半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程

1、半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程微機(jī)電制作技術(shù),尤其是最大宗以硅半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的微細(xì)加工技術(shù)(silicon- based micromachining,原本就肇源于半導(dǎo)體組件的制程技術(shù),所以必須先介紹清楚這類制程,以免淪于夏蟲語(yǔ)冰的窘態(tài)。一、潔凈室一般的機(jī)械加工是不需要潔凈室(clean room的,因?yàn)榧庸し直媛试跀?shù)十微米以上,遠(yuǎn)比日常環(huán)境的微塵顆粒為大。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(jì)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(lái)由。

2、潔凈室的潔凈等級(jí),有一公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),以class 10為例,意謂在單位立方英呎的潔凈室空間內(nèi),平均只有粒徑0.5微米以上的粉塵10粒。所以class后頭數(shù)字越小,潔凈度越佳,當(dāng)然其造價(jià)也越昂貴(參見(jiàn)圖2-1。為營(yíng)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:1、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)。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。2、為保持溫度與濕度的恒定,大型空調(diào)設(shè)備須搭配于前述之鼓風(fēng)加壓系統(tǒng)中。換言之,鼓風(fēng)機(jī)加壓多久,冷氣空調(diào)也開(kāi)多久。3、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(jì)或機(jī)臺(tái)擺放調(diào)配,使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯

3、的機(jī)會(huì)與時(shí)間減至最低程度。4、所有建材均以不易產(chǎn)生靜電吸附的材質(zhì)為主。5、所有人事物進(jìn)出,都必須經(jīng)過(guò)空氣吹浴 (air shower 的程序,將表面粉塵先行去除。6、人體及衣物的毛屑是一項(xiàng)主要粉塵來(lái)源,為此務(wù)必嚴(yán)格要求進(jìn)出使用人員穿戴無(wú)塵衣,除了眼睛部位外,均需與外界隔絕接觸 (在次微米制程技術(shù)的工廠內(nèi),工作人員幾乎穿戴得像航天員一樣。 當(dāng)然,化妝是在禁絕之內(nèi),鉛筆等也禁止使用。7、除了空氣外,水的使用也只能限用去離子水 (DI water, de-ionized water。一則防止水中粉粒污染晶圓,二則防止水中重金屬離子,如鉀、鈉離子污染金氧半 (MOS 晶體管結(jié)構(gòu)之帶電載子信道 (car

4、rier channel,影響半導(dǎo)體組件的工作特性。去離子水以電阻率 (resistivity 來(lái)定義好壞,一般要求至17.5M-cm以上才算合格;為此需動(dòng)用多重離子交換樹(shù)脂、RO逆滲透、與UV紫外線殺菌等重重關(guān)卡,才能放行使用。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!8、潔凈室所有用得到的氣源,包括吹干晶圓及機(jī)臺(tái)空壓所需要的,都得使用氮?dú)?(98%,吹干晶圓的氮?dú)馍踔烈?9.8%以上的高純氮!以上八點(diǎn)說(shuō)明是最基本的要求,另還有污水處理、廢氣排放的環(huán)保問(wèn)題,再再需要大筆大筆的建造與維護(hù)費(fèi)用!二、晶圓制作硅晶圓 (silicon wafer 是一切集成電路芯片的制作母

5、材。既然說(shuō)到晶體,顯然是經(jīng)過(guò)純煉與結(jié)晶的程序。目前晶體化的制程,大多是采柴可拉斯基(Czycrasky 拉晶法 (CZ法。拉晶時(shí),將特定晶向 (orientation 的晶種 (seed,浸入過(guò)飽和的純硅熔湯 (Melt 中,并同時(shí)旋轉(zhuǎn)拉出,硅原子便依照晶種晶向,乖乖地一層層成長(zhǎng)上去,而得出所謂的晶棒 (ingot。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(guò)FZ 法 (floating-zone 的再結(jié)晶 (re-crystallization,將雜質(zhì)逐出,提高純度與阻值。輔拉出的晶棒,外緣像椰子樹(shù)干般,外徑不甚一致,需予以機(jī)械加工修邊,然后以X光繞

6、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。最后經(jīng)過(guò)粗磨 (lapping、化學(xué)蝕平 (chemical etching 與拋光 (polishing 等程序,得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圓。(至于晶圓厚度,與其外徑有關(guān)。 剛才題及的晶向,與硅晶體的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。硅晶體結(jié)構(gòu)是所謂鉆石結(jié)構(gòu)(diamond-structure,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(zhǎng) 疊合而成。我們依米勒指針?lè)?(Miller index,可定義出諸如:100、11

