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1、半導體原與晶圓製造 程一誠 ycchengcyu.edu.tw 10 教學目標 Objectives 熟悉半導體的基本知 解各種半導體材的同應用 製程的相關化學常 矽晶圓的製造程 11 12 Periodic Table of the Elements 半導體基板與其滲雜材 Substrate P-type Dopant N-type Dopants 13 原子軌域與期能帶結構 Valence shells Conducting band, Ec Nuclei Band gap, Eg Valence band, Ev 14 能帶與電阻係 15 Eg= 1.1 eVEg= 8 eV Silic
2、on dioxide 1020cm Aluminum 2.7 cm Sodium 4.7 cm Silicon 1010 cm ConductorsSemiconductorInsulator 矽單晶的晶體結構 - Si SiSi Si SiSi Si Si Si Shared electrons Si Si Si Si Si 16 矽的優點 Abundant, inexpensive Thermal stability Silicon dioxide is a strong dielectric and relatively easy to form Silicon dioxide can
3、be used as diffusion doping mask 17 N-type (Arsenic) Doped Silicon and Its Donor Energy Band Electron - Si SiSi Si SiSi Si Si As Extra Eg= 1.1 eV Conducting band, Ec Ed 0.05 eV Valence band, Ev 18 P-type (Boron) Doped Silicon and Its Donor Energy Band Valence band, Ev Eg= 1.1 eV Conducting band, Ec
4、Ea 0.05 eV Electron - Si SiSi Si SiSi Si Si B Hole 19 Illustration of Hole Movement Valence band, Ev Eg= 1.1 eV Conducting band, Ec Ea 0.05 eV Electron Hole Electron Hole Valence band, Ev Eg= 1.1 eV Conducting band, Ec Valence band, Ev Eg= 1.1 eV Conducting band, Ec Electron Hole 20 Dopant Concentra
5、tion and Resistivity Resistivity P-type, Boron N-type, Phosphorus Dopant concentration 21 Dopant Concentration and Resistivity Higher dopant concentration, more carriers (electrons or holes) Higher conductivity, lower resistivity Electrons move faster than holes N-type silicon has lower resistivity
6、than p- type silicon at the same dopant concentration 22 半導體的生產原 鍺和矽 鍺缺點： （1）熔點僅為937oC，無法進高溫製程 （2）無法自然生成氧化物，表面出現電現象 矽優點： （1）二氧化矽，電問題解決 （2）高熔點(1415oC) ，允許高溫製程 化合物半導體 III、V，II、VI族合成 砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(InP)、 磷銦化鎵 (InGaP) 23 III、V族特殊性質 （1）LED發光二極體(LED)砷化鎵 （2）高(電)載子移動 高頻微波轉成電，速較矽快二至三倍 （3）受射硬化(radi
7、ation hardened) 會因受射線而電 （4）半絕緣體 鄰近元件間電少，容許高元件密，晶片高速運作 III、V族能取代矽的地位 （1）製程困難 （i）無法自然生成氧化物，須藉積法生成介電體於其表面 （ii）砷危害人體，蒸發，晶圓碎，需抑制層，或腔室加壓 （iii）製程時間長，(yield)低，成本高 （2）需要這樣快速的性能 24 鍺化矽(SiGe)：砷化鎵的競爭者 鍺化矽電晶體 提供高頻功能，超高快速無線電波、個人通訊裝置 質結構(hetrostructure)，或質接合介面(heterojunction) 鐵電體(ferroelectric) 極具潛的高速、穩定的記憶體結構 鐵電體
8、電容 PZT及SBT，併入SiCMOS記憶電，稱為鐵電隨機存取記憶 體(FeRAM) 25 26 GeSiGaAsSiO2 原子重72.628.09144.6360.08 每方公分原子4.42e225e222.2e222.3e22 結晶結構鑽石鑽石閃鋅礦非晶 單位晶格原子888 密5.322.335.652.27 能階差0.671.111.408 介電常16.311.712.03.9 熔點(C)937141512381700 (估計) 崩潰電壓83035600 線熱膨脹係5.8e-62.5e-65.9e-69.5e-6 圖2.14半導體材的物性質 製程化學 晶片製造費用40% ：製程用化學品
