半导体的生产工艺流程

半导体的生产工艺流程微机电制作技术，尤其是最大宗以硅半导体为根底的微细加工技术(silicon-原本就肇源于半导体组件的制程技术，所以必需先介绍清楚这类制程，以免沦于夏虫语冰的窘态。一、干净室的机械加工是不需要干净室(cleanroom)的，由于加工区分率在数十微米以上，远比日常环境的微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工的世界，空间单位都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上周密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严峻后果。 全部半导体制程设备，都必需安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是干净室的来由。干净室的干净等级，有一公认的标准，以class10为例，意谓在单位立方英呎的干净室空间内，平均只有粒class后头数字越小，干净度越佳，固然其造价也越昂贵。 干净室的环境，有专业的建筑厂家，及其相关的技术与使用治理方法如下：型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入干净室中。中。换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。放调配，使粉尘在干净室内盘旋停滞的时机与时间减至最低程度。4、全部建材均以不易产生静电吸附的材质为主。(airshower)的程序，将外表粉尘先行去除。的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。)固然，扮装是在禁绝之内，铅笔等也制止使用。7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水(DIwater,de-如钾、钠离子污染金氧半(MOS)晶体管构造之带电载子信道(carrierchannel)，影响半导体组件的工作特性。去离子水以电阻率(resistivity17.5MΩ-cm需动用多重离子交换树脂、ROUV能放行使用。由于去离子水是最正确的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！(98%)，99.8%以上的高纯氮！以上八点说笔大笔的建筑与维护费用!二、晶圆制作硅晶圆(siliconwafer)是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，明显是经过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky)拉晶法(CZ(orientation)的晶种(seed)，浸入过饱和的纯硅熔汤(Melt)中，并同时旋转拉出，硅原子便(ingot)。晶棒的阻值假设太低，代表其中导电杂质(impuritydopant)太多，还需经过FZ(floating-zone)的再结晶(re-crystallization)，将杂质逐出，提高纯度与阻值。三、半导体制程设备(1)薄膜成长，(2)微影罩幕，(3)蚀刻成型。设备也跟着分为四类：高温炉管，(b)微影机台，(c)化学清洗蚀刻台，(d)电浆真空腔室。其中(a)~(c)机台依序对应(1)~(3)制程，而近进展的第(d)项机台，则分别应用于制程(1)与(3)。由于坊间不乏介绍半导体制程及设备的中文(一)氧化〔炉〔Oxidation〕对硅半导体而言，只要在高于或等于1050℃的炉管中，如图2-3所示，通入氧气或水汽，自然可以将硅晶的外表予以氧化，生长所谓干氧层(dryz/gateoxide)或湿氧层(wet/fieldoxide)，当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中，最干净、单纯的一种；这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一〔他种半导体，如砷化镓GaAs，便无法用此法成长绝缘层，由于在550℃左右，砷化镓已解离释放出砷〕硅氧化层耐得住850℃~1050℃的后续制程环境，系由于该氧化层是在前述更高的温度，硅晶外表也要消耗掉0.44微米的厚度。 以下是氧化制程的一些要点：重复性是较为重要之考量。之氧或水汽，势必也要穿透从前成长的氧化层到硅质层。故要生长更厚的氧化层，遇到的阻碍也越大。干氧层主要用于制作金氧半〔MOS〕晶体管的载子信道而湿氧层则用于其它较不严格讲究的电性阻绝或制程罩幕〔masking者厚度远小于后者，1000~1500条件、准时间下，{111}厚度≧{110}厚度＞{100}厚度。导电性佳的硅晶氧化速率较快。〔HCl〕氧化层质地较佳；但因简洁腐蚀管路，已渐少用。阻绝下，泡入缓冲过的氢氟酸〔BOE，BufferedOxideEtch，系HF与NH4F的硅晶外表，然后去掉光阻，利用外表深浅量测仪〔surfaceprofileroralphastep，得到有无氧化层之高度差，即其厚度。非破坏性的测厚法，以椭偏仪(ellipsometer)或是毫微仪〔nano-spec〕最为普普及准确，前者能同时输出折射率(refractiveindex；用以ba(t=ma+b)，实际厚m先知道折射率来反推厚度值。20231.5(二)集中(炉)(diffusion)1、集中搀杂 质来调变阻值，却不影响其机械物理性质的特点，是进一步制造出p-n接合面〔p-njunction、二极管〔diode、晶体管〔transisto集成电路〔IC〕世界之根底。而集中是达成导电杂质搀染的初期重要制程。众所周知，集中即大自然之输送现象(transportphenomena)；质量传输(masstransfer)、热传递(heattransfer)、与动量传输(momentumtransfer；即摩擦拖曳)皆是其实然的三种现象。本杂质集中即属于质量传输之一种，唯需要在850oC以上的高温环境下，效应才够明显。 