半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程

1、半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程半導(dǎo)體制程微機(jī)電制作技術(shù)，專門是最大宗以硅半導(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)，因此必須先介紹清晰這類制程，以免淪于夏蟲語冰的窘態(tài)。一、潔凈室一樣的機(jī)械加工是不需要潔凈室(clean room)的，因?yàn)榧庸け嬲撀试跀?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，空間單位差不多上以微米運(yùn)算，因此微塵顆粒沾附在制作半導(dǎo)體組件的晶圓上，便有可能阻礙到其上周密導(dǎo)線布局的樣式，造成電性短路或斷路的嚴(yán)峻后果。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，

2、這確實(shí)是潔凈室的來由。潔凈室的潔凈等級(jí)，有一公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，以class 10為例，意謂在單位立方英吠的潔凈室空間內(nèi)，平均只有粒徑 0.5微米以上 的粉塵10粒。因此class后頭數(shù)字越小，潔凈度越佳，因此其造價(jià)也越昂 貴 (參見圖2-1)。為營造潔凈室的環(huán)境，有專業(yè)的建筑廠家，及其有關(guān)的技術(shù)與使用治理方法如下：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)。因此需要大型鼓風(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

3、放調(diào)配，使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯的機(jī)會(huì)與時(shí)刻減至最低程度。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，都必須通過空氣吹浴(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)要緊粉塵來源，為此務(wù)必嚴(yán)格要求進(jìn)出使用人員穿戴無塵衣，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。) 因此， 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

4、體管結(jié)構(gòu)之帶電載子信道 (carrier channel),阻礙半導(dǎo)體組件的工作特性。去離子水以電阻率(resistivity) 來定義好壞，一樣要求至17.5M Q-cm以上才算合格；為此需動(dòng)用多重離子交換樹脂、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)講明是最差不多的要求，另還有污水處理、廢氣排放的環(huán)保咨詢題，再再需要大筆大筆的建筑與愛護(hù)費(fèi)用!二、晶圓制作硅晶圓 (sil

5、icon wafer) 是一切集成電路芯片的制作母材。既然講到晶體，明顯是通過純煉與結(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),浸入過飽和的純硅熔湯(Melt)中，并同時(shí)旋轉(zhuǎn)拉出，硅原子便按照晶種晶向，乖乖地一層層成長上去，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，還需通過FZ 法 (floating-zone) 的再結(jié)晶(re-crystallization)， 將雜質(zhì)逐出，提升純度與阻值。輔拉出的晶棒，

6、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。最后通過粗磨 （lapping）、化學(xué)蝕平（che mical etching）與攏1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）疊合而成

7、。我們依米勒指針法 （Miller index）,可定義出諸如：100、111、110等晶面。因此晶圓 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） 來辨論。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，因此專門容易切成矩形碎塊，這是

8、早期晶圓切割時(shí)，可用刮晶機(jī)（scriber） 的緣故（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。）事實(shí)上，硅晶的自然斷裂面是111 ， 因此盡管得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與100晶面垂直！以下是訂購硅晶圓時(shí)，所需講明的規(guī)格：項(xiàng)目講明晶面 100 、 111 、 110 ± 1o外徑（口寸）3 4 5 6厚度（微米） 300450 450600 550650 600750（± 25）雜質(zhì) p 型、 n 型阻值（Q-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

9、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。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，而新近進(jìn)展的第（d）項(xiàng)機(jī)臺(tái)， 則分不應(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)為較有味的觀點(diǎn)，描畫一二?。ㄒ?）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，自然能夠?qū)⒐杈У谋砻嬗枰匝趸?，生長所謂干氧層（dryz/gate oxide）或濕氧

10、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，最潔凈、單純的一種；這也是硅晶材料能夠取得優(yōu)勢的特性之一（他種半導(dǎo)體，如砷化鎵GaAs， 便無法用此法成長絕緣層，因?yàn)樵?50左右，砷化鎵已解離開釋出砷！）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；只是每生長出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）氧化層的成長速率不是一直堅(jiān)持恒定的趨勢，制程時(shí)刻與成長厚度之重復(fù)性是較為重要之考量。（ 2）后長的氧化層會(huì)穿透先前長的氧化層而堆積于上；換言之，氧化所需之氧或水

