移電流。

?●擴散電流（diffusion current）

將P型半導體與N型半導體接合且加電壓。如電子從N型半導體注入到P型半導體，而空穴從P型半導體注入到N型半導體，即電子和空穴因熱運動而平均地從密度濃密的注入處移動到密度稀薄的地方。以這樣的結構所流動的電流稱為擴散電流。在雙極性（雙載子）晶體管或PN接合二極管，擴散電流為主體。

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█ PN接合和勢壘

在接合前，由于P型半導體存在與受體（負離子化原子）同數的空穴，而N型半導體存在與施體（正離子化原子）同數的電子，并在電性上成為電中性。將這樣的P型半導體和N型半導體接合就會產生勢壘。

●接合前為中性狀態

接合前，在P型半導體存在著與受體（負離子化原子）同數的空穴，而N型半導體即存在著與施體（正離子化原子）同數的電子，并在電性上成為電中性。

●空乏層與勢壘（depletion layer＆potential barrier）

?將P型與N型半導體接合時，由于P型與N型范圍的空穴及電子就相互開始向對方散。因此在接合處附近，電子和空穴再接合后就僅剩下不能移動的受體與施體。該層稱為“空乏層”。由于該空乏層會在PN接合部會產生能差，故將該能差稱為“勢壘”。

█ PN接合面的電壓及電流特性

如外加電壓到PN接合處，使電流按照外加電壓的方向（正負極）流通或不流通。這是二極管基本特性。

●外加正相電壓到PN接合面

從外部在減弱擴散電位的方向（正極在P型而負極在N型）外加電壓時，PN接合面的勢壘就被破壞了，空穴流從P型半導體注入N型半導體，電子流則從N型半導體注入P型半導體，而擴散電流得以繼續流動。電流流動的方向就稱為“正向”。

● 外加反向電壓到PN接合面

另一方面，從外部所外加的電壓的極性與上述相反（負極為P型而正極為N型），在接合面使勢壘變成需要再加上外部電位VR，其結果使空乏層的寬度更擴大。在這種情況下，反向電流幾乎不會流通，我們將這個方向稱為[反向]（inverse）

█MOS(金屬氧化物半導體)結構

在M（金屬）-O（氧化物）-S（半導體）的三明治型結構的半導體與金屬電極間外加電壓，就能使氧化層下的半導體表面的極性加以反轉。

●給MOS三明治型結構上外加電壓

在MOS三明治型結構上，金屬電極相對于P型半導體的情況下，外加正電壓，對N型半導體外加負電壓，就會形成與PN接合面相同的現象，也就是最初在氧化膜下會產生空乏層（depletion layer）。

●反轉層（reversion layer）

針對投送化膜下為P型半導體的情況，如果再提高電壓，就會累積電子，若是N型半導體則會累積空穴，我們稱此層為“反轉層”。MOS型場效應管就是利用這個層，作為一個切換開關。這是因為改變外加電壓，就可使此電路產生切換的轉換（開關）功用。

█?摻雜物質的選擇性擴散

如果用不純物的原子置換結晶中的硅（4價）原子的一部分，即能制造P型（3價的摻雜元素：注入硼等），或者N型（5價的摻雜元素：注入磷等）半導體。

注入摻雜 有以下方法：

?1、熱擴散法（Thermal Diffusion Method）

? 使用氣體或固體作為雜質擴散源，并將單結晶基板（晶圓）放入擴散爐中加熱（約1000℃），雜質就因擴散而摻入到硅結晶中。P型摻雜物使用硼，而N型摻雜物為磷、砷等。單結晶中的摻雜物濃度或濃度分布可由增減溫度、時間、氣體流量來加以控制。?

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?2、離子注入法（Ion-injection Method）?

? 將氣體狀的不純物加以離子化，且用質量分析器將所注入的元素加以分離，并用電場作加速而打入半導體基板。若使用該注入方法，就能將不純物濃度做精密控制，注入到目標位置和深度。但如果單是注入不純物，仍無法顯現P型、N型的性質，還必須有后續燒鈍（退火）來將晶格中的硅原子加以置換為摻雜物原子的過程。通過擴散來改變半導體的極性時，必須將濃度提升為比原來素材的不純物濃度高，而且應使不純物擴散。在擴散工程中只能操作增加濃度的方向。

3、氣相成長法（epitaxial growth method）

這種方法如同在結晶基板接枝那樣，使結晶成長的氣相成長法（vaporphase growth method）。將晶圓在反應容器內加溫至高溫（約1200℃）并將摻雜物氣體與硅烷氣體（SiH4）、氫混合，流通適量，就能在結昌基板上長成具有目的性極性和不純物濃度的單結晶，且能做成比基板不純物濃度更低的層或極性相反的層。

? █? 氧化膜（SiO2）?