每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子〕听从集中方程式如下：tx换言之，在某集中瞬间(tx坦全都的集中浓度分布前进！既然是集中微分方程式，不同的边界条件〔boundaryconditions〕施予，会产生不同之浓度分布外形。固定外表浓度(constantsurfaceconcentration)与固定外表搀杂量2-4)：2、前集中(pre-deposition) 第一种定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数(complementaryerrorfunction)，其对应之扩闲逛骤称把待集中晶圆推入炉中，然后开头释放集中源(p圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片，nPOCl3进展集中。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在外表，外表浓度最高，并随深度快速减低，或是说外表浓度梯度(gradient)值极高。3、后驱入(postdrive-in)其次种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布(Photo-Lithography)1、正负光阻1970制程之图形转写复制。原理即利用对紫外线敏感之聚合物，或所谓光阻之受曝照与否，来定义该光阻在显影液〔developer〕中是否被蚀除，而最终留下与遮掩罩幕，即光罩〔mask〕一样或明暗互补之图形；一样者称之「正光阻」(positiveresist)，明暗互补者称之「负光阻」(negativeresist2-6AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L之边缘垂直度较差，但可储存较久，常为半导体业界所使用。2、光罩 前段述及的光罩制作，是微影之关键技术。其制作方式经几十之演进，已由区分率差的缩影机(由数百倍大的红胶纸【rubby-lith】图样缩影)技术，改进为直接以计算机关心设计制造〔CAD/CAM〕软件把握的雷射束〔laser-beam〕或电子束〔E-beam〕书写机，在具光阻之石英玻璃板上进展书写(曝光)，区分率(最小线宽)也改进到微米的等级。由于激光打印机的区分率越来越好，将来某些线宽较粗的光罩可望直接以打印机出图。举例而言，3386dpi的出图机，最小线宽约为七微米。3、对准机/步进机在学术或研发单位中之电路布局较为简易，一套电路布局可全部写在一片光罩中，或甚至多重复制。加上使用之硅晶圆尺寸较小，协作使用之光罩原来就不大。所以搭配使用之硅晶圆曝光机台为一般的「光罩对准机」(maskaligner，如图2-7)。换言之，一片晶圆只需一次对准曝光，便可进展之后的显影及烤干程序。但在业界中，使用的晶圆大得多，我们不行能任意造出7吋或9吋大小的光罩来进展对准曝光：一来电子束书写机在制备这样大的光罩时，会耗损巨量的时间，极不划算；二来，大面积光罩进展光蚀刻曝光前与晶圆之对准，要因应大面积周密定位及防震等问题，极〔stepper〕进展对准曝光；也就是说，681~21(highthrough-put；即单位时间内完成制〕〔spin-coating〕的方式涂2-8150°C无氧化层，要另外先上助粘剂(primer)，HMDS，再降回室温。换言之，芯片外表在涂敷光阻前要确保是亲水性〔hydrophili。〔dispensing〕光阻，开头由低转速甩rpm，减薄光阻至所需厚度。将晶圆表层光阻稍事烤干定型，防止沾粘。但不行过干过硬，而阻碍后续的曝光显影。一般光阻涂布机的涂布结果是厚度不均。尤其在晶圆边缘部份，可能厚达其它较均匀部份的光阻3倍以上。另外，为了确保光阻全然涂布到整片晶圆，通常注入光阻的剂量，是真正涂布粘着在晶圆上之数十甚至数百倍，极其惋惜；由于甩到晶圆外的光阻中有机溶剂快速挥发逸散，成份大变，不能回收再使用。5、厚光阻Karl-SussGYRSET?，如图2-9向外涂布。依据实际使用显示，GYRSET?55%光阻用厚度不均的花花外貌。IBMSU-8列光阻，厚度由数微米至100微米不等，以GYRSET?涂布后，经过严格的烘干程序，再以紫外线或准分子雷射(excimerlaser)进展曝光显影后，所(electro-forming)的金属微LIGA」制程(poormansLIGA)，即(三)蚀刻(Etching)刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reactionlimited」与」两类蚀刻之分。1、湿蚀刻最普遍、也是设备本钱最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率(etchingrate)的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻(stirring)之有无。定性而言，增加蚀刻温度与参与搅BOE(Buffered-Oxide-Etch；HF：NH4F=1：6)40%KOHSi20%KOH学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进展蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材etchingmask，或承载被加工薄膜之基板；substrate)膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。等向性蚀刻(isotropicetching) 湿蚀刻液均是等向性，换言之，对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。非等向性蚀刻(anisotropicetching) 从前题到之湿蚀刻「选择性」观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年月起，在诸如JournalofElectro-ChemicalSociety等期刊中，发表了很多或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蚀两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。 