7、1、110 等晶面。所以晶圓也因之有 100、111、110等之分野。有關(guān)常用硅晶圓之切邊方向等信息,請(qǐng)參考圖2-2?，F(xiàn)今半導(dǎo)體業(yè)所使用之硅晶圓,大多以 100 硅晶圓為主。其可依導(dǎo)電雜質(zhì)之種類,再分為p型 (周期表III族 與n型 (周期表V族。由于硅晶外貌完全相同,晶圓制造廠因此在制作過(guò)程中,加工了供辨識(shí)的記號(hào):亦即以是否有次要切面 (secondary flat 來(lái)分辨。該次切面與主切面垂直,p型晶圓有之,而n型則闕如。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(shí),可用刮晶機(jī) (scriber 的原因 (它并無(wú)真正切斷芯片,而只在表面刮出

8、裂痕,再加以外力而整齊斷開(kāi)之。事實(shí)上,硅晶的自然斷裂面是111,所以雖然得到矩形的碎芯片,但斷裂面卻不與100晶面垂直!以下是訂購(gòu)硅晶圓時(shí),所需說(shuō)明的規(guī)格:項(xiàng)目說(shuō)明晶面100、111、110 ± 1o外徑(吋 3 4 5 6厚度(微米 300450 450600 550650 600750(±25雜質(zhì)p型、n型阻值(-cm 0.01 (低阻值 100 (高阻值制作方式CZ、FZ (高阻值拋光面單面、雙面平坦度(埃 300 3,000三、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(zhǎng),(2微影罩幕,(3蝕刻成型。設(shè)備也跟著分為四類: (a高溫爐管,(b微影機(jī)臺(tái),(c化學(xué)清洗

9、蝕刻臺(tái),(d電漿真空腔室。其中(a(c機(jī)臺(tái)依序?qū)?yīng)(1(3制程,而新近發(fā)展的第(d項(xiàng)機(jī)臺(tái),則分別應(yīng)用于制程(1與(3。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(diǎn),描繪一二!(一氧化(爐(Oxidation對(duì)硅半導(dǎo)體而言,只要在高于或等于1050的爐管中,如圖2-3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(zhǎng)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。氧化是半導(dǎo)體制程中,最干凈、單純的一種;這也是硅晶材料能夠取得優(yōu)勢(shì)的特性之一(他種半導(dǎo)體,如砷化鎵 GaAs,

10、便無(wú)法用此法成長(zhǎng)絕緣層,因?yàn)樵?50左右,砷化鎵已解離釋放出砷!硅氧化層耐得住850 1050的后續(xù)制程環(huán)境,系因?yàn)樵撗趸瘜邮窃谇笆龈叩臏囟瘸砷L(zhǎng);不過(guò)每生長(zhǎng)出1 微米厚的氧化層,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點(diǎn):(1氧化層的成長(zhǎng)速率不是一直維持恒定的趨勢(shì),制程時(shí)間與成長(zhǎng)厚度之重復(fù)性是較為重要之考量。(2后長(zhǎng)的氧化層會(huì)穿透先前長(zhǎng)的氧化層而堆積于上;換言之,氧化所需之氧或水汽,勢(shì)必也要穿透先前成長(zhǎng)的氧化層到硅質(zhì)層。故要生長(zhǎng)更厚的氧化層,遇到的阻礙也越大。一般而言,很少成長(zhǎng)2微米厚以上之氧化層。(3干氧層主要用于制作金氧半(MOS晶體管的載子信道(channel;而濕

11、氧層則用于其它較不嚴(yán)格講究的電性阻絕或制程罩幕(masking。前者厚度遠(yuǎn)小于后者,1000 1500埃已然足夠。(4對(duì)不同晶面走向的晶圓而言,氧化速率有異:通常在相同成長(zhǎng)溫度、條件、及時(shí)間下,111厚度110厚度>100厚度。(5導(dǎo)電性佳的硅晶氧化速率較快。(6適度加入氯化氫(HCl氧化層質(zhì)地較佳;但因容易腐蝕管路,已漸少用。(7氧化層厚度的量測(cè),可分破壞性與非破壞性兩類。前者是在光阻定義阻絕下,泡入緩沖過(guò)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(lái)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(cè)

