COB半导体制程技术.docx

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1、cob半导体制程技术微机电制作技术，尤其是最大宗以硅半导体为基础的微细加工技术(SiIiCOn-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(CIeanroom)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

2、净室的洁净等级，有一公认的标准，以C1aSS10为例，意谓在单位立方英IR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CIaSS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间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞

3、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(D1water,de-ionizedwater)o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(carrierchan

4、ne1),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(si1iconwafer)是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，显

5、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(Me1t)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)o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(f1oating-zone)的再结晶(re-crysta11ization),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(PrinIar

6、yf1at)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(IaPPing)、化学蚀平(Chei1IiCa1etching)与抛光(PoIiShing)等程序，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(1atticeconstant；即立方晶格边长)叠合而成。我们依米勒指针法(MiI1erindex),可定义出诸如：100、in、110等晶面。所以晶圆也因之有100、i

7、n、110等之分野。有关常用硅晶圆之切边方向等信息，请参考图2-2o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I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(secondaryf1at)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1,所以虽

8、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100111、110Io外径（口寸）3456厚度（微米）300450450600550650600750（25）杂质P型、n型阻值（Q-cm）0.01（低阻值）IoO（高阻值）制作方式CZ、FZ（高阻值）抛光面单面、双面平坦度（埃）3003,000三、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，(c)化学清洗蚀刻台，(d)电浆真空腔室。其中(a)(c)机台依序对应制程，而新近发展的第(d)项机台，则分别应用

9、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105OC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/fie1doxide),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，如神化钱GaAs,便无法用此法成长绝缘层，因为在550C左右，神化钱已解离释放出神！)硅氧化层耐得住850C1

10、050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(channe1)；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)o前者厚度远小于

11、后者，IOO(T1500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，1厚度叁0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(HCI)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,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（surfaceprofi1erora1phastep）,得至（j有无氧化层之高度差

12、，即其厚度。（8）非破坏性的测厚法，以椭偏仪（e11ipsometer）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15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

13、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PF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(heattransfer)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

14、；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(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

15、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(COnIPIenIentaryerrorfunction),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(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，扩散源却不再释放。或问日：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