11、汽，勢必也要穿透先前成長的氧化層到硅質(zhì)層。故要生長更厚的氧化層，遇到的阻礙也越大。一樣而言，專門少成長2 微米厚以上之氧化層。（3）干氧層要緊用于制作金氧半（MOS）晶體管的載子信道（channel）;而濕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：通常在相同成長溫度、條件、及時(shí)刻下，111厚度三110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，可分破壞性與非破

12、壞性兩類。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 oralpha step） ，得到有無氧化層之高度差，即其厚度。（ 8）非破壞性的測厚法，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

13、（需確定 m 之整數(shù)值 ），仍需與制程體會(huì)配合以判讀之。后者則還必須事先明白折射率來反推厚度值。（ 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。有體會(huì)者也可單憑顏色而判定出大約的氧化層厚度。只是若超過 1.5微米以上的厚度時(shí)，氧化層顏色便漸不明顯。（二 ）擴(kuò)散（爐 ） （diffusion）1、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)來調(diào)變阻值，卻不阻礙其機(jī)械物理性質(zhì)的特點(diǎn)，是進(jìn)一步制造出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)

14、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（ma ss transfer）、熱傳遞（heat transfer）、與動(dòng)量傳輸 （momentum transfer;即摩 擦拖曳 ） 皆是事實(shí)上然的三種已知現(xiàn)象。本雜質(zhì)擴(kuò)散即屬于質(zhì)量傳輸之一種，唯需要在850oC 以上的高溫環(huán)境下，效應(yīng)才夠明顯。由因此擴(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)刻t及擴(kuò)散深度x有關(guān)。換 言之，在某擴(kuò)散瞬時(shí)(t固定)，雜質(zhì)濃度會(huì)由最高濃度

15、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)刻之增加而改變樣式，往時(shí)刻無窮大時(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 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)(complemen

16、tary error function),其對(duì)應(yīng)之?dāng)U散步驟稱為前擴(kuò)散，即我們一樣了解之?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，然后開始開釋擴(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點(diǎn)是雜質(zhì)集中在表面，表面濃度最高，并隨深度迅速減低，或是講表面濃度梯度(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，即一樣之高溫退火程序

17、；差不多上只堅(jiān)持爐管的驅(qū)入工作溫度，擴(kuò)散源卻不再開釋。或咨詢?cè)唬憾〝v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！至于什么緣故擴(kuò)散要分成此二類步驟，因此不是為了投數(shù)學(xué)解析之所好，而是因應(yīng)阻值調(diào)變之需求。原先前擴(kuò)散的雜質(zhì)植入劑量專門快達(dá)到飽和，即使拉長前擴(kuò)散的時(shí)刻，也無法大幅增加雜質(zhì)植入劑量，換言之，電性上之電阻率(resistivity) 特性專門快趨穩(wěn)固；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)，卻又營造出再一次前擴(kuò)散來增加雜質(zhì)植入劑量的機(jī)會(huì)。因此，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

18、特性，又可改變雜質(zhì)電阻之有效截面積，故依大伙兒熟知之電阻公式； 其中 是電阻長度可設(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，通常以四探針法( four-point probe method) 行之，示意參見圖2-5。目前市面已有多種商用機(jī)臺(tái)可供選購。(3)擴(kuò)散所需之圖形定義(pattern)及遮擋(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，已足敷一樣擴(kuò)散制程之所需。(

19、二 )微影 (Photo-Lithography) 1、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)紫外線敏銳之聚合物，或所謂光阻(photo-resist)之受曝照與否，來定義該光阻在顯影液(developer)中是否被 蝕除，而最終留下與遮擋罩幕，即光罩(mask)相同或明暗互補(bǔ)之圖形； 相同者稱之正光阻(positive resist),明暗互補(bǔ)者稱之負(fù)光阻(negati ve resist),如圖 2-6所示。一樣而言，正光阻，如 AZ-1350、AZ-5214、FD -6400L 等，其辨論率及邊緣垂直度均佳，但易變質(zhì)，

20、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)， 已由辨論率差的縮影機(jī)(由數(shù)百倍大的紅膠紙【 rubby-lith 】 圖樣縮影 ) 技術(shù)，改良為直截了當(dāng)以運(yùn)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造( CAD/CAM ) 軟件操縱的雷射束( laser-beam或電子束(E-beam)書寫機(jī)，在具光阻之石英玻璃板上進(jìn)行書 寫(曝光)，辨論率(最小線寬 ) 也改進(jìn)到微米的等級(jí)。由于激光打印機(jī)的辨論率越來越好，以后某些線寬較粗的光罩可望直截了當(dāng)以打印機(jī)出圖。舉例而言，3386d

