半导体的生产工艺流程Word格式.docx
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8、洁净室所有用得到的气源,包括吹干晶圆及机台空压所需要的,都得使用氮气
(98%),吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮!
以上八点说明是最基本的要求,另还有污水处理、废气排放的环保问题,再再需要大笔大笔的建造与维护费用!
二、晶圆制作
硅晶圆
(silicon
wafer)
是一切集成电路芯片的制作母材。
既然说到晶体,显然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法)。
拉晶时,将特定晶向
(orientation)
的晶种
(seed),浸入过饱和的纯硅熔汤
(Melt)
中,并同时旋转拉出,硅原子便依照晶种晶向,乖乖地一层层成长上去,而得出所谓的晶棒
(ingot)。
晶棒的阻值如果太低,代表其中导电杂质
(impurity
dopant)
太多,还需经过FZ法
(floating-zone)
的再结晶
(re-crystallization),将杂质逐出,提高纯度与阻值。
辅拉出的晶棒,外缘像椰子树干般,外径不甚一致,需予以机械加工修边,然后以X光绕射法,定出主切面
(primary
flat)
的所在,磨出该平面;
再以内刃环锯,削下一片片的硅晶圆。
最后经过粗磨
(lapping)、化学蚀平
(chemical
etching)
与拋光
(polishing)
等程序,得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圆。
(至于晶圆厚度,与其外径有关。
刚才题及的晶向,与硅晶体的原子结构有关。
硅晶体结构是所谓「钻石结构」(diamond-structure),系由两组面心结构
(FCC),相距
(1/4,1/4,1/4)
晶格常数
(lattice
constant;
即立方晶格边长)
叠合而成。
我们依米勒指针法
(Miller
index),可定义出诸如
:
{100}、{111}、{110}
等晶面。
所以晶圆也因之有
{100}、{111}、{110}等之分野。
有关常用硅晶圆之切边方向等信息,请参考图2-2。
现今半导体业所使用之硅晶圆,大多以
{100}
硅晶圆为主。
其可依导电杂质之种类,再分为p型
(周期表III族)
与n型
(周期表V族)。
由于硅晶外貌完全相同,晶圆制造厂因此在制作过程中,加工了供辨识的记号:
亦即以是否有次要切面
(secondary
来分辨。
该次切面与主切面垂直,p型晶圆有之,而n型则阙如。
{100}硅晶圆循平行或垂直主切面方向而断裂整齐的特性,所以很容易切成矩形碎块,这是早期晶圆切割时,可用刮晶机
(scriber)
的原因
(它并无真正切断芯片,而只在表面刮出裂痕,再加以外力而整齐断开之。
)事实上,硅晶的自然断裂面是{111},所以虽然得到矩形的碎芯片,但断裂面却不与{100}晶面垂直!
以下是订购硅晶圆时,所需说明的规格:
项目说明
晶面{100}、{111}、{110}
±
1o
外径(吋)3456
厚度(微米)300~450450~600550~650600~750(±
25)
杂质p型、n型
阻值(Ω-cm)0.01
(低阻值)
~
100
(高阻值)
制作方式CZ、FZ
拋光面单面、双面
平坦度(埃)300
3,000
三、半导体制程设备
半导体制程概分为三类:
(1)薄膜成长,
(2)微影罩幕,(3)蚀刻成型。
设备也跟着分为四类:
(a)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,而新近发展的第(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书籍,故本文不刻意锦上添花,谨就笔者认为较有趣的观点,描绘一二!
