半导体制程简介

`半导体制程简介

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，
　  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-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 (post drive-in)
     第二种定搀杂量的边界条件，具有高斯分布 (Gaussian distribution) 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，扩散源却不再释放。或问曰：定搀杂量的起始边界条件自何而来？答案是「前扩散」制程之结果；盖先前「前扩散」制作出之杂质浓度集中于表面，可近似一定搀杂量的边界条件也！
     至于为什么扩散要分成此二类步骤，当然不是为了投数学解析之所好，而是因应阻值调变之需求。原来「前扩散」的杂质植入剂量很快达到饱和，即使拉长「前扩散」的时间，也无法大幅增加杂质植入剂量，换言之，电性上之电阻率 (resistivity) 特性很快趋稳定；但「后驱入」使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散)，却又营造出再一次「前扩散」来增加杂质植入剂量的机会。所以，借着多次反复的「前扩散」与「后驱入」，既能调变电性上之电阻率特性，又可改变杂质电阻之有效截面积，故依大家熟知之电阻公式 ；      其中       是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。
4、扩散之其它要点，简述如下：
    (1)扩散制程有批次制作、成本低廉的好处，但在扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之应用。
    (2)扩散之后的阻值量测，通常以四探针法（four-point probe method）行之，示意参见图2-5。目前市面已有多种商用机台可供选购。     (3)扩散所需之图形定义（pattern）及遮掩（masking），通常以氧化层（oxide）充之，以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层，已足敷一般扩散制程之所需。
(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」(positive resist)，明暗互补者称之「负光阻」(negative resist)，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」(mask aligner，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 (high through-put；即单位时间内完成制作之硅芯片数。）  图2-7 双面对准曝光对准系统(国科会北区微机电系统研究中心)。
　4、光阻涂布  
      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 (excimer laser) 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 (poor mans LIGA)，即「异步X光之深刻模造术」。

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