21、pi 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就不大。因此搭配使用之硅晶圓曝光機(jī)臺(tái)為一樣的光罩對(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 口寸或9 口寸大小的光罩來進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光：一來電子束書寫機(jī)在制備如此大的光罩時(shí)，會(huì)耗損巨量的時(shí)刻，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(duì)準(zhǔn)，要因應(yīng)大面積周密定位及防震等咨詢題，極為棘手！因

22、此工業(yè)界多采納步進(jìn)機(jī)(steppe。進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光；也確實(shí)是講，即 使晶圓大到6或8 口寸，但光罩大小依舊小小的12 口寸見方，一則光罩制備 快速，二則小面積對(duì)準(zhǔn)的咨詢題也比較少；只是要曝滿整片晶圓，要花上數(shù)十次對(duì)準(zhǔn)-曝光一移位的重復(fù)動(dòng)作。但即便如此，因每次對(duì)準(zhǔn)一曝光一移位僅費(fèi)時(shí)1秒左右，故一片晶圓的總曝光時(shí)刻仍操縱在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)刻內(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)(國科會(huì)北區(qū)微機(jī)電系統(tǒng)研究中心 )。4、光阻涂布晶圓上微米厚度等級(jí)的光阻，是采納旋轉(zhuǎn)離心(spin-coating)的方式涂布上去。光阻涂布

23、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)刻。若表面無氧化層，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，開始由低轉(zhuǎn)速甩出余外的光阻并均布之，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。但不可過干過硬，而阻礙后續(xù)的曝光顯影。一樣光阻涂布機(jī)的涂布結(jié)果是厚度不均。專門在晶圓邊緣部份，可能厚達(dá)其它較平均部份的光阻3 倍以上。另外，為了確保光阻

24、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，極其惋惜；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Karl-Suss公司開發(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，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)，其與周遭流體之相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不明顯，只是離心的徹體力成效，使光阻穩(wěn)固地、且是呈同心圓狀地向 外涂布。按照實(shí)際使用顯

25、示，GYRSET?只需一樣涂布機(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，而可不能造成邊緣一大部份面積厚度不均的 花花外貌。注 厚光阻是新近進(jìn)展出來，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，通過嚴(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)一步周密電鑄(electro-forming) 的金屬微結(jié)構(gòu)成長填塞。這種加工程序又稱為仿 LIGA制程(poor mans LIG A),即

26、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) 、 生成物離開表面等過程。因此整個(gè)蝕刻，包含反應(yīng)物接近、生成物離開的擴(kuò)散效應(yīng)，以及化學(xué)反應(yīng)兩部份。整個(gè)蝕刻的時(shí)刻，等因此擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時(shí)刻的總和。二者之中孰者費(fèi)時(shí)較長，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。其阻礙被蝕刻物之蝕刻速率(etching rate) 的因素有三：蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirri

27、ng) 之有無。定性而言，增加蝕刻溫度與加入攪拌，均能有效提升蝕刻速率；但濃度之阻礙則較不明確。舉例來講，以49%的 HF 蝕刻 SiO2,因此比 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)，關(guān)于一樣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板；substrate ) 的腐

28、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明顯差異。故一旦定義好蝕刻掩膜的圖案，暴露出來的區(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，故蝕刻液也開始對(duì)蝕刻掩膜圖案邊緣的底部，進(jìn)行蝕掏，這確實(shí)是所謂的下切或側(cè)向腐蝕現(xiàn)象(undercut)。該現(xiàn)象造成的圖案側(cè)向誤差與被蝕薄膜厚度同數(shù)量級(jí)

29、，換言之，濕蝕刻技術(shù)因之而無法應(yīng)用在類似次微米線寬的周密制程技術(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講明。然而自 1970 年代起，在諸如 Journal of Electro-Chemical Society 等期干Ll 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，專門是<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)再詳述

