ch3半导体元素的物理特性.docVIP

3-1.試比較矽與其他元素(鍺)及化合物半導之物理特性差異。 Ans：矽元素乃地球表面存量豐富的元素之一，本身的無毒性，以及具有較寬的能階差(Bandgap)，同時矽與氧形成一穩定的鈍態層(Passivation Layer)之二氧化矽則是積體電路重要的元件電路設計。 在高頻需求的元件設計上，矽材料則沒有如化合物半導體、砷化鎵般的具有高電子游動性(Electron Mobility)而受到青睞，尤其間接能階差的矽更無法提供光電元件(Optoelectronic Device)的素材，而由其他直接能階差的材料，如砷化鎵所取代。 三-2 矽晶圓(Silicon Wafer)材料之所以在諸多元素或化合物半導體材料中脫穎而出，成為超大型積體電路(ULSI)之基材，其原因大致可歸納為以下兩項。 (1) 矽元素乃地球表面存量豐富的元素之一，而其本身的無毒性，以及具有較寬的能階差(Bandgap)，則是早期半導體界捨鍺而轉向矽的重要考量，同時矽與氧形成一穩定的鈍態層(Passivation Layer)之二氧化矽則是積體電路重要的元件電路設計，然而在高頻需求的元件設計上，矽材料則沒有如化合物半導體、砷化鎵般的具有高電子游動性(Electron Mobility)而受到青睞，尤其間接能階差的矽更無法提供光電元件(Optoelectronic Device)的素材，而由其他直接能階差的材料，如砷化鎵所取代。 (2) 從製造成本的考量上，目前絕大部份的積體電路用的晶圓，均由所謂的柴氏法(Czochralski Method)成長單晶，早在五○、六○年代曾有各種推測以浮融帶長晶法(Floating Zone Method)或直接以氣相的矽化物與氫氣還原而附著析出方式成長矽單晶，然而均由於生產的晶圓材料強度考量（氧含量過低，以致於無法與矽形成固溶或析出強化機構）或生產經濟效益的無法突破，而逐步放棄這些單晶成長方法。因此以熔融固化方式的柴氏法在其不斷的理論模擬與設備及製程控制的改善上，已成為成長大尺吋晶圓的主流。 三十多年來，積體電路用矽晶圓從直徑25 mm逐漸演變到今日的主流產品－200 mm矽晶圓，以致於本世紀末前，已由有半導體業界達成共識的下一世代尺寸－300mm矽晶圓。以200 mm直徑晶圓為例，於1988年首度投入生產，而96年正值高峰期，預計此一尺吋產品可維持至下一個世紀仍被採用，就如同目前100 mm至150 mm產品仍持續存在一般的週期。 矽晶圓材料的製造技術隨著直徑之增大而愈趨複雜，除了單晶成長的研發之外，在相關的加工成形、拋光、清洗等下游配合的製程，更由於IC業者愈趨精密及複雜的元件設計與製造之趨動下，而需更長時間的開發與突破。 3-3. 矽單晶成長用之電子級矽多晶之製造流程及原理與設備概述。 第一步：自矽砂中將矽還原出來。 生產過程將矽砂、焦碳(Coke)、煤(Coal)及木屑等原料混合置於一石墨電弧沈浸(Submerged)之加熱還原爐中於1500~2000℃高溫加熱，將氧化矽還原成矽，此時矽之純度約98%左右，此一冶金提煉之矽，即稱為冶金級矽(Metallurgical-grade Si)。 第二步：純化。冶金級矽需進一步純化，以達半導體業規格之要求。其化學反應與製程分別如下： (1) 鹽酸化(Hydrochlorination)－將冶金級的多晶塊置於流床(Fluidized-bed)反應器中，通入鹽酸氣以形成三氯化矽(Trichlosilane, TCS)，如下式反應： (2) 蒸餾(Distillation)－此步驟將上式低沸點之生成產物－TCS置於蒸餾塔中，將其他不純物（以金屬鹵化狀態存在）予以部份蒸餾去除之。 (3)分解(Discomposition)－將已蒸餾純化之TCS置於一化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition, CVD)反應爐(Reactor)中，與氫氣還原反應而析出於爐中電極上，再將此一析出之固態矽擊碎成塊狀的多結晶矽，是目前最廣為使用之多晶矽純化製程方法。 除了上述塊狀矽多晶製程外，最著名的尚有以矽烷(Monosilane)於流床反應爐中分解析出顆粒狀(Granular)之多晶矽(2)，其粒度分佈約在100? m至1500? m之間，早期以此法所產製之顆粒多晶矽，雖有較多之表面積以致較高之不純物及氫之污染顧慮，但經不斷創新改良，此疑慮已大致去除，取而代之的優點是較低之製造成本（能源耗損率低），以及其均勻或連續填入長晶機之可能性。因此已可逐漸取代一部份塊狀多晶矽之市場。 3-5. 試說明柴式法矽單晶成長中之雜質污染來源項目及其控制原理與方法。 Ans : 氧及碳是柴氏長晶法中，兩種非預期加入的雜質。 1. 氧原子來自石英坩堝的分解（方程式(3-4)），以插入型(In