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1、净室一般的机械加工是不需要洁净室(cleanroom)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,意谓在单位立方英叭的洁净室空间内,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
2、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、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源,为此务必严格要求
3、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 17.5MQ-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
4、, 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(orientation) 的晶种(seed),浸入过饱和的纯硅熔
5、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(lapping)、 化学蚀平(chemical etching)与抛光(polishing)等程
6、序,得出具表面粗糙度在0.3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(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
7、(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,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 1
8、0外径(口寸)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)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,化学清洗蚀刻台,(d)电浆真空腔室。其中0)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
9、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,如神化镓GaAs,便无法用此法成长绝缘层,因为在550r左右,神化镓已解离释放出神!) 硅氧化层耐得住850r 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
10、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
11、化速率有异:通常在相同成长温度、条件、及时间下,(111厚度M (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(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
12、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
13、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(concentrat
14、ion;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(constant surface concentration)与固定表面搀杂量(constant surface
15、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。
16、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,而是因应阻值调变之需求。原来前 扩散的杂质植入剂量很快达到饱和,即使拉长前扩散的时间,也无法大幅增加杂质植入剂量,换言 之,电性上之电阻率(resistivity)特性很快趋稳定;但后驱入使表面浓