(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,自然可以将硅晶的表面予以氧化,生长所谓干氧层(dryz/gate
oxide)或湿氧层(wet
/field
oxide),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,因为在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,系因为该氧化层是在前述更高的温度成长;
不过每生长出1
微米厚的氧化层,硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。
以下是氧化制程的一些要点:
(1)氧化层的成长速率不是一直维持恒定的趋势,制程时间与成长厚度之重复性是较为重要之考量。
(2)后长的氧化层会穿透先前长的氧化层而堆积于上;
换言之,氧化所需之氧或水汽,势必也要穿透先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。
一般而言,很少成长2微米厚以上之氧化层。
(3)干氧层主要用于制作金氧半(MOS)晶体管的载子信道(channel);
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)。
前者厚度远小于后者,1000~
1500埃已然足够。
(4)对不同晶面走向的晶圆而言,氧化速率有异:
通常在相同成长温度、条件、及时间下,{111}厚度≧{110}厚度>{100}厚度。
(5)导电性佳的硅晶氧化速率较快。
(6)适度加入氯化氢(HCl)氧化层质地较佳;
但因容易腐蚀管路,已渐少用。
(7)氧化层厚度的量测,可分破坏性与非破坏性两类。
前者是在光阻定义阻绝下,泡入缓冲过的氢氟酸(BOE,Buffered
Oxide
Etch,系
HF与NH4F以1:
6的比例混合而成的腐蚀剂)将显露出来的氧化层去除,露出不沾水的硅晶表面,然后去掉光阻,利用表面深浅量测仪(surface
profiler
or
alpha
step),得到有无氧化层之高度差,即其厚度。
(8)非破坏性的测厚法,以椭偏仪
(ellipsometer)
或是毫微仪(nano-spec)最为普遍及准确,前者能同时输出折射率(refractive
index;
用以评估薄膜品质之好坏)及起始厚度b与跳阶厚度a
(总厚度
t
=
ma
+
b),实际厚度
(需确定m之整数值),仍需与制程经验配合以判读之。
后者则还必须事先知道折射率来反推厚度值。
(9)不同厚度的氧化层会显现不同的颜色,且有2000埃左右厚度即循环一次的特性。
有经验者也可单凭颜色而判断出大约的氧化层厚度。
不过若超过1.5微米以上的厚度时,氧化层颜色便渐不明显。
(二)扩散(炉)
(diffusion)
1、扩散搀杂
半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值,却不影响其机械物理性质的特点,是进一步创造出p-n接合面(p-n
junction)、二极管(diode)、晶体管(transistor)、以至于大千婆娑之集成电路(IC)世界之基础。
而扩散是达成导电杂质搀染的初期重要制程。
众所周知,扩散即大自然之输送现象
(transport
phenomena);
质量传输(mass
transfer)、热传递(heat
transfer)、与动量传输
(momentum
transfer;
即摩擦拖曳)
皆是其实然的三种已知现象。
本杂质扩散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。
由于是扩散现象,杂质浓度C
(concentration;
每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子)服从扩散方程式如下:
这是一条拋物线型偏微分方程式,同时与扩散时间t及扩散深度x有关。
换言之,在某扩散瞬间
(t固定),杂质浓度会由最高浓度的表面位置,往深度方向作递减变化,而形成一随深度x变化的浓度曲线;
另一方面,这条浓度曲线,却又随着扩散时间之增加而改变样式,往时间无穷大时,平坦一致的扩散浓度分布前进!
既然是扩散微分方程式,不同的边界条件(boundary
conditions)施予,会产生不同之浓度分布外形。
固定表面浓度
(constant
surface
concentration)
与固定表面搀杂量
dosage),是两种常被讨论的具有解析精确解的扩散边界条件(参见图2-4):
2、前扩散
(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(complementary
error
function),其对应之扩散步骤称为「前扩散」,即我们一般了解之扩散制程;
当高温炉管升至工作温度后,把待扩散晶圆推入炉中,然后开始释放扩散源
(p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片,n型则为液态POCl3之加热蒸气)
进行扩散。
其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面,表面浓度最高,并随深度迅速减低,或是说表面浓度梯度
(gradient)
值极高。
3、后驱入
(post
drive-in)
第二种定搀杂量的边界条件,具有高斯分布
(Gaussian
distribution)
的浓度解析解。
对应之扩散处理程序叫做「后驱入」,即一般之高温退火程序;
基本上只维持炉管的驱入工作温度,扩散源却不再释放。
或问曰:
定搀杂量的起始边界条件自何而来?
答案是「前扩散」制程之结果;
盖先前「前扩散」制作出之杂质浓度集中于表面,可近似一定搀杂量的边界条件也!
