半导体的生产工艺流程.docx
- 文档编号:689237
- 上传时间:2022-10-12
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:33.65KB
半导体的生产工艺流程.docx
《半导体的生产工艺流程.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体的生产工艺流程.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
半导体的生产工艺流程
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- 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。
5、所有人事物进出,都必须经过空气吹浴 (air shower) 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 (DI water, de-
ionized water)。
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
(carrier channel),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 (silicon wafer) 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 (impurity dopant) 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」(diamond-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 (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-n junction)、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 (transport phenomena);质量传输
(mass transfer)、热传递(heat transfer)、与动量传输 (momentum transfer;
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(boundary conditions)施予,
会产生不同之浓度分布外形。
固定表面浓度 (constant surface concentration)
与固定表面搀杂量 (constant surface dosage),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
(complementary error function),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-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 生产工艺 流程
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)