9、半導體廠：消耗大酸、鹼、溶劑、水 化學品：高純或特殊配方 大尺寸晶圓/較高清潔要求：自動化清洗設備 使用過的化學物質：清除費用 分子、化合物、混合物 基本元素：103種。 分子 構成非基本元素物質的基本單位，水、氯化鈉 混和物 由種或種以上的物質組成，但仍擁有各物質的 個別性質 溶液 固體溶解於液體後的混和物 子 物質中的原子或分子上有未能平衡的電荷，Na+ 27 物質存在的態 固體、液體、氣體 ?固體：特定形及體積 ?液體：特定體積，形會改變 ?氣體：無特定形、體積，能夠（膨脹或壓縮）佔滿容器 電漿(plasma) 電漿：高能的子(由原子和分子所形成)群 電漿產生：高能射頻場 (RF) 感應
10、氣體 優點：比對系統(如高溫對加熱)低的溫傳送能 28 29 物質的性質 溫 華氏(Fahrenheit) 攝氏(Centigrade或Celsius) 卡氏(Kelvin) 密、比重、蒸氣密 壓及真空 壓單位英吋平方面積上的磅(psia) 真空(vacuum)低於大氣壓下的壓 托耳(torr)1mm水銀柱的壓 蒸鍍,濺鍍,子植入真空：10-610-9托耳 水沸騰 F 水結凍 絕對零度 CK 212 32 -491.4 100 0 -273 373 273 -0 (a) 空氣空氣 (b) 抽至真空幫浦 低壓 圖2.17 溫標系統 圖2.18 壓真空的測 30 酸、鹼、及溶劑 液體化學品供晶圓蝕
11、刻 (etch)、清洗 (clean) 及沖淨 (rinse) 酸(acids)液體中含有氫子 分為：有機(organic含有碳氫物)酸和無機(inorganic)酸 ?鹼(alkalis也稱為base)液體中含有氫氧子(hydroxide ion) -酸和鹼的強:pH值，7代表中性 -強酸pH值較低，介於0到3之間 -強鹼pH值高於7 ?溶劑(solvents)會子化的液體，pH=7 酒精(醇)和丙酮(acetone)是半導體製程中常用的溶劑 溶劑有揮發性、燃性(爆炸性) 31 + +=OHHHOHOH2 酸鹼 HF HNO HCl 3 OHNH KOH NaOH 4 圖2.19 酸性和鹼性
12、溶液 鹼性增加酸性增加 (5%) 檸檬 汁 柳丁 汁 乳酪 牛奶 純水 蛋白 硼砂 胃乳 液 顯影 劑 石灰 氫氧 化鈉 硫酸 4% 01234567 891011121314 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 10,000,000 pH值標 材安全據表(Material Safety Data Sheet, MSDS) 美國邦職業安全及健康法規定 (federal Occupational, Safety, and Health Act, OSHA) 又稱為OSHA20號表格 -化學品名稱、貯存方法、對人體健康的影響、緊急救治、 使用方法 32 Am
13、orphous Structure 33 Polycrystalline Structure Grain Grain Boundary 34 Single Crystal Structure 35 矽晶圓生成 Heat (2000 C) SiO2+C Si + CO2 Sand Carbon MGS Carbon Dioxide 36 矽的純化 37 Si + HCl TCS Silicon Powder HydrochlorideReactor, 300 C Condenser Filters Purifier Pure TCS with 99.9999999% Heat (1100 C)
14、SiHCl3+ H2Si + 3HCl TCS Hydrogen EGS Hydrochloride Liquid TCS H2 Carrier gas bubbles H2and TCS Process Chamber TCS+H2EGS+HCl EGS 38 晶：柴氏法 (CZ method) Single Crystal Silicon Seed Quartz Crucible Single Crystal silicon Ingot Graphite Crucible 1415 C Molten Silicon Heating Coils 39 柴氏法 (CZ method) 40 柴
15、氏法 (CZ method) Mitsubishi Materials Silicon 41 區域熔融法 (Floating Zone method) Heating Coils Poly Si Rod 42 Single Crystal Silicon Molten Silicon Heating Coils Movement Seed Crystal 單晶生長的比較 柴氏法 較普遍與宜 可用在大面積單晶生長(12吋) 材可多次用 區域熔融法 可生長極高純的矽單晶 (無矸堝) 較貴，適用於小尺寸晶片 主要用在功元件 43 晶片製作 矽碇 (Ingot) 拋光(polish)、面(flat)、挖槽定位(notch) Flat, 150 mm and smallerNotch, 200 mm and larger 線鋸割(Wire Saw) 44 邊緣研磨 (edge rounding) Wafer movement Wafer Wafer Before Edge Rounding Wafer After Edge Rounding 45 晶片研磨 (wafer lapping) 傳統粗級拋光 移除表面的缺陷與損傷 濕蝕刻 (wet etch) 4:1:3 mixture of HNO3(79 wt% in H