至于为什么扩散要分成此二类步骤,当然不是为了投数学解析之所好,而是因应阻值调变之需求。
原来「前扩散」的杂质植入剂量很快达到饱和,即使拉长「前扩散」的时间,也无法大幅增加杂质植入剂量,换言之,电性上之电阻率
特性很快趋稳定;
但「后驱入」使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散),却又营造出再一次「前扩散」来增加杂质植入剂量的机会。
所以,借着多次反复的「前扩散」与「后驱入」,既能调变电性上之电阻率特性,又可改变杂质电阻之有效截面积,故依大家熟知之电阻公式
;
其中
是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。
4、扩散之其它要点,简述如下:
(1)扩散制程有批次制作、成本低廉的好处,但在扩散区域之边缘所在,有侧向扩散的误差,故限制其在次微米
(sub-micron)
制程上之应用。
(2)扩散之后的阻值量测,通常以四探针法(four-point
probe
method)行之,示意参见图2-5。
目前市面已有多种商用机台可供选购。
(3)扩散所需之图形定义(pattern)及遮掩(masking),通常以氧化层(oxide)充之,以抵挡高温之环境。
一微米厚之氧化层,已足敷一般扩散制程之所需。
(二)微影(Photo-Lithography)
1、正负光阻
微影光蚀刻术起源于照相制版的技术。
自1970年起,才大量使用于半导体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(photo-resist)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)相同或明暗互补之图形;
相同者称之「正光阻」(positive
resist),明暗互补者称之「负光阻」(negative
resist),如图2-6所示。
一般而言,正光阻,如AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L等,其分辨率及边缘垂直度均佳,但易变质,储存期限也较短
(约半年到一年之间),常用于学术或研发单位;
而负光阻之边缘垂直度较差,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。
其制作方式经几十年之演进,已由分辨率差的缩影机
(由数百倍大的红胶纸【rubby-lith】图样缩影)
技术,改良为直接以计算机辅助设计制造(CAD/CAM)软件控制的雷射束(laser-beam)或电子束(E-beam)书写机,在具光阻之石英玻璃板上进行书写
(曝光),分辨率
(最小线宽)
也改进到微米的等级。
由于激光打印机的分辨率越来越好,未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,配合使用之光罩本来就不大。
所以搭配使用之硅晶圆曝光机台为一般的「光罩对准机」(mask
aligner,如图2-7)。
换言之,一片晶圆只需一次对准曝光,便可进行之后的显影及烤干程序。
但在业界中,使用的晶圆大得多,我们不可能任意造出7吋或9吋大小的光罩来进行对准曝光:
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,大面积光罩进行光蚀刻曝光前与晶圆之对准,要因应大面积精密定位及防震等问题,极为棘手!
所以工业界多采用步进机(stepper)进行对准曝光;
也就是说,即使晶圆大到6或8吋,但光罩大小还是小小的1~2吋见方,一则光罩制备快速,二则小面积对准的问题也比较少;
只是要曝满整片晶圆,要花上数十次「对准→曝光→移位」的重复动作。
但即便如此,因每次「对准→曝光→移位」仅费时1秒左右,故一片晶圆的总曝光时间仍控制在1分钟以内,而保持了工厂的高投片率
(high
through-put;
即单位时间内完成制作之硅芯片数。
图2-7
双面对准曝光对准系统(国科会北区微机电系统研究中心)。
4、光阻涂布
晶圆上微米厚度等级的光阻,是采用旋转离心(spin-coating)的方式涂布上去。
光阻涂布机如图2-8所示。
其典型程序包括:
(1)晶圆表面前处理
(pre-baking):
即在150°
C下烘烤一段时间。
若表面无氧化层,要另外先上助粘剂
(primer),如HMDS,再降回室温。
换言之,芯片表面在涂敷光阻前要确保是亲水性(hydrophilic)。
(2)送晶圆上真空吸附的转台,注入(dispensing)光阻,开始由低转速甩出多余的光阻并均布之,接着以转速数千rpm,减薄光阻至所需厚度。
(3)将晶圆表层光阻稍事烤干定型,防止沾粘。
但不可过干过硬,而妨碍后续的曝光显影。
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,极其可惜;
因为甩到晶圆外的光阻中有机溶剂迅速挥发逸散,成份大变,不能回收再使用。
5、厚光阻
德国Karl-Suss公司开发了一种新型的光阻涂布机,称为GYRSET?
,如图2-9所示,其卖点在于强调可减少一半的光阻用量,且得出更均厚的光阻分布。
其原理极为单纯:
只是在真空转台上加装了跟着同步旋转的盖子。
如此一来,等于强迫晶圆与盖子之间的空气跟着旋转,那么光阻上便无高转速差的粘性旋转拖曳作用。
故光阻在被涂布时,其与周遭流体之相对运动并不明显,只是离心的彻体力效果,使光阻稳定地、且是呈同心圆状地向外涂布。
根据实际使用显示,GYRSET?
