半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程備課講稿

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

2、是潔凈室的來由。潔凈室的潔凈等級，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

3、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

4、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17.5MQ -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?99.8%以上的高

5、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)

6、 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

7、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

8、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） 3004

9、50 450600 550650 600750（ 2±5）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

10、，謹(jǐn)就筆者認(rèn)為較有趣的觀點(diǎn)，描繪一二?。ㄒ唬┭趸t）（ Oxidation ）對硅半導(dǎo)體而言，只要在高于或等于1050 C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 C左右，砷化鎵已解離釋放出砷?。┕柩趸瘜幽偷?住850C1050C的后續(xù)制程環(huán)境，系因?yàn)樵撗趸瘜邮窃谇笆龈叩臏囟?

11、成長；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

12、1500 埃已然足夠。（ 4）對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厚度仝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（

13、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

14、。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(tran sport phe nome na);質(zhì)量傳輸(mass transfer)、熱傳遞(heat transfer)、與動(dòng)量傳輸 (momentum transf

15、er;即卩 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

16、界條件(bou ndary con ditio ns)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

17、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)POCI3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

18、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

19、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（mask in g）,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）

20、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，女口 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 ），

21、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- l ith 】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。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

22、為七微米。3、對準(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)為一般的光罩對準(zhǔn)機(jī) (mask aligner，如圖2-7)。換言之，一片晶圓只需一次對準(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

23、采用步進(jìn)機(jī)(stepper)進(jìn)行對準(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) 十次對準(zhǔn)-曝光-移位的重復(fù)動(dòng)作。但即便如此，因每次對準(zhǔn) -曝 光I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 雙面對準(zhǔn)曝光對準(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的光阻，是采用旋轉(zhuǎn)離心(spin-coating)的方式涂 布上去。光阻涂布

24、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 )。送晶圓上真空吸附的轉(zhuǎn)臺(tái)，注入(dispe nsi ng)光阻，幵始由低轉(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

25、 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 對運(yùn)動(dòng)并不明顯，只是離心的徹體力效果

26、，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

27、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

28、 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)的同儕請教。一個(gè)選用濕蝕刻配方的重要觀念是選擇性 (selectivity) ， 精品文檔意指

29、進(jìn)行蝕刻時(shí)，對被蝕物去除速度與連帶對其他材質(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

30、蝕刻液接觸，故蝕刻液也開始對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，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<111>方向，足足比

31、 <100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個(gè)數(shù)量級！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

32、用氬氣 (argo n),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

33、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，并對離子撞擊過的區(qū)域，進(jìn)行結(jié) 構(gòu)之修補(bǔ)。 基本上， 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 (

34、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

35、度之變化，不像化學(xué)反應(yīng)般敏感。所以對于化學(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 (Atm

36、ospheric 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

37、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?問題的假設(shè)已不合適，化學(xué)蒸氣在經(jīng)過第一片晶

38、圓后，黏性流場立即進(jìn)入 分離(separati on)的狀態(tài)，逆壓力梯度 (reversed pressure gradie nt)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)V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)

39、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

40、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

41、 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