芯片制造-半导体工艺教程
1． 列出四种类型的分立器件。
2． 描述固体器件相对于真空器件的优点。
3． 一块VLSI较一块ULSI集成电路有更多的元件。（对或错） 4． 描述混合电路与集成电路的区别。 5． 叙述制造晶圆的工艺阶段。 6． 叙述制造芯片的的工艺阶段。 7． 描述N/P的结构。
8． 描述术语录―特征尺寸‖的含义。 9． 列出推动半导体工业的三个趋势。 10.描述半导体封装的功能
#1 第二章 半导体材料和工艺化学品-----1
第二章 半导体材料和工艺化学品-----1 by r53858 概述
半导体材料拥有特有的电性能和物理性能，这些性能使得半导体器件和电路具有独特的功能。这些性能会和原子的基本性能、固体、本征半导体和掺杂半导体的电性能一同分析。在本章的第二部分，我们会讨论适用于工艺化学品的基础化学。 目的
完成本章后您将能够：
1.分清原子的各个部分。
2.说出掺杂半导体的两种特性。 3.列出至少三种半导体材料。
4.列出与硅相比，砷化镓的优缺点。
5.解释N型和P型半导体材料在组成和电性能方面的不同。 6.描述电阻率和电阻的特性。 7.指明酸，碱和溶剂的不同。 8.列出自然界的四种状态。
9.给出原子、分子和离子的定义。
10.解释至少四种化学品的安全操作规则。
原子结构 玻尔原子
要想理解半导体材料就必须了解原子结构的基本知识。 原子是自然界的基本构造单元。自然界中的任何事物都是由96种稳定12种不稳定的元素组成。每一种元素都有不同的原子结构，不同的结构决定了元素的不同特性。
黄金的特性也是由黄金的原子结构决定的。如果一块黄金不断地被分割而变小，那么最终会留下一小块，依然能呈现出黄金的特性，这一小块就是原子。 进一步分下去，就会产生组成每个原子的三个部分。它们被称作亚原子粒子，也就是质子，中子和电子。这些亚原子粒子各有其特性。要组成金原子就要求这些亚原子粒子有特定的组合和结构。著名物理学家尼尔斯?玻尔最早把原子的基本结构用于解释不同元素的不同物理、化学和电性能（图2.1）。
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e-=电子 +=质子 N=中子
O=未填充电子位置
图2.1 玻尔原子模型
在玻尔的原子模型中，带正电的质子和不带电的中子集中在原子核中，带负电的电子围绕原子核在固定的轨道上运动，就象太阳的行星围绕太阳旋转一样。带正电的质子和带负电的电子之间存在着吸引力，不过吸引力和电子在轨道上运行的离心力相抵，这样一来原子结构就稳定了。
每个轨道容纳的电子数量是有限的。在有些原子中，不是所有的位置都会被电子填满，这样结构中就留下一个―空穴‖。当一个特定的电子轨道被填满后，其余的电子就必须填充到下一个外层轨道。
元素周期表
不同的元素，其原子中的电子、质子和中子数是不同的。幸运地是，自然界把这些亚原子粒子有序地组合起来。如果对决定原子结构的一些规则进行研究，就会对理解半导体材料和工艺化学品的特性有帮助。原子（也是元素）的范围包括从最简单的氢原子（有一个电子）到最复杂的铹（有103个电子）。 氢原子只包括一个原子核中的质子和一个电子。这种组合解释了原子结构的第一条规则。
1.在任何原子中都有数量相等的质子和电子。
2.任何元素都包括特定数目的质子，没有任何两种元素有相同数目的质子。氢在原子核中有一个质子，而氧原子有八个。
这条规则引出了人们对每种元素指定特定的序数的做法，―原子序数‖就等于原子中质子的数目（也就是电子的数目）。元素的基本参照就是元素周期表（图2.2）。周期表中每种元素都有一个方格，内有两个字母。原子序数就在方格的左上角。钙 （Ca）的原子序数为20，所以我们立即知道钙原子核中有20个质子，轨道系统上有20个电子。
中子是中性不带电粒子，和质子一起构成原子核。
图2.3表示出了一号元素氢，三号元素锂和十一号元素钠的原子结构图。当建立这些结构图的时候，就可以观察到电子在合适的轨道上分布的规则。该规则就是每个轨道（n）只能容纳2n2 个电子。按此算法，一号轨道只能容纳2个电子。该规则迫使锂的第三个电子进入第二个轨道。第二个轨道的电子数受该规则限制最多有8个，第三轨道的电子数最多有18个。因此在建立有11个质子和电子的钠原子的结构图时，开始的两个轨道容纳了10个电子，第十一个电子就留在第三个轨道上。
