半导体的生产工艺流程精

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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 micromachi ning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(clea n 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

2、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

3、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

4、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 cha nnel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17.5MQ-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、废气排放的环保问题 ,再再需

5、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（in got。晶棒的阻值如果太低,代表其中导电杂质（impurity dopa nt太多, 还需经过FZ法（floating-zone的再结晶（re-crystallization,将杂

6、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（1/4,1/4,1/4 晶格常数（latticec

7、onstant;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

8、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（Qcm 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

9、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1050E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

10、,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550C左右，砷化傢已解离释放出砷!硅氧化 层耐得住850C 1050C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

11、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厚度三110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

12、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-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

13、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 （diffusion1 、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

14、送现象（transport phenomena质量传输（mass transfer、热传递（heat transfe、与动量传输 （momentum transfer即卩摩擦拖曳 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

15、 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 (con sta nt surface concen tration与固定表面搀杂量 (con sta nt surface dosage!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POCI3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