30、。2、干蝕刻干蝕刻是一類較新型，但迅速為半導(dǎo)體工業(yè)所采納的技術(shù)。其利用電漿(plasma) 來進(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；而干蝕刻采納的氣體，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。干蝕刻差不多上包括離子轟擊(ion-bombardment)W化學(xué)反應(yīng)(chemi cal reaction)兩部份蝕刻機(jī)制。偏離子轟擊效應(yīng)者使用僦氣 (argon),加 工出來之邊緣側(cè)向腐蝕現(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)

31、。干蝕刻法可直截了當(dāng)利用光阻作蝕刻之阻絕遮幕，不必另行成長阻絕遮幕之半導(dǎo)體材料。而其最重要的優(yōu)點(diǎn)，能兼顧邊緣側(cè)向腐蝕現(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)

32、加速后沖擊進(jìn)入晶圓表面，通過一段距離后，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)，故最高濃度的地點(diǎn)，不似熱擴(kuò)散法在表面上。只是因?yàn)樯疃葘ｉT淺，一樣依舊簡單認(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)來調(diào)整濃度分布，并對(duì)離子撞擊過的區(qū)域，進(jìn)行結(jié)構(gòu)之修補(bǔ)。差不多上，其為一低溫制程，故可直截了當(dāng)用光阻來定義植入的區(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進(jìn)行二氧化硅層之成長。至于其它如多晶硅(poly-silicon)、氮化硅(silicon-nitride)、鴇或銅金屬等薄膜材

33、料，要如何成長堆棧至硅晶圓上？差不多上仍是采納高溫爐管，只是因著不同的化學(xué)沉積過程，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)般敏銳。因此關(guān)于化學(xué)氣相沉積來講，如圖2-11 所示，提升制程溫度，容易把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。高溫成長之薄

34、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不同之殘留應(yīng)力(residual stress)。因此，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，在制程技術(shù)上面臨之咨詢題及難度也跟著提升。以下， 按著化學(xué)氣相沉積的研發(fā)歷程，分不簡介 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。欲成長之材料化學(xué)蒸氣自爐管上游平均流向硅晶，至于何以會(huì)沉積在硅晶表面，可簡單地以邊界層(boundary layer)

35、理論作定性講明：當(dāng)具黏性之化學(xué)蒸氣水平吹拂過硅芯片時(shí)，硅芯片與爐管壁一樣，差不多上固體邊界，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。因此差不多上，化學(xué)氣相沉積確實(shí)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)，薄膜之厚度平均性(thickness unif

36、ormity)不佳。2、低壓化學(xué)氣相沉積(Low Pressure CVD； 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平均性咨詢題；因?yàn)槠桨暹吔鐚幼稍冾}的假設(shè)已不合適，化學(xué)蒸氣在通過第一片晶圓后，黏性流場趕忙進(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)紛亂。在晶圓豎放于晶舟已不可免之情形下，降低化學(xué)蒸氣之環(huán)境壓力，是一個(gè)解決厚度平均性的可行之道。原先依定義黏性流特性之雷諾數(shù)觀看，動(dòng)力黏滯系數(shù)丫隨降壓而變小，如此一來雷諾

37、數(shù)激增，而使化學(xué)蒸氣流淌由層流(laminar flow)進(jìn)入紊流(turbulent flow)。有味的是紊流不易分離，換言之，其為一亂中有序之流淌，故盡管化學(xué)蒸氣變得稀薄，使沉積速度變慢，但其通過數(shù)十片重重的晶圓后，仍無分離逆流的現(xiàn)象，而保有厚度平均，甚至質(zhì)地致密的優(yōu)點(diǎn)。以800oC、 1 Torr 成長之 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 已解決厚度平均的咨詢題，但溫度仍太高，沉積速度也不夠快。為了先降低沉積溫度，

38、必須查找另一能量來源，供化學(xué)沉積之用。由于低壓關(guān)于厚度平均性的必要性，開發(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LPCVD 。以 350oC、 1 Torr 成長之 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) 前之愛護(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的電漿氣

39、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(evapor ation) 與濺鍍 (sputtering) 兩種。 PVD 差不多上都需要抽真空：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。一樣的機(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)，如：擴(kuò)散式幫浦(diffusionpump)、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。因此，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，確實(shí)是直截了當(dāng)將預(yù)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，然后慢慢蒸著至四周(包含晶圓)。因加熱鎢絲耐熱能力與供金屬