半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程.doc

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-basedmicromachining)，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(cleanroom) 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

2、由。潔凈室的潔凈等級，有一公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，以 class10 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)然其造價也越昂貴。 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)計或機(jī)臺擺放調(diào)配，使粉塵在潔凈室內(nèi)

3、回旋停滯的機(jī)會與時間減至最低程度。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 (airshower)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 (DIwater,de-ionizedwater) 。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

4、道 (carrierchannel) ，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 (siliconwa

5、fer)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，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)(impuritydopant)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。三、半導(dǎo)體制程設(shè)備半導(dǎo)體制程

6、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， (c) 化學(xué)清洗蝕刻臺， (d) 電漿真空腔室。其中(a)(c)機(jī)臺依序?qū)?yīng)(1)(3)制程，而新近發(fā)展的第 (d) 項(xiàng)機(jī)臺，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

7、oxide) 或濕氧層 (wet/fieldoxide) ，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?550左右，砷化鎵已解離釋放出砷！ ）硅氧化層耐得住8501050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）后長的氧化層會穿透先前長的氧化層而堆積于上；

8、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。（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， 10001500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

9、者是在光阻定義阻絕下，泡入緩沖過的氫氟酸（BOE， BufferedOxideEtch ，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（surfaceprofileroralphastep），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，前者能同時輸出折射率 (refractiveindex ；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

10、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，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-njunction ）、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)

11、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 (transportphenomena) ；質(zhì)量傳輸 (masstransfer) 、熱傳遞 (heattransfer) 、與動量傳輸 (momentumtransfer ；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， 同時與擴(kuò)散時間 t 及擴(kuò)散深度 x 有關(guān)。換言之，在某擴(kuò)散瞬間 (t 固定

12、) ，雜質(zhì)濃度會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)散時間之增加而改變樣式， 往時間無窮大時， 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（ boundaryconditions ）施予，會產(chǎn)生不同之濃度分布外形 。固定表面濃度 (constantsurfaceconcentration)與固定表面攙雜量 (constantsurfacedosage) ，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

13、濃度解析解是所謂的互補(bǔ)誤差函數(shù) (complementaryerrorfunction) ，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)高溫爐管升至工作溫度后，把第二種定攙雜量的邊界條件，具有高斯分布的濃度解析解。對應(yīng)之?dāng)U散處理程序叫做 后驅(qū)入，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 (postdrive-in)(G

14、aussiandistribution)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.( 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 (positiveresist)，明暗互補(bǔ)者稱之負(fù)光阻(negativeresist)，如圖 2-6 所示。一般而言，

15、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)，改良為直接以計算機(jī)輔助設(shè)計制造 （ 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 )

16、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)臺為一般的光罩對準(zhǔn)機(jī) (maskaligner ，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

17、機(jī)在制備這樣大的光罩時，會耗損巨量的時間，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)動作。但即便如