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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-basedmicromachining),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(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
2、室的来 由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以 class10 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。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
3、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(airshower)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(Dlwater,deionizedwater)。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
4、(carrierchannel),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，再再需要大笔大笔的建造与维护费用!二、晶圆制作硅晶圆(siliconwafer)是一切集
5、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(impuritydopant)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。三、半导体制程设备半导体制程概分为三类：(1)薄膜成长， (2)
6、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(i) (3)制程，而新近发展的第(d)项机台，贝y分别应用于制程与。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/gateoxide)或湿氧层(wet/fieldoxide), 当作电子组件电性绝缘或制程掩膜
7、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，砷化镓已解离释放出砷!)硅氧化层耐得住850C1050C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
8、的氧化层，遇到的阻碍也越大。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，10001500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。前者是在光阻定义阻绝下，泡入缓 冲过的氢氟酸(BOE, BufferedOxideEtch,
9、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(surfaceprofileroralphastep)，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(refractiveindex；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
10、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，是进 一步创造出p-n接合面(p-njunction)、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(transportphenomena)；质量传输(masstransfer)、热传 递(h
11、eattransfer)、与动量传输(momentumtransfer；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；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
12、布前进！既然是扩散微分方程式，不同的边界条件(boundaryconditions)施予，会产生不同之浓度 分 布 外 形 。 固 定 表 面 浓 度 (constantsurfaceconcentration) 与 固 定 表 面 搀 杂 量 (constantsurfacedosage),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(complementaryerrorfunction), 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
13、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(postdrive-in)第二种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布(Gaussiandistribution)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.(二)微影(Photo-Lithography)1、正负光阻 微影光蚀刻术起源于照相制版的技术。自1
14、970 年起，才大量使用于半导体制程之图形转写 复制。原理即利用对紫外线敏感之聚合物，或所谓光阻(photo-resist)之受曝照与否，来定 义该光阻在显影液(developer)中是否被蚀除，而最终留下与遮掩罩幕，即光罩(mask) 相同或明暗互补之图形；相同者称之正光阻(positiveresist)，明暗互补者称之负光阻 (negativeresist)，如图 2-6 所示。一般而言，正光阻，如 AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L 等， 其分辨率及边缘垂直度均佳，但易变质，储存期限也较短(约半年到一年之间)，常用于学术 或研发单位；而负光阻之边缘垂直度较差，但可储存较久，
15、常为半导体业界所使用。2、光罩 前段述及的光罩制作，是微影之关键技术。其制作方式经几十年之演进，已由分辨率差的缩 影机(由数百倍大的红胶纸【rubby-lith】图样缩影)技术，改良为直接以计算机辅助设计制造(CAD/CAM)软件控制的雷射束(laser-beam)或电子束(E-beam)书写机，在具光阻之石 英玻璃板上进行书写(曝光)，分辨率(最小线宽)也改进到微米的等级。由于激光打印机的分辨率越来越好，未来某些线宽较粗的光罩可望直接以打印机出图。举例 而言，3386dpi的出图机，最小线宽约为七微米。3、对准机/步进机 在学术或研发单位中之电路布局较为简易，一套电路布局可全部写在一片光罩中
16、，或甚至多 重复制。加上使用之硅晶圆尺寸较小，配合使用之光罩本来就不大。所以搭配使用之硅晶圆 曝光机台为一般的光罩对准机(maskaligner,如图2-7)。换言之，一片晶圆只需一次对 准曝光，便可进行之后的显影及烤干程序。但在业界中，使用的晶圆大得多，我们不可能任 意造出 7 吋或 9 吋大小的光罩来进行对准曝光：一来电子束书写机在制备这样大的光罩时， 会耗损巨量的时间，极不划算；二来，大面积光罩进行光蚀刻曝光前与晶圆之对准，要因应 大面积精密定位及防震等问题，极为棘手！所以工业界多采用步进机(stepper)进行对准 曝光；也就是说，即使晶圆大到6或8 吋，但光罩大小还是小小的12吋见方，一则光罩制 备快速，二则小面积对准的问题也比较少；只是要曝满整片晶圆，要花上数十次对准一曝 光一移位的重复动作。但即便如此，因每
