COB半导体制程技术.docx

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COB半导体制程技术

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COB半导体制程技术

cob半导体制程技术

微机电制作技术，尤其是最大宗以硅半导体为基础的微细加工技术（silicon-basedmicromachining），原本就肇源于半导体组件的制程技术，所以必须先介绍清楚这类制程，以免沦于夏虫语冰的窘态。

　一、洁净室

一般的机械加工是不需要洁净室（clean?

room）的，因为加工分辨率在数十微米以上，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精密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严重后果。

为此，所有半导体制程设备，都必须安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是洁净室的来由。

洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class?

10为例，意谓在单位立方英尺的洁净室空间内，平均只有粒径微米以上的粉尘10粒。

所以class后头数字越小，洁净度越佳，当然其造价也越昂贵（参见图2-1）。

　为营造洁净室的环境，有专业的建造厂家，及其相关的技术与使用管理办法如下：

1、内部要保持大于一大气压的环境，以确保粉尘只出不进。

所以需要大型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入洁净室中。

2、为保持温度与湿度的恒定，大型空调设备须搭配于前述之鼓风加压系统中。

换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。

3、所有气流方向均由上往下为主，尽量减少突兀之室内空间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。

4、所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。

5、所有人事物进出，都必须经过空气吹浴（airshower）的程序，将表面粉尘先行去除。

6、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源，为此务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣，除了眼睛部位外，均需与外界隔绝接触（在次微米制程技术的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。

）

当然，化妆是在禁绝之内，铅笔等也禁止使用。

7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水（DIwater,de-ionizedwater）。

一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如钾、钠离子污染金氧半（MOS）晶体管结构之带电载子信道（carrierchannel），影响半导体组件的工作特性。

去离子水以电阻率（resistivity）来定义好坏，一般要求至Ω-cm以上才算合格；为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、与UV紫外线杀菌等重重关卡，才能放行使用。

由于去离子水是最佳的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！

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%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（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）与抛光（polishing）等程序，得出具表面粗糙度在微米以下抛光面之晶圆。

（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（寸）3456

厚度（微米）300~450450~600550~650600~750（±25）

杂质p型、n型

阻值（Ω-cm）（低阻值）~100（高阻值）

制作方式CZ、FZ（

高阻值）

抛光面单面、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/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虑。

（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（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（transportphenomena）；质量传输（mass?

transfer）、热传递（heat?

transfer）、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：

这是一条抛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（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