12、儀(surface profiler or alpha step,得到有無(wú)氧化層之高度差,即其厚度。(8非破壞性的測(cè)厚法,以橢偏儀 (ellipsometer 或是毫微儀(nano-spec最為普遍及準(zhǔn)確,前者能同時(shí)輸出折射率(refractive index;用以評(píng)估薄膜品質(zhì)之好壞及起始厚度b與跳階厚度a (總厚度 t = ma + b,實(shí)際厚度 (需確定m之整數(shù)值,仍需與制程經(jīng)驗(yàn)配合以判讀之。后者則還必須事先知道折射率來(lái)反推厚度值。(9不同厚度的氧化層會(huì)顯現(xiàn)不同的顏色,且有2000埃左右厚度即循環(huán)一次的特性。有經(jīng)驗(yàn)者也可單憑顏色而判斷出大約的氧化層厚度。不過(guò)若超過(guò)1.5微米以上的厚度時(shí),氧

13、化層顏色便漸不明顯。(二擴(kuò)散(爐 (diffusion1、擴(kuò)散攙雜半導(dǎo)體材料可攙雜n型或p型導(dǎo)電雜質(zhì)來(lái)調(diào)變阻值,卻不影響其機(jī)械物理性質(zhì)的特點(diǎn),是進(jìn)一步創(chuàng)造出p-n接合面(p-n junction、二極管(diode、晶體管(transistor、以至于大千婆娑之集成電路(IC世界之基礎(chǔ)。而擴(kuò)散是達(dá)成導(dǎo)電雜質(zhì)攙染的初期重要制程。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(dòng)量傳輸 (momentum transfer;即摩擦拖曳 皆是其實(shí)然的三種已知現(xiàn)象。本雜質(zhì)擴(kuò)散即屬于質(zhì)量傳輸之一種,唯

14、需要在850oC以上的高溫環(huán)境下,效應(yīng)才夠明顯。由于是擴(kuò)散現(xiàn)象,雜質(zhì)濃度C (concentration;每單位體積具有多少數(shù)目的導(dǎo)電雜質(zhì)或載子服從擴(kuò)散方程式如下:這是一條拋物線型偏微分方程式,同時(shí)與擴(kuò)散時(shí)間t及擴(kuò)散深度x有關(guān)。換言之,在某擴(kuò)散瞬間 (t固定,雜質(zhì)濃度會(huì)由最高濃度的表面位置,往深度方向作遞減變化,而形成一隨深度x變化的濃度曲線;另一方面,這條濃度曲線,卻又隨著擴(kuò)散時(shí)間之增加而改變樣式,往時(shí)間無(wú)窮大時(shí),平坦一致的擴(kuò)散濃度分布前進(jìn)!既然是擴(kuò)散微分方程式,不同的邊界條件(boundary conditions施予,會(huì)產(chǎn)生不同之濃度分布外形。固定表面濃度 (constant surfa

15、ce 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(jiàn)圖2-4: 2、前擴(kuò)散 (pre-deposition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)(complementary error function,其對(duì)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(kāi)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【boron-nitride】芯片,n型則為液態(tài)POCl3之加熱蒸氣 進(jìn)行擴(kuò)散。其濃度剖面外形之特征是雜質(zhì)集中在表面,表面

16、濃度最高,并隨深度迅速減低,或是說(shuō)表面濃度梯度 (gradient 值極高。3、后驅(qū)入 (post drive-in第二種定攙雜量的邊界條件,具有高斯分布 (Gaussian distribution 的濃度解析解。對(duì)應(yīng)之?dāng)U散處理程序叫做后驅(qū)入,即一般之高溫退火程序;基本上只維持爐管的驅(qū)入工作溫度,擴(kuò)散源卻不再釋放?；騿?wèn)曰:定攙雜量的起始邊界條件自何而來(lái)?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。原來(lái)前擴(kuò)散的雜質(zhì)植入劑量很快達(dá)到飽和,即使拉長(zhǎng)前擴(kuò)散的時(shí)間,也

17、無(wú)法大幅增加雜質(zhì)植入劑量,換言之,電性上之電阻率 (resistivity 特性很快趨穩(wěn)定;但后驅(qū)入使表面濃度及梯度減低(因雜質(zhì)由表面往深處擴(kuò)散,卻又營(yíng)造出再一次前擴(kuò)散來(lái)增加雜質(zhì)植入劑量的機(jī)會(huì)。所以,借著多次反復(fù)的前擴(kuò)散與后驅(qū)入,既能調(diào)變電性上之電阻率特性,又可改變雜質(zhì)電阻之有效截面積,故依大家熟知之電阻公式;其中是電阻長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)出所需導(dǎo)電區(qū)域之?dāng)U散程序。4、擴(kuò)散之其它要點(diǎn),簡(jiǎn)述如下:(1擴(kuò)散制程有批次制作、成本低廉的好處,但在擴(kuò)散區(qū)域之邊緣所在,有側(cè)向擴(kuò)散的誤差,故限制其在次微米 (sub-micron 制程上之應(yīng)用。(2擴(kuò)散之后的阻值量測(cè),通常以四探針?lè)?four-point probe

