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2024-03-20 2515

半導体は近年、国家発展の基幹産業となっている。それで 半導体とは一体何ですか？

日常生活において、あらゆる物体はその電気伝導度によって導体、半導体、絶縁体の3つに大別されます。

これは理解するのが簡単です。物体は電気を通すか、電気を通さないか、または少しだけ電気を通すかのいずれかです。物理学者にさまざまな探索の機会を提供するのは、まさにこれらの曖昧で部分的な導電性を示す材料です。

純粋に導電性または非導電性の材料はあまり意味がありません。興味深いのは、さまざまな条件下で導電率が変化する物質です。

より直観的に理解するために、材料の電気伝導率を図で見てみましょう。

電気伝導率によると、次のようになります。

絶縁体: 溶融石英やガラスなど、約 20^-18S/cm から 10^-8S/cm の範囲の低い電気伝導率を持ちます。

導体: アルミニウムや銀などの金属など、10^4S/cm から 10^6S/cm の範囲のより高い電気伝導率を持ちます。

半導体: 電気伝導率が絶縁体と導体の中間になります。

自然界で見られる一般的な元素半導体には、シリコンとゲルマニウムが含まれます。ゲルマニウムベースの半導体はシリコンベースの半導体よりも早く発見され使用されていたと言われていますが、シリコンの当然の利点は手頃な価格であることです。自然界の一般的な砂には多量のシリコンが含まれています。

珪砂は自然界にたくさん存在しますが、不純物や欠陥が多すぎるため、そのままでは使用できず、精製する必要があります。

どうやって改良すればいいのでしょうか？一言で言えば、燃えろ！

中学校の化学で習うように、私たちは酸化還元反応を行っています。

SiC + SiO2 → Si (固体) + SiO2 (ガス) + CO (ガス)
Si (固体) + 3HC → SiHCl3 (ガス) + H2 (ガス)
SiHCl3 (ガス) + H2 (ガス) → Si (固体) + 3HCl (ガス)

3 回の高温化学反応の後、固体のシリコンが得られますが、この時点ではシリコンは多結晶です。

多結晶シリコンとは何ですか?

オレンジの皮をむくと、中にはたくさんの部分（多結晶部分）があり、それぞれの部分で味が異なります（結晶方位）。最もおいしいセグメントを選択し、それを自然に成長させる必要があります。

小さな単結晶を個別に成長させるにはどうすればよいでしょうか？

物理学者は確かに賢く、チョクラルスキー法と呼ばれる単結晶を成長させる方法を発明しました。この方法は、おそらくそれを開発した科学者の名前にちなんで命名されました。

このプロセスには、ブリッジマン法として知られる直感的な業界用語もあります。

単結晶を成長させるときは、小さな結晶を上に引き上げるようなものだからです。引っ張る速度は少し遅いです。このデバイスを見てください。

画像の青い円柱棒は単結晶シリコンです。引き上げ工程では回転しながら上方に引き上げられ、ブリッジマン法により円柱状のインゴットが成長します。

成長したインゴットは機械ブレードを使用して円盤状に切断され、いわゆるウェーハが形成されます。

このプロセスに聞き覚えはありますか?

このようにしてウェーハが製造されます。

現在ウェーハを入手していますが、現段階では単結晶シリコンの電気化学的特性はチップの製造に直接使用するには十分ではありません。次に、エンジニアは単結晶シリコンの電気化学的特性の変更に取り組みます。

単結晶シリコンをどのように改質するのでしょうか?

まず、シリコン元素についてもう少し詳しく理解しましょう。周期表ではシリコンは 14 番目に位置します。シリコン原子はその外殻に XNUMX つの電子を持ち、その電子を隣接する XNUMX つの原子と共有し、XNUMX 対の共有電子を形成します。この共有電子対の構造は共有結合として知られています。電子の各対は共有結合を形成します。

この部分については中学校の化学で習ったことがあるかもしれません。より視覚的に理解するために、写真を見てみましょう。

左の図は単結晶シリコンの結晶構造を示しており、ダイヤモンドの結晶の構造に似ています。右側には、電子を共有するシリコン原子が描かれており、中央の 1 つのシリコン原子が 4 つの「兄弟」シリコン原子と電子を共有しています。

ある日、物理学者が突然思いつきました。シリコンがその「兄弟」原子と電子を共有せず、他の「兄弟」をグループに招待したらどうなるでしょうか?

