半导体的生产工艺流程

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1、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基础的微细加工技术(silicon- based micromachining) ，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

2、室的来由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class 10为例，意谓在单位立方英呎的洁净室空间内，平均只有粒径0.5 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

3、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 (air shower) 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 (DI water, de-ionized water) 。一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如

4、钾、 钠离子污染金氧半 (MOS) 晶体管结构之带电载子信道 (carrier channel) ， 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17.5M-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

5、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-

6、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 (

7、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 flat) 来分辨。该次切面与主切面

8、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) 3 4 5 6 厚度(微米) 300450 450600 550650 600750( 25) 杂质 p 型、 n 型阻值( -cm) 0.01 (低阻值 ) 100

9、(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

10、 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

11、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

12、。（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-spe

13、c）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，

14、 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

15、；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 (constant surfa

16、ce 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