18、method行之,示意參見(jiàn)圖2-5。目前市面已有多種商用機(jī)臺(tái)可供選購(gòu)。 (3擴(kuò)散所需之圖形定義(pattern及遮掩(masking,通常以氧化層(oxide充之,以抵擋高溫之環(huán)境。一微米厚之氧化層,已足敷一般擴(kuò)散制程之所需。(二微影(Photo-Lithography1、正負(fù)光阻微影光蝕刻術(shù)起源于照相制版的技術(shù)。自1970年起,才大量使用于半導(dǎo)體制程之圖形轉(zhuǎn)寫復(fù)制。原理即利用對(duì)紫外線敏感之聚合物,或所謂光阻(photo-resist之受曝照與否,來(lái)定義該光阻在顯影液(developer中是否被蝕除,而最終留下與遮掩罩幕,即光罩(mask相同或明暗互補(bǔ)之圖形;相同者稱之正光阻(positive

19、 resist,明暗互補(bǔ)者稱之負(fù)光阻(negative resist,如圖2-6所示。一般而言,正光阻,如AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L等,其分辨率及邊緣垂直度均佳,但易變質(zhì),儲(chǔ)存期限也較短 (約半年到一年之間,常用于學(xué)術(shù)或研發(fā)單位;而負(fù)光阻之邊緣垂直度較差,但可儲(chǔ)存較久,常為半導(dǎo)體業(yè)界所使用。2、光罩前段述及的光罩制作,是微影之關(guān)鍵技術(shù)。其制作方式經(jīng)幾十年之演進(jìn),已由分辨率差的縮影機(jī) (由數(shù)百倍大的紅膠紙【rubby-lith】圖樣縮影 技術(shù),改良為直接以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造(CAD/CAM軟件控制的雷射束(laser-beam或電子束(E-beam書寫機(jī),在具光阻之石英玻璃

20、板上進(jìn)行書寫 (曝光,分辨率 (最小線寬 也改進(jìn)到微米的等級(jí)。由于激光打印機(jī)的分辨率越來(lái)越好,未來(lái)某些線寬較粗的光罩可望直接以打印機(jī)出圖。舉例而言,3386dpi的出圖機(jī),最小線寬約為七微米。3、對(duì)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(jiǎn)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。加上使用之硅晶圓尺寸較小,配合使用之光罩本來(lái)就不大。所以搭配使用之硅晶圓曝光機(jī)臺(tái)為一般的光罩對(duì)準(zhǔn)機(jī)(mask aligner,如圖2-7。換言之,一片晶圓只需一次對(duì)準(zhǔn)曝光,便可進(jìn)行之后的顯影及烤干程序。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(lái)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光:一來(lái)電子束書

21、寫機(jī)在制備這樣大的光罩時(shí),會(huì)耗損巨量的時(shí)間,極不劃算;二來(lái),大面積光罩進(jìn)行光蝕刻曝光前與晶圓之對(duì)準(zhǔn),要因應(yīng)大面積精密定位及防震等問(wèn)題,極為棘手!所以工業(yè)界多采用步進(jìn)機(jī)(stepper進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光;也就是說(shuō),即使晶圓大到6或8吋,但光罩大小還是小小的12吋見(jiàn)方,一則光罩制備快速,二則小面積對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題也比較少;只是要曝滿整片晶圓,要花上數(shù)十次對(duì)準(zhǔn)曝光移位的重復(fù)動(dòng)作。但即便如此,因每次對(duì)準(zhǔn)曝光移位僅費(fèi)時(shí)1秒左右,故一片晶圓的總曝光時(shí)間仍控制在1分鐘以內(nèi),而保持了工廠的高投片率 (high through-put;即單位時(shí)間內(nèi)完成制作之硅芯片數(shù)。圖2-7 雙面對(duì)準(zhǔn)曝光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)(國(guó)科會(huì)北區(qū)微機(jī)電系統(tǒng)研究

