談半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程

nn半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程，做工藝 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(參見圖2-1)。 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： 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。) 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 (carrier channel)，影響半導(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(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材。既然說到晶體，顯然是經(jīng)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，硅原子便依照晶種晶向，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，還需經(jīng)過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。最后經(jīng)過粗磨 (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) 疊合而成。我們依米勒指針法 (Miller index)，可定義出諸如 ：100、111、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。 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。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，所以雖然得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與100晶面垂直！ 以下是訂購硅晶圓時(shí)，所需說明的規(guī)格：項(xiàng)目 說明 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，(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)，化學(xué)清洗蝕刻臺(tái)，(d)電漿真空腔室。其中(a)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，砷化鎵已解離釋放出砷?。┕柩趸瘜幽偷米?50 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；不過每生長出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維持恒定的趨勢，制程時(shí)間與成長厚度之重復(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。一般而言，很少成長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)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，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。 （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 (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)(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，表面濃度最高，并隨深度迅速減低，或是說表面濃度梯度 (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?；騿栐唬憾〝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。原來前擴(kuò)散的雜質(zhì)植入劑量很快達(dá)到飽和，即使拉長前擴(kuò)散的時(shí)間，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)，卻又營造出再一次前擴(kuò)散來增加雜質(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-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)紫外線敏感之聚合物，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 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)的分辨率越來越好，未來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。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吋大小的光罩來進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)曝光：一來電子束書寫機(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，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，即使晶圓大到6或8吋，但光罩大小還是小小的12吋見方，一則光罩制備快速，二則小面積對(duì)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(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150C下烘烤一段時(shí)間。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。但不可過干過硬，而妨礙后續(xù)的曝光顯影。 一般光阻涂布機(jī)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，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)成長填塞。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)、生成物離開表面等過程。所以整個(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)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，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 rate) 的因素有三：蝕刻液濃度、蝕刻液溫度、及攪拌 (stirring) 之有無。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。舉例來說，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)象造成的圖案側(cè)向誤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說明。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，尤其是方向，足足比或是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。 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)。 干蝕刻法可直接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)加速后沖擊進(jìn)入晶圓表面，經(jīng)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)，故最高濃度的地方，不似熱擴(kuò)散法在表面上。不過因?yàn)樯疃群軠\，一般還是簡單認(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)?；旧?，其為一低溫制程，故可直接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)、鎢或銅金屬等薄膜材料，要如何成長堆棧至硅晶圓上？ 基本上仍是采用高溫爐管，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)般敏感。所以對(duì)于化學(xué)氣相沉積來說，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，在制程技術(shù)上面臨之問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)蒸氣自爐管上游均勻流向硅晶，至于何以會(huì)沉積在硅晶表面，可簡單地以邊界層 (boundary layer) 理論作定性說明： 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，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；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均勻性問題；因?yàn)槠桨暹吔鐚訂栴}的假設(shè)已不合適，化學(xué)蒸氣在經(jīng)過第一片晶圓后，黏性流場立即進(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，如此一來雷諾數(shù)激增，而使化學(xué)蒸氣流動(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，而保有厚度均勻，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已解決厚度均勻的問題，但溫度仍太高，沉積速度也不夠快。為了先降低沉積溫度，必須尋找另一能量來源，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)，如：擴(kuò)散式幫浦 (diffusion pump)、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，熔融蒸發(fā)的金屬顆粒全擺在石墨或鎢質(zhì)坩堝 (crucible) 中。待金屬蒸氣壓超過臨界限度，也開始徐徐蒸著至四周 (包含晶圓)。電子槍式蒸鍍機(jī)可蒸著熔點(diǎn)較高的金屬，厚度也比較不受限制。 蒸鍍法基本上有所謂階梯覆披 (step coverage) 不佳的缺