半导体工艺流程 九Word格式文档下载.docx

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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（siliconwafer）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（impuritydopant）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（primaryflat）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（chemicaletching）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（latticeconstant；

即立方晶格边长）叠合而成。

我们依米勒指针法（Millerindex），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（secondaryflat）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（高阻值）

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/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，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，BufferedOxideEtch，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（surfaceprofileroralphastep），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（refractiveindex；

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-njunction）、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（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（boundaryconditions）施予，会产生不同之浓度分布外形。

固定表面浓度（constantsurfaceconcentration）与固定表面搀杂量（constantsurfacedosage），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（complementaryerrorfunction），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（postdrive-in）

第二种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布（Gaussiandistribution）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（resistivity）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-pointprobemethod）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。

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（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」（positiveresist），明暗互补者称之「负光阻」（negativeresist），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」（maskaligner，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（highthrough-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（excimerlaser）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（poormansLIGA），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「reactionlimited」与「diffusionlimited」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（etchingrate）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；

etchingmask，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（isotropicetching）

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（anisotropicetching）

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JournalofElectro-ChemicalSociety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&

lt;

111&

gt;

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0.001Torr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」（chemicalreaction）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」（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，进行结构之修补。

基本上，其为一低温制程，故可直接用光阻来定义植入的区域。

（五）化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition；

CVD）

到目前为止，只谈到以高温炉管来进行二氧化硅层之成长。

至于其它如多晶硅（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？

基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同之工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。

既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部份机制