22、中心。4、光阻涂布晶圓上微米厚度等級(jí)的光阻,是采用旋轉(zhuǎn)離心(spin-coating的方式涂布上去。光阻涂布機(jī)如圖2-8所示。其典型程序包括:(1晶圓表面前處理 (pre-baking:即在150°C下烘烤一段時(shí)間。若表面無(wú)氧化層,要另外先上助粘劑 (primer,如HMDS,再降回室溫。換言之,芯片表面在涂敷光阻前要確保是親水性(hydrophilic。(2送晶圓上真空吸附的轉(zhuǎn)臺(tái),注入(dispensing光阻,開(kāi)始由低轉(zhuǎn)速甩出多余的光阻并均布之,接著以轉(zhuǎn)速數(shù)千rpm,減薄光阻至所需厚度。(3將晶圓表層光阻稍事烤干定型,防止沾粘。但不可過(guò)干過(guò)硬,而妨礙后續(xù)的曝光顯影。一般光阻涂布機(jī)

23、的涂布結(jié)果是厚度不均。尤其在晶圓邊緣部份,可能厚達(dá)其它較均勻部份的光阻3倍以上。另外,為了確保光阻全然涂布到整片晶圓,通常注入光阻的劑量,是真正涂布粘著在晶圓上之?dāng)?shù)十甚至數(shù)百倍,極其可惜;因?yàn)樗Φ骄A外的光阻中有機(jī)溶劑迅速揮發(fā)逸散,成份大變,不能回收再使用。5、厚光阻德國(guó)Karl-Suss公司開(kāi)發(fā)了一種新型的光阻涂布機(jī),稱為GYRSET?,如圖2-9所示,其賣點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)可減少一半的光阻用量,且得出更均厚的光阻分布。其原理極為單純:只是在真空轉(zhuǎn)臺(tái)上加裝了跟著同步旋轉(zhuǎn)的蓋子。如此一來(lái),等于強(qiáng)迫晶圓與蓋子之間的空氣跟著旋轉(zhuǎn),那么光阻上便無(wú)高轉(zhuǎn)速差的粘性旋轉(zhuǎn)拖曳作用。故光阻在被涂布時(shí),其與周遭流體之相

24、對(duì)運(yùn)動(dòng)并不明顯,只是離心的徹體力效果,使光阻穩(wěn)定地、且是呈同心圓狀地向外涂布。根據(jù)實(shí)際使用顯示,GYRSET?只需一般涂布機(jī)的55%光阻用量。另外,其也可應(yīng)用于厚光阻之涂布 (厚度自數(shù)微米至數(shù)百微米不等。受涂基板也可由晶圓改為任意的工作外型,而不會(huì)造成邊緣一大部份面積厚度不均的花花外貌。注 厚光阻是新近發(fā)展出來(lái),供微機(jī)電研究使用的材料,如IBM的SU-8系列光阻,厚度由數(shù)微米至100微米不等,以GYRSET?涂布后,經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的烘干程序,再以紫外線或準(zhǔn)分子雷射 (excimer laser 進(jìn)行曝光顯影后,所得到較深遂的凹狀圖案,可供進(jìn)一步精密電鑄 (electro-forming 的金屬微結(jié)構(gòu)

25、成長(zhǎng)填塞。這種加工程序又稱為仿LIGA制程 (poor mans LIGA,即異步X光之深刻模造術(shù)。(三蝕刻(Etching蝕刻的機(jī)制,按發(fā)生順序可概分為反應(yīng)物接近表面、表面氧化、表面反應(yīng)、生成物離開(kāi)表面等過(guò)程。所以整個(gè)蝕刻,包含反應(yīng)物接近、生成物離開(kāi)的擴(kuò)散效應(yīng),以及化學(xué)反應(yīng)兩部份。整個(gè)蝕刻的時(shí)間,等于是擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時(shí)間的總和。二者之中孰者費(fèi)時(shí)較長(zhǎng),整個(gè)蝕刻之快慢也卡在該者,故有所謂reaction limited與diffusion limited兩類蝕刻之分。1、濕蝕刻最普遍、也是設(shè)備成本最低的蝕刻方法,其設(shè)備如圖2-10所示。其影響被蝕刻物之蝕刻速率 (etching rat

26、e 的因素有三:蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirring 之有無(wú)。定性而言,增加蝕刻溫度與加入攪拌,均能有效提高蝕刻速率;但濃度之影響則較不明確。舉例來(lái)說(shuō),以49%的HF蝕刻SiO2,當(dāng)然比BOE (Buffered-Oxide- Etch;HF:NH4F =1:6 快的多;但40%的KOH蝕刻Si的速率卻比20%KOH慢!濕蝕刻的配方選用是一項(xiàng)化學(xué)的專業(yè),對(duì)于一般不是這方面的研究人員,必須向該化學(xué)專業(yè)的同儕請(qǐng)教。一個(gè)選用濕蝕刻配方的重要觀念是選擇性(selectivity,意指進(jìn)行蝕刻時(shí),對(duì)被蝕物去除速度與連帶對(duì)其他材質(zhì) (如蝕刻掩膜;etching mask,或承載被加工薄膜之基