ある日、物理学者がヒ素をグループに招待したところ、奇跡が起こりました。

ヒ素の「兄弟」はその外殻に 5 つの電子を持ち、そのうち 4 つの電子はシリコン原子と結合を形成し、XNUMX つの電子は対になっていません。この不対電子はフリーエージェントとなり、その電荷により歩き回ってシリコンの導電性を変化させます。

シリコン族に追加の電子を提供することにより、ヒ素原子はドナーとして知られています。

シリコン族の自由電子が増加すると、負に帯電したキャリアが増加し、シリコンが n 型半導体に変化します。

なぜ「N型」と呼ばれるのですか？英語で「Negative」はネガティブを表します。この単語の最初の文字を取ると、N になります。

同様に、物理学者は、余分な電子を持つヒ素原子を導入できれば、電子の少ないホウ素原子もグループに導入できるだろうかと考えました。そこで物理学者は、何が起こるかを調べるためにホウ素原子を混合物に加えることにしました。

ホウ素原子はその外殻に電子を 3 つしか持たず、シリコンよりも 2 つ少ないため、もともと XNUMX つの電子対を持っていた各共有結合は現在 XNUMX 対だけで構成され、ギャップ、つまり正に帯電したホールが残ります。

ここで、シリコン系半導体はｐ型半導体として知られている。同様に、「P」は英語の「Positive」の最初の文字に由来しており、ホウ素原子はアクセプターと呼ばれます。

単結晶シリコンに異なる原子を導入すると、N 型半導体と P 型半導体が形成されます。

単結晶シリコンがあり、その表面を二酸化シリコンに酸化する方法を見つけることができれば、二酸化シリコンは多くのデバイス構造の絶縁体として機能したり、拡散やイオン注入などのデバイス製造プロセス中にバリア層として機能したりできます。

pn 接合の製造プロセスでは、二酸化シリコンの薄層を使用して接合領域を画定できます。

この概略図を見てください。(a) は、酸化ステップの準備ができた、覆われていないシリコンウェーハを示しています。一方、(b) は、酸化されたウェーハの最上層のみを示しています。

P 型および N 型半導体の理論的知識があれば、さらに一歩進んで、二酸化シリコンの表面を変更して、猫や花を描くなど、目的のパターンを作成できます。

ウェーハ表面を改質する方法はフォトリソグラフィーと呼ばれます。

しかし、フォトリソグラフィーには高度な設備が必要ではないでしょうか?これらの機械は本当に素晴らしいと聞きました... まず、フォトリソグラフィーの原理を理解しましょう。

高速スピンコーターを使用して、フォトレジストと呼ばれる紫外線 (UV) 感光性材料の層をチップの表面に塗布します。スピナーからチップを取り出した後、80°C ～ 100°C の温度でベーキングしてフォトレジスト内の溶剤を除去し、チップを硬化させてチップへの接着力を高めます。

次に、UV 光源を使用して、パターン化されたマスクを通してチップを露光します。次に、緩衝フッ化水素酸を酸エッチャントとして使用して、保護されていない二酸化シリコン表面を除去します。最後に、化学溶剤またはプラズマアッシングシステムを使用してフォトレジストを剥離します。

概略図を見てください。(a) のみが示されています。

このプロセスは印鑑の作成に似ています。まず、石に顔料で模型を描き、模型の寸法に合わせて彫刻します。本質的には同じ原理です。

シールに凹凸のあるデザインがあるのと同様に、ウェーハも同様に処理できます。ポジ型またはネガ型のフォトレジストの選択に応じて、隆起した (ポジ型) パターンと凹んだ (ネガ型) パターンを実現できます。使用されるフォトレジストはポジ型レジストとネガ型レジストと呼ばれます。

フォトリソグラフィーの後、シリコン表面は外部環境にさらされます。次に、物理学者は、イオン注入として知られるプロセスを通じて、このシリコン表面に他の元素を導入します。

ホウ素 (B) またはヒ素 (As) イオンが注入されると、シリコンの従来の特性が変化し、その電気化学的特性が変化します。この時点で、半導体は外部半導体と呼ばれます。

P型半導体とN型半導体の接触によって形成される接合をpn接合といいます。

ドーピングが完了したら、この半導体の性能を引き出す努力が行われます。これには、半導体表面のメタライゼーションが含まれ、その後のメタライゼーションプロセスでオーミックコンタクトや相互接続などのステップが完了します。金属薄膜は、物理蒸着 (PVD) または化学蒸着 (CVD) を使用して形成できます。

メタライゼーションが完了すると、pn 接合が機能できるようになります。

以上、半導体の基礎知識でした！

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