这三个原子有一个共性，每种原子的最外层都只有一个电子，这显示出了元素的另外一个可观察到的事实。
2.2 元素周期表 第一号元素：氢
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第三号元素：锂 第十一号元素：钠
图2.3 氢、锂和钠的原子结构
1.有相同最外层电子数的元素有着相似的性质，这个规则就反映在周期表中。注意氢、锂和钠都出现在标着罗马数字I 的竖列中，这个竖列数就代表最外层的电子数，每一列的元素都有着相似的性质。
2.最外层被填满或者拥有八个电子的元素是稳定的，这些原子在化学性质上要比最外层未填满的原子更稳定。
3. 原子会试图与其它原子结合而形成稳定的条件¾¾各轨道被填满或者最外层有八个电子。
如掺杂半导体这一节所阐述的，规则4和5影响着N型和P型半导体材料的形成。
#1 第二章 半导体材料和工艺化学品---2
第二章 半导体材料和工艺化学品---2 by r53858 电传导 导电子
很多材料的一个重要的特性就是导电或者支持电流。电流其实就是电子的流动。如果元素或者材料中的质子对外层的电子的束缚相对较弱，电传导就可以进行。在这样的材料中，这些电子可以很容易地流动和建立电流，这种情况存在于大多数金属中。
材料的导电性用一个叫做导电率的因素来衡量。导电率越高，材料的导电性越好。导电能力也用导电率的倒数，即电阻率来衡量。材料的电阻率越低，相应导电能力也越好。
C=1/ρ
3个导体分别为铜、银、金 图2.4 三个最好的电导体
其中C=导电率
ρ=单位为欧姆-厘米（Ω-cm）的电阻率
绝缘体和电容器 与导电性相对的是，有些材料中表现出核子对轨道电子的强大的束缚，直接的效果就是对电子移动有很大的阻碍，这些材料就是绝缘体。它们有很低的导电率和很高的电阻率。在电子电路和产品中，绝缘体如二氧化硅用作绝缘。
象做三明治那样把一层绝缘体夹在两个导体之间就形成了一种电子设备即电容。在半导体结构中，MOS栅结构，被绝缘层隔开的金属层和硅基体之间和其它结构中都存在电容（参看第16章）。电容的实际效用就是存储电荷。电容在存储器中用于信息存储，消除在导体和硅表面垒集的不利的电荷，并且形成场效应晶
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体管中的工作器件。薄膜的电容能力与其面积和厚度以及一个特性指数即绝缘常数。半导体金属传导系统需要很高的导电率，因而也就是需要低电阻和低电容材料。这些材料就是低绝缘常数的绝缘体，用于传导层间隔离的绝缘层需要高的电容或者高绝缘常数的绝缘体。
C = 电容
k ＝材料的绝缘常数
E0 = ====空间的介电常数（====空间有最高的电容） A = 电容的面积 t = 绝缘材料的厚度
电阻
与导电率程度（和电阻率）相关的电因子就是特定体积材料的电阻。电阻是材料电阻和尺寸的因子，如图2.5所示，电流的电阻由欧姆来衡量。
R=电阻 L=长度 W=宽度 D=高度
A=横截面积=WxD P=材料电阻率
图2.5 长方形棒的电阻
公式定义了特定材料特定体积的电阻（在图中，体积由三个维度X,Y,Z的矩形）。这种关系类似于密度和重量，密度为材料的特性，重量为特定体积的材料所受的力。
电流类似与水管中的水流。对于给定的水管直径和水压，只有一定量的水会流出水管，水流的阻力可以通过增加水管的直径，缩短水管和增加水压。在电子系统中，通过增大材料的横截面，缩短部件的长度，增大电压（类似于水压）和减小材料的电阻，可以增强电流。
本征半导体 半导体材料，顾名思义就是本身就有一些天然的导电能力的材料。有两种半导体元素——硅和锗，在元素周期表中位于第四列（如图2.6）。另外，还有好几十种化合物材料（化合物就是两个或更多元素化合的材料）也表现出半导体的特性．这些化合物源自第三列和第四列的元素，如砷化镓和磷化镓。其它化合物源自第二列和第六列的元素。
本征，该术语指的是材料处于纯净的状态而不是掺杂了杂质或其它物质。
Ge为元素半导体
3到5族化合物半导体 图2.6 半导体材料
掺杂半导体
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