27、板;substrate 的腐蝕速度之比值。一個(gè)具有高選擇性的蝕刻系統(tǒng),應(yīng)該只對(duì)被加工薄膜有腐蝕作用,而不傷及一旁之蝕刻掩膜或其下的基板材料。(1等向性蝕刻 (isotropic etching大部份的濕蝕刻液均是等向性,換言之,對(duì)蝕刻接觸點(diǎn)之任何方向腐蝕速度并無(wú)明顯差異。故一旦定義好蝕刻掩膜的圖案,暴露出來(lái)的區(qū)域,便是往下腐蝕的所在;只要蝕刻配方具高選擇性,便應(yīng)當(dāng)止于所該止之深度。然而有鑒于任何被蝕薄膜皆有其厚度,當(dāng)其被蝕出某深度時(shí),蝕刻掩膜圖案邊緣的部位漸與蝕刻液接觸,故蝕刻液也開(kāi)始對(duì)蝕刻掩膜圖案邊緣的底部,進(jìn)行蝕掏,這就是所謂的下切或側(cè)向侵蝕現(xiàn)象 (undercut。該現(xiàn)象造成的圖案?jìng)?cè)向誤

28、差與被蝕薄膜厚度同數(shù)量級(jí),換言之,濕蝕刻技術(shù)因之而無(wú)法應(yīng)用在類似次微米線寬的精密制程技術(shù)!(2非等向性蝕刻 (anisotropic etching先前題到之濕蝕刻選擇性觀念,是以不同材料之受蝕快慢程度來(lái)說(shuō)明。然而自1970年代起,在諸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中,發(fā)表了許多有關(guān)堿性或有機(jī)溶液腐蝕單晶硅的文章,其特點(diǎn)是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大,尤其是<111>方向,足足比<100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)!因此,腐蝕速率最慢的晶面,往往便是腐蝕后留下的特定面。這部份將在體型微細(xì)加工時(shí)

29、再詳述。2、干蝕刻干蝕刻是一類較新型,但迅速為半導(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其利用電漿 (plasma 來(lái)進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜材料的蝕刻加工。其中電漿必須在真空度約10至0.001 Torr 的環(huán)境下,才有可能被激發(fā)出來(lái);而干蝕刻采用的氣體,或轟擊質(zhì)量頗巨,或化學(xué)活性極高,均能達(dá)成蝕刻的目的。干蝕刻基本上包括離子轟擊(ion-bombardment與化學(xué)反應(yīng)(chemical reaction 兩部份蝕刻機(jī)制。偏離子轟擊效應(yīng)者使用氬氣(argon,加工出來(lái)之邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)者則采氟系或氯系氣體(如四氟化碳CF4,經(jīng)激發(fā)出來(lái)的電漿,即帶有氟或氯之離子團(tuán),可快速與芯片表面材質(zhì)反應(yīng)。干蝕刻

30、法可直接利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕,不必另行成長(zhǎng)阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點(diǎn),能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高蝕刻率兩種優(yōu)點(diǎn),換言之,本技術(shù)中所謂活性離子蝕刻(reactive ion etch;RIE 已足敷次微米線寬制程技術(shù)的要求,而正被大量使用中。(四離子植入 (Ion Implantation在擴(kuò)散制程的末尾描述中,曾題及擴(kuò)散區(qū)域之邊緣所在,有側(cè)向擴(kuò)散的誤差,故限制其在次微米制程上之應(yīng)用。但誠(chéng)如干蝕法補(bǔ)足濕蝕法在次微米制程能力不足一樣,此地另有離子植入法,來(lái)進(jìn)行圖案更精細(xì),濃度更為稀少精準(zhǔn)的雜值攙入。離子植入法是將III族或IV族之雜質(zhì),以離子的型式,經(jīng)加速后沖擊進(jìn)入晶圓表面,經(jīng)

