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1、nn半导体的生产工艺流程,做工艺 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
2、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 (air shower) 的程序,将表面粉尘先行去除。 6、人
3、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
4、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
5、 (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 (lapp
6、ing)、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
7、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,
8、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 (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,化学清洗蚀刻台,(d)电浆真空腔室。其中(a)机台依序对应(1)(3)制
9、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
10、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
11、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(
12、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
13、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
14、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
15、浓度分布外形。固定表面浓度 (constant surface concentration) 与固定表面搀杂量 (constant surface 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