半导体的生产工艺流程(精)
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
micromachining,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(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。
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」(diam ond-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 (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} ± 1o
外径(吋 3 4 5 6
厚度(微米 300~450 450~600 550~650 600~750(±25
杂质p型、n型
阻值(Ω-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,(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(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
