談半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程-wenkub
2023-07-08 16:32:53 本頁面
【正文】 半導(dǎo)體制程設(shè)備 半導(dǎo)體制程概分為三類：(1)薄膜成長，(2)微影罩幕，(3)蝕刻成型。該次切面與主切面垂直，p型晶圓有之，而n型則闕如。有關(guān)常用硅晶圓之切邊方向等信息，請參考圖22。) 剛才題及的晶向，與硅晶體的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。晶棒的阻值如果太低，代表其中導(dǎo)電雜質(zhì) (impurity dopant) 太多，還需經(jīng)過FZ法 (floatingzone) 的再結(jié)晶 (recrystallization)，將雜質(zhì)逐出，提高純度與阻值。由于去離子水是最佳的溶劑與清潔劑，其在半導(dǎo)體工業(yè)之使用量極為驚人！ 潔凈室所有用得到的氣源，包括吹干晶圓及機(jī)臺空壓所需要的，都得使用氮氣 (98%)，%以上的高純氮！ 以上八點說明是最基本的要求，另還有污水處理、廢氣排放的環(huán)保問題，再再需要大筆大筆的建造與維護(hù)費用! 二、晶圓制作 硅晶圓 (silicon wafer) 是一切集成電路芯片的制作母材。) 當(dāng)然，化妝是在禁絕之內(nèi)，鉛筆等也禁止使用。 所有氣流方向均由上往下為主，盡量減少突兀之室內(nèi)空間設(shè)計或機(jī)臺擺放調(diào)配，使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯的機(jī)會與時間減至最低程度。 為營造潔凈室的環(huán)境，有專業(yè)的建造廠家，及其相關(guān)的技術(shù)與使用管理辦法如下： 內(nèi)部要保持大于一大氣壓的環(huán)境，以確保粉塵只出不進(jìn)。但進(jìn)入半導(dǎo)體組件或微細(xì)加工的世界，空間單位都是以微米計算，因此微塵顆粒沾附在制作半導(dǎo)體組件的晶圓上，便有可能影響到其上精密導(dǎo)線布局的樣式，造成電性短路或斷路的嚴(yán)重后果。 為此，所有半導(dǎo)體制程設(shè)備，都必須安置在隔絕粉塵進(jìn)入的密閉空間中，這就是潔凈室的來由。所以需要大型鼓風(fēng)機(jī)，將經(jīng)濾網(wǎng)的空氣源源不絕地打入潔凈室中。 所有建材均以不易產(chǎn)生靜電吸附的材質(zhì)為主。 除了空氣外，水的使用也只能限用去離子水 (DI water, deionized water)。既然說到晶體，顯然是經(jīng)過純煉與結(jié)晶的程序。 輔拉出的晶棒，外緣像椰子樹干般，外徑不甚一致，需予以機(jī)械加工修邊，然后以X光繞射法，定出主切面 (primary flat) 的所在，磨出該平面；再以內(nèi)刃環(huán)鋸，削下一片片的硅晶圓。硅晶體結(jié)構(gòu)是所謂「鉆石結(jié)構(gòu)」(diamondstructure)，系由兩組面心結(jié)構(gòu) (FCC)，相距 (1/4,1/4,1/4) 晶格常數(shù) (lattice constant；即立方晶格邊長) 疊合而成。 現(xiàn)今半導(dǎo)體業(yè)所使用之硅晶圓，大多以 {100} 硅晶圓為主。 {100}硅晶圓循平行或垂直主切面方向而斷裂整齊的特性，所以很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時，可用刮晶機(jī) (scriber) 的原因 (它并無真正切斷芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齊斷開之。設(shè)備也跟著分為四類：(a)高溫爐管，(b)微影機(jī)臺，169。 由于坊間不乏介紹半導(dǎo)體制程及設(shè)備的中文書籍，故本文不刻意錦上添花，謹(jǐn)就筆者認(rèn)為較有趣的觀點，描繪一二！ (一)氧化（爐）（Oxidation） 對硅半導(dǎo)體而言，只要在高于或等于1050℃的爐管中，如圖23所示，通入氧氣或水汽，自然可以將硅晶的表面予以氧化，生長所謂干氧層(dryz/gate oxide)或濕氧層(wet /field oxide)，當(dāng)作電子組件電性絕緣或制程掩膜之用。故要生長更厚的氧化層，遇到的阻礙也越大。 （4）對不同晶面走向的晶圓而言，氧化速率有異：通常在相同成長溫度、條件、及時間下，{111}厚度≧{110}厚度＞{100}厚度。前者是在光阻定義阻絕下，泡入緩沖過的氫氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系 HF與NH4F以1：6的比例混合而成的腐蝕劑）將顯露出來的氧化層去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深淺量測儀（surface profiler or alpha step），得到有無氧化層之高度差，即其厚度。有經(jīng)驗者也可單憑顏色而判斷出大約的氧化層厚度。 眾所周知，擴(kuò)散即大自然之輸送現(xiàn)象 (transport phenomena)；質(zhì)量傳輸(mass transfer)、熱傳遞(heat transfer)、與動量傳輸 (momentum transfer；即摩擦拖曳) 皆是其實然的三種已知現(xiàn)象。固定表面濃度 (constant surface concentration) 與固定表面攙雜量 (constant surface dosage)，是兩種常被討論的具有解析精確解的擴(kuò)散邊界條件(參見圖24)： 前擴(kuò)散 (predeposition) 第一種定濃度邊界條件的濃度解析解是所謂的互補(bǔ)誤差函數(shù)(plementary error function)，其對應(yīng)之?dāng)U散步驟稱為「前擴(kuò)散」，即我們一般了解之?dāng)U散制程；當(dāng)高溫爐管升至工作溫度后，把待擴(kuò)散晶圓推入爐中，然后開始釋放擴(kuò)散源 (p型擴(kuò)散源通常是固體呈晶圓狀之氮化硼【boronnitride】芯片，n型則為液態(tài)POCl3之加熱蒸氣) 進(jìn)行擴(kuò)散。或問曰：定攙雜量的起始邊界條件自何而來？答案是「前擴(kuò)散」制程之結(jié)果；蓋先前「前擴(kuò)散」制作出之雜質(zhì)濃度集中于表面，可近似一定攙雜量的邊界條件也！ 至于為什么擴(kuò)散要分成此二類步驟，當(dāng)然不是為了投數(shù)學(xué)解析之所好，而是因應(yīng)阻值調(diào)變之需求。 (2)擴(kuò)散之后的阻值量測，通常以四探針法（fourpoint probe method）行之，示意參見圖25。 (二)微影(PhotoLithography) 正負(fù)光阻 微影光蝕刻術(shù)起源于照相制版的技術(shù)。 光罩 前段述及的光罩制作，是微影之關(guān)鍵技術(shù)。 對準(zhǔn)機(jī) / 步進(jìn)機(jī) 在學(xué)術(shù)或研發(fā)單位中之電路布局較為簡易，一套電路布局可全部寫在一片光罩中，或甚至多重復(fù)制。但在業(yè)界中，使用的晶圓大得多，我們不可能任意造出7吋或9吋大小的光罩來進(jìn)行對準(zhǔn)曝光：一來電子束書寫機(jī)在制備這樣大的光罩時，會耗損巨量的時間，極不劃算；二來，大面積光罩進(jìn)行光蝕刻曝光前與晶圓之對準(zhǔn)，要因應(yīng)大面積精密定位及防震等問題，極為棘手！所以工業(yè)界多采用步進(jìn)機(jī)（stepper）進(jìn)行對準(zhǔn)曝光；也就是說，即使晶圓大到6或8吋，但光罩大小還是小小的1~2吋見方，一則光罩制備快速，二則小面積對準(zhǔn)的問題也比較少；只是要曝滿整片晶圓，要花上數(shù)十次「對準(zhǔn)→曝光→移位」的重復(fù)動作。光阻涂布機(jī)如圖28所示。換言之，芯片表面在涂敷光阻
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