半导体生产工艺流程

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(DIwater,de-ionizedwater)。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(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17.5MΩ-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)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/gateoxide)或湿氧层(wet/fieldoxide)，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。 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，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（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(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；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1970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，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，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1~2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→曝光→移位」的重复动作。但即便如此，因每次「对准→曝光→移位」仅费时1秒左右，故一

片晶圆的总曝光时间仍控制在1分钟以内，而保持了工厂的高投片率(highthrough-put；即单位时间内完成制作之硅芯片数。）

晶圆上微米厚度等级的光阻，是采用旋转离心（spin-coating）的方式涂布上去。光阻涂布机如图2-8所示。其典型程序包括：

(1)晶圆表面前处理(pre-baking)：即在150°C下烘烤一段时间。若表面无氧化层，要另外先上助粘剂(primer)，如HMDS，再降回室温。换言之，芯片表面在涂敷光阻前要确保是亲水性（hydrophilic）。

(2)送晶圆上真空吸附的转台，注入（dispensing）光阻，开始由低转速甩出多余的光阻并均布之，接着以转速数千rpm，减薄光阻至所需厚度。

(3)将晶圆表层光阻稍事烤干定型，防止沾粘。但不可过干过硬，而妨碍后续的曝光显影。一般光阻涂布机的涂布结果是厚度不均。尤其在晶圆边缘部份，可能厚达其它较均匀部份的光阻3倍以上。另外，为了确保光阻全然涂布到整片晶圆，通常注入光阻的剂量，是真正涂布粘着在晶圆上之数十甚至数百倍，极其可惜；因为甩到晶圆外的光阻中有机溶剂迅速挥发逸散，成份大变，不能回收再使用。 5、厚光阻

德国Karl-Suss公司开发了一种新型的光阻涂布机，称为GYRSET?，如图2-9所示，其卖点在于强调可减少一半的光阻用量，且得出更均厚的光阻分布。其原理极为单纯：只是在真空转台上加装了跟着同步旋转的盖子。如此一来，等于强迫晶圆与盖子之间的空气跟着旋转，那么光阻上便无高转速差的粘性旋转拖曳作用。故光阻在被涂布时，其与周遭流体之相对运动并不明显，只是离心的彻体力效果，使光阻稳定地、且是呈同心圆状地向外涂布。

根据实际使用显示，GYRSET?只需一般涂布机的55%光阻用量。另外，其也可应用于厚光阻之涂布(厚度自数微米至数百微米不等)。受涂基板也可由晶圆改为任意的工作外型，而不会造成边缘一大部份面积厚度不均的花花外貌。

[注]厚光阻是新近发展出来，供微机电研究使用的材料，如IBM的SU-8系列光阻，厚度由数微米至100微米不等，以GYRSET?涂布后，经过严格的烘干程序，再以紫外线或准分子雷射(excimerlaser)进行曝光显影后，所得到较深遂的凹状图案，可供进一步精密电铸(electro-forming)的金属微结构成长填塞。这种加工程序又称为「仿LIGA」制程(poormansLIGA)，即「异步X光之深刻模造术」。 (三)蚀刻(Etching)

蚀刻的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reactionlimited」与「diffusionlimited」两类蚀刻之分。 1、湿蚀刻

最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率(etchingrate)的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌(stirring)之有无。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF蚀刻SiO2，当然比BOE(Buffered-Oxide-Etch；HF：NH4F=1：6)快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢！湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业，对于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质(如蚀刻掩膜；etchingmask，或承载被加工薄膜之基板；substrate)的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。