在半導體器件的制造上，氧化膜具有極為重要的作用。其被利用為MOS晶體管的柵極氧化膜、PN接合部的保護膜、那時質擴散的光罩。制造氧化膜的代表例有：熱氧化法及氣相成長法（CVD法）。?

?●? 熱氧化法（Thermal Oxide Method）?

? 將硅晶圓的表面用高溫氧氣或水蒸氣氧化加以氧化生成。由于可形成細密的氧化膜，因此被用于MOS晶體管的柵極氧化層、鈍化層（passivation film,or passivation layer）。用氧化所形成的膜厚度可由溫度、時間、或者水蒸氣的流量加以控制。?

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●? 氣相成長法（CVD法）（CVD：Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積）

這是在高溫的反應爐內帽硅烷氣體沉積在晶圓表面的方法，這包括常壓CVD法（1大氣壓）與低壓CVD法等。主要用途在于形成配線層間的絕緣膜，保護芯片表面的鈍化作用膜等。這種氣體也可用的復晶硅柵極等的形成中。??

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█? 制作Si單結晶?

半導體器件需要Si純度、結晶瑕疵少的單結晶，單結晶硅的制造方法有CZ法（齊克勞斯基法）及FZ法（懸浮區熔法）。利用多結晶Si材料制作單結晶Si材料時需要添加雜質，在基板上形成P型、N型的極性。?

●CZ法（Czochralski method）

將不純物體添加在超高純度的多結晶硅基板，且在加熱爐中溶解，并將晶種一面旋轉且一面慢慢的加以提升，即會成長為棒狀的單結晶晶錠。通過加減摻那時物質種類或添加量，即可控制半導體的極性與電阻比。

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在加有添加化合物的氣體的惰性氣體的容器內將棒狀的多結晶硅加以固定，再連接種子結晶、且從該部分按照環狀的高頻加熱線圈、一面將硅溶解為帶狀并一面將線圈移動至上方，面制作單結晶晶錠。

想制造高耐壓功率晶體管或晶閘管等高電阻比的單結晶時，也有以中子束照射高純度的FZ單結晶，且將一部分的硅變換為磷而制造N型半導體的制法。

█?半導體器件的制造法?

? 半導體器件（晶體管或IC）是經過以下步驟制造出來的。1）從Si單結晶晶柱制造出晶圓的制程；2）前道制程：在晶圓上形成半導體芯片的制程；3）后道制程將半導體芯片封裝為IC的制程。

?一、【Si晶圓的制造工程】? ：從圓柱形的硅單結晶晶柱切出圓盤狀的晶圓，并將其表面磨光，如同鏡面一樣。

? ●第一步、從硅單結晶晶柱切出晶圓狀的晶圓（切成薄片：Slicing）?

? 將圓柱狀的Si單結晶晶柱貼在支撐臺上，再使帶有鉆石粒的內圓周刀刃旋轉，就可切出圓盤狀的晶圓。

●第二步、Si晶圓的表面拋光（研磨-精磨：Polishing）

如果想制造缺陷少的器件，需要將Si晶圓表面冒用機械或化學方法加以拋光成鏡面，以去除表面的缺陷層。

二、【前道制程】：反復進行黃光微影、蝕刻及雜質擴散的工程，以制造半導體芯片。

第一步、氣相成長

在完成鏡面研磨的晶圓表面（單結晶硅基板）形成氣相沉積層。

第二步、選擇性的摻雜物擴散

運用類似照相技術的微影方法，且為了選擇性地擴散摻雜物質，而在部分區域制造想要的極性與雜質濃度。通過重復這個過程制造所需求的半導體可器件。

第三步、蒸鍍電極金屬

將鋁、銅等蒸鍍在晶圓表面形成電極及配線。

三、【后道制程】：這是從晶圓切割芯片，并乘載在導線架上，再用電線與引線連接，然后用塑膜樹脂包裝IC芯片，并進行測試且去除不良品的工程。

第一步、切片（dicing）

?將制造在晶圓上的半導體器件，以且有鉆石刀刃的切割刀將晶圓切割為各個芯片。

第二步、芯片安裝（chipmount）及金屬連接（bonding）

將芯片裝置安裝在導線架上。接著，用金線、鋁線等將芯片的電極與引線連接。

第三步、封裝（packaging）

為了增加機械強度，用環氧樹脂等將結合線、半導體芯片等封裝起來。

第四步、測試篩檢

最后用測試儀表測定并判斷其電氣特性，并去除不良品。