这部份将在体型微细加工时再详述。2、干蚀刻来进展半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必需在真空度约10至0.001Torr的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻承受的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。干蚀刻根本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反响」(argon)，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反响」效应CF4)，经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片外表材质反响。干蚀刻法可直接利用之，本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactiveionetch；RIE)已足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。(四)离子植入(IonImplantation)在集中制程的末尾描述中，曾题及离子植入法，来进展图案更精细，浓度更为稀有精准的杂值搀入。离子植入法是将III族或IV族之杂质，以离子的型式，经加速后冲击0.1之深度(视加速能量而定)，故最高浓度的地方，不似热集中法在外表上。不过由于深度很浅，一般还是简洁认定大部份离子是搀杂在外表〔drive-in〕来调整浓度分布，并对离子撞击阻来定义植入的区域。(五)化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition；CVD)多晶硅(poly-silicon)、氮化硅(silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？于化学反响随温度呈指数函数之变化，故当高温时，快速完成化学反应。换言之，整体沉积速率卡在质量传输(diffusion-limited)；而此积来说，如图2-11所示，提高制程温度，简洁把握沉积的速率或制程之重复性。然而高制程温度有几项缺点：高温制程环境所需电力本钱较高。不同之残留应力(residualstress)。制程技术上面临之问题及难度也跟着提高。以下，按着化学气相沉1、常压化学气相沉积(AtmosphericPressureCVD；APCVD)一大气压环境下操作，设备外与氧化炉管相类似。欲成长之材料化学蒸气自炉管上游均匀流向硅晶，至于何以会沉积在硅晶外表，可简洁地以边界层(boundarylayer)理论作定性说明： 性之化学蒸气水平吹硅芯片时，硅芯片与炉管壁一样，都是固体边界，因着靠近芯减低到芯片外表之0速度)，会施予一拖曳外力，拖住化学蒸气分子；同时因硅芯片外表温度高于边界层外缘之蒸气温度，芯片将释出热量，来供给被拖住之化学蒸气分子在芯片外表完成薄膜材质解离析出之所需能量。所以根本上，化学气相沉积就是大自然「输送现象」(transportphenomena)的应用。晶圆不采水平摆放的方式(太费空间)，薄膜之厚度均匀性(thicknessuniformity)不佳。2、低压化学气相沉积(LowPressureCVD；LPCVD)地竖放于晶舟上，这明显衍生沉积薄膜之厚度均匀性问题；由于平板边界层问题的假设已不适宜，化学蒸气在经过第一片晶圆后，黏性流场马上进入分别(separation)的状态，逆压力梯度(reversedpressuregradient)会将下游的化学蒸气带回上游，而一团混乱。在晶圆竖放于晶舟已不行免之状况下，降低化学蒸气之环境压力，是一个解决厚度均匀性的可行之道。原来依定义黏性流特性之雷诺数观看，动力黏滞系数ν随降压而变小，如此一来雷诺数激增，而使化学蒸气流淌由层流(laminarflow)进入紊流序之流淌，故尽管化学蒸气变得淡薄，使沉积速度变慢，但其经过数十片重重的晶圆后，仍无分别逆流的现象，而保有厚度均匀，甚800oC、1TorrLPCVD200.13、电浆关心化学气相沉积(PlasmaEnhancedCVD；PECVD)尽管LPCVD已解决厚度均匀的问题，但温度仍太高，沉积速度也不够快。为了先降消沉积温度，必需查找另一能量来源，供化学沉积之用。由于低压对于厚度均匀性的必要性，开发低压环境之电浆能能缺乏的毛病，甚至于关心之电浆能量效应还高于温度之所施予，而使沉积速率高过LPCVD。以350oC、1Torr成长之PECVD氮化硅薄IC(packaging)前之保护层(passivationlayer50.1PECVDRIE作压力与温度也不一样。(六)金属镀膜(MetalDeposition) 又称物理镀膜依原理分为蒸镀(evaporation)与溅镀(sputtering)两种。PVD10-6~10-7Torr的环境中蒸着金属；后者则须在激发电浆前，将气室内10-6~10-7Torr接高真空帮浦(机械式帮浦当作接触大气的前级帮浦)，如：集中式帮浦(diffusionpump)、涡轮式帮浦(turbopump)、或致冷式帮浦(cryogenicpump10-6~10-7Torr1、蒸镀蒸镀就加热方式差异，分为电阻式(thermalcoater)与电子枪式(E-gunevaporator)两类机台。前者在原理上较简洁，就是直接有限，仅用于低熔点的金属镀着，如铝，且蒸着厚度有限。枪式蒸镀机则是利用电子束进展加热，熔融蒸发的金属颗粒在石墨或钨质坩埚(crucible)中。待金属蒸气压超过临界限也开头缓缓蒸着至四周(包含晶圆)。电子枪式蒸镀机可蒸着熔点较高的金属，厚度也比较不受限制。 蒸镀法根本上有所谓阶梯覆披(stepcoverage)不佳的缺点，如图2-12所示。也就在起伏较猛烈的外表，蒸着金属有断裂不连续之