只需一般涂布机的55%光阻用量。
另外,其也可应用于厚光阻之涂布
(厚度自数微米至数百微米不等)。
受涂基板也可由晶圆改为任意的工作外型,而不会造成边缘一大部份面积厚度不均的花花外貌。
[注]
厚光阻是新近发展出来,供微机电研究使用的材料,如IBM的SU-8系列光阻,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
(excimer
laser)
进行曝光显影后,所得到较深遂的凹状图案,可供进一步精密电铸
(electro-forming)
的金属微结构成长填塞。
这种加工程序又称为「仿LIGA」制程
(poor
mans
LIGA),即「异步X光之深刻模造术」。
(三)蚀刻(Etching)
蚀刻的机制,按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。
所以整个蚀刻,包含反应物接近、生成物离开的扩散效应,以及化学反应两部份。
整个蚀刻的时间,等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。
二者之中孰者费时较长,整个蚀刻之快慢也卡在该者,故有所谓「reaction
limited」与「diffusion
limited」两类蚀刻之分。
1、湿蚀刻
最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法,其设备如图2-10所示。
其影响被蚀刻物之蚀刻速率
(etching
rate)
的因素有三:
蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌
(stirring)
之有无。
定性而言,增加蚀刻温度与加入搅拌,均能有效提高蚀刻速率;
但浓度之影响则较不明确。
举例来说,以49%的HF蚀刻SiO2,当然比BOE
(Buffered-Oxide-
Etch;
HF:
NH4F
=1:
6)
快的多;
但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢!
湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业,对于一般不是这方面的研究人员,必须向该化学专业的同侪请教。
一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity),意指进行蚀刻时,对被蚀物去除速度与连带对其他材质
(如蚀刻掩膜;
etching
mask,
或承载被加工薄膜之基板;
substrate
的腐蚀速度之比值。
一个具有高选择性的蚀刻系统,应该只对被加工薄膜有腐蚀作用,而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。
(1)等向性蚀刻
(isotropic
etching)
大部份的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。
故一旦定义好蚀刻掩膜的图案,暴露出来的区域,便是往下腐蚀的所在;
只要蚀刻配方具高选择性,便应当止于所该止之深度。
然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度,当其被蚀出某深度时,蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触,故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部,进行蚀掏,这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象
(undercut)。
该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级,换言之,湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术!
(2)非等向性蚀刻
(anisotropic
先前题到之湿蚀刻「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年代起,在诸如Journal
of
Electro-Chemical
Society等期刊中,发表了许多有关碱性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>
方向的腐蚀速率小一到两个数量级!
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
干蚀刻是一类较新型,但迅速为半导体工业所采用的技术。
其利用电浆
(plasma)
来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。
其中电浆必须在真空度约10至0.001
Torr
的环境下,才有可能被激发出来;
而干蚀刻采用的气体,或轰击质量颇巨,或化学活性极高,均能达成蚀刻的目的。
干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical
reaction)
两部份蚀刻机制。
偏「离子轰击」效应者使用氩气(argon),加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。
而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯系气体(如四氟化碳CF4),经激发出来的电浆,即带有氟或氯之离子团,可快速与芯片表面材质反应。
干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕,不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。
而其最重要的优点,能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点,换言之,本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive
ion
etch;
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
(Ion
Implantation)
在扩散制程的末尾描述中,曾题及扩散区域之边缘所在,有侧向扩散的误差,故限制其在次微米制程上之应用。
但诚如干蚀法补足湿蚀法在次微米制程能力不足一样,此地另有离子植入法,来进行图案更精细,浓度更为稀少精准的杂值搀入。
离子植入法是将III族或IV族之杂质,以离子的型式,经加速后冲击进入晶圆表面,经过一段距离后,大部份停于离晶圆表面0.1微米左右之深度
(视加速能量而定),故最高浓度的地方,不似热扩散法在表面上。
不过因为深度很浅,一般还是简单认定大部份离子是搀杂在表面上,然后进一步利用驱入(drive-in)来调整浓度分布,并对离子撞击过的区域