31、過(guò)一段距離后,大部份停于離晶圓表面0.1微米左右之深度 (視加速能量而定,故最高濃度的地方,不似熱擴(kuò)散法在表面上。不過(guò)因?yàn)樯疃群軠\,一般還是簡(jiǎn)單認(rèn)定大部份離子是攙雜在表面上,然后進(jìn)一步利用驅(qū)入(drive-in來(lái)調(diào)整濃度分布,并對(duì)離子撞擊過(guò)的區(qū)域,進(jìn)行結(jié)構(gòu)之修補(bǔ)?；旧?其為一低溫制程,故可直接用光阻來(lái)定義植入的區(qū)域。(五化學(xué)氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition;CVD到目前為止,只談到以高溫爐管來(lái)進(jìn)行二氧化硅層之成長(zhǎng)。至于其它如多晶硅 (poly-silicon、氮化硅 (silicon-nitride、鎢或銅金屬等薄膜材料,要如何成長(zhǎng)堆棧至硅晶圓上?基本上仍是采用

32、高溫爐管,只是因著不同的化學(xué)沉積過(guò)程,有著不同之工作溫度、壓力與反應(yīng)氣體,統(tǒng)稱為化學(xué)氣相沉積。既是化學(xué)反應(yīng),故免不了質(zhì)量傳輸與化學(xué)反應(yīng)兩部份機(jī)制。由于化學(xué)反應(yīng)隨溫度呈指數(shù)函數(shù)之變化,故當(dāng)高溫時(shí),迅速完成化學(xué)反應(yīng)。換言之,整體沉積速率卡在質(zhì)量傳輸 (diffusion-limited;而此部份事實(shí)上隨溫度之變化,不像化學(xué)反應(yīng)般敏感。所以對(duì)于化學(xué)氣相沉積來(lái)說(shuō),如圖2-11所示,提高制程溫度,容易掌握沉積的速率或制程之重復(fù)性。然而高制程溫度有幾項(xiàng)缺點(diǎn):高溫制程環(huán)境所需電力成本較高。安排順序較后面的制程溫度若高于前者,可能破壞已沉積之材料。高溫成長(zhǎng)之薄膜,冷卻至常溫后,會(huì)產(chǎn)生因各基板與薄膜間熱脹縮程度

33、不同之殘留應(yīng)力 (residual stress。所以,低制程溫度仍是化學(xué)氣相沉積追求的目標(biāo)之一,惟如此一來(lái),在制程技術(shù)上面臨之問(wèn)題及難度也跟著提高。以下,按著化學(xué)氣相沉積的研發(fā)歷程,分別簡(jiǎn)介常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積、及電漿輔助化學(xué)氣相沉積:1、常壓化學(xué)氣相沉積 (Atmospheric Pressure CVD;APCVD最早研發(fā)的CVD系統(tǒng),顧名思義是在一大氣壓環(huán)境下操作,設(shè)備外貌也與氧化爐管相類似。欲成長(zhǎng)之材料化學(xué)蒸氣自爐管上游均勻流向硅晶,至于何以會(huì)沉積在硅晶表面,可簡(jiǎn)單地以邊界層 (boundary layer 理論作定性說(shuō)明:當(dāng)具黏性之化學(xué)蒸氣水平吹拂過(guò)硅芯片時(shí),硅芯片與

34、爐管壁一樣,都是固體邊界,因著靠近芯片表面約1mm的邊界層內(nèi)速度之大量變化(由邊界層外緣之蒸氣速度減低到芯片表面之0速度,會(huì)施予一拖曳外力,拖住化學(xué)蒸氣分子;同時(shí)因硅芯片表面溫度高于邊界層外緣之蒸氣溫度,芯片將釋出熱量,來(lái)供給被拖住之化學(xué)蒸氣分子在芯片表面完成薄膜材質(zhì)解離析出之所需能量。所以基本上,化學(xué)氣相沉積就是大自然輸送現(xiàn)象(transport phenomena 的應(yīng)用。常壓化學(xué)氣相沉積速度頗快,但成長(zhǎng)薄膜的質(zhì)地較為松散。另外若晶圓不采水平擺放的方式 (太費(fèi)空間，薄膜之厚度均勻性 (thickness uniformity不佳。 2、低壓化學(xué)氣相沉積 (Low Pressure CVD；

35、LPCVD 為進(jìn)行 50 片或更多晶圓之批次量產(chǎn)，爐管內(nèi)之晶圓勢(shì)必要垂直密集地豎放于晶舟上，這 明顯衍生沉積薄膜之厚度均勻性問(wèn)題； 因?yàn)槠桨暹吔鐚訂?wèn)題的假設(shè)已不合適， 化學(xué)蒸氣在經(jīng) 過(guò) 第 一 片 晶 圓 后 ， 黏 性 流 場(chǎng) 立 即 進(jìn) 入 分 離 (separation 的 狀 態(tài) ， 逆 壓 力 梯 度 (reversed pressure gradient 會(huì)將下游的化學(xué)蒸氣帶回上游，而一團(tuán)混亂。 在晶圓豎放于晶舟已不可免之情況下，降低化學(xué)蒸氣之環(huán)境壓力，是一個(gè)解決厚度均勻 性的可行之道。原來(lái)依定義黏性流特性之雷諾數(shù) 觀察，動(dòng)力黏滯系數(shù) 隨降壓而變小，如 此一來(lái)雷諾數(shù)激增，而使化學(xué)蒸

36、氣流動(dòng)由層流 (laminar flow 進(jìn)入紊流 (turbulent flow。有趣 的是紊流不易分離，換言之，其為一亂中有序之流動(dòng)，故盡管化學(xué)蒸氣變得稀薄，使沉積速 度變慢，但其經(jīng)過(guò)數(shù)十片重重的晶圓后，仍無(wú)分離逆流的現(xiàn)象，而保有厚度均勻，甚至質(zhì)地 致密的優(yōu)點(diǎn)。以 800oC、1 Torr 成長(zhǎng)之 LPCVD 氮化硅薄膜而言，其質(zhì)地極為堅(jiān)硬耐磨，也 極適合蝕刻掩膜之用 (沉積速度約 20 分鐘 0.1 微米厚。 3、電漿輔助化學(xué)氣相沉積 (Plasma Enhanced CVD；PECVD 盡管 LPCVD 已解決厚度均勻的問(wèn)題，但溫度仍太高，沉積速度也不夠快。為了先降低沉 積溫度，必須尋

37、找另一能量來(lái)源，供化學(xué)沉積之用。由于低壓對(duì)于厚度均勻性的必要性，開(kāi) 發(fā)低壓環(huán)境之電漿能量輔助 (電漿只能存在于 100.001 Torr 下，恰好補(bǔ)足低溫環(huán)境下供能 不足的毛病， 甚至于輔助之電漿能量效應(yīng)還高于溫度之所施予， 而使沉積速率高過(guò) LPCVD。 以 350oC、1 Torr 成長(zhǎng)之 PECVD 氮化硅薄膜而言，其耐磨之質(zhì)地適合 IC 最后切割包 裝 (packaging 前之保護(hù)層 (passivation layer 使用 (沉積速度約 5 分鐘 0.1 微米厚。 PECVD 與 RIE 兩機(jī)臺(tái)之運(yùn)作原理極為相似，前者用電漿來(lái)輔助沉積，后者用電漿去執(zhí)行 蝕刻。不同之處在于使用不同

38、的電漿氣源，工作壓力與溫度也不相同。 (六金屬鍍膜 (Metal Deposition 又稱物 理鍍膜 (Physical Vapor Deposition ；PVD，依原 理分為蒸鍍 (evaporation 與濺 鍍 (sputtering 兩種。PVD 基本上都需要抽真空：前者在 10-610-7Torr 的環(huán)境中蒸著金屬； 后者則須在激發(fā)電漿前，將氣室內(nèi)殘余空氣抽除，也是要抽到 10-6 10-7Torr 的程度。 一般的機(jī)械式抽氣幫浦，只能抽到 10-3Torr 的真空度，之后須再串接高真空幫浦 (機(jī)械式 幫浦當(dāng)作接觸大氣的前級(jí)幫浦， 擴(kuò)散式幫浦 (diffusion pump、 如

39、： 渦輪式幫浦 (turbo pump、 或致冷式幫浦 (cryogenic pump，才能達(dá)到 10-6 10-7Torr 的真空程度。當(dāng)然，不同的真空 幫浦規(guī)范牽涉到不同原理之壓力計(jì)、管路設(shè)計(jì)、與價(jià)格。 1、蒸鍍 蒸鍍就加熱方式差異，分為電阻式 (thermal coater 與電子槍式 (E-gun evaporator 兩類機(jī) 臺(tái)。前者在原理上較容易，就是直接將準(zhǔn)備熔融蒸發(fā)的金屬以線材方式掛在加熱鎢絲上，一 旦受熱熔融， 因液體表面張力之故， 會(huì)攀附在加熱鎢絲上， 然后徐徐蒸著至四周 (包含晶圓。 因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬熔液攀附空間有限，僅用于低熔點(diǎn)的金屬鍍著，如鋁，且蒸著 厚度有限。 電子槍式蒸鍍機(jī)則是利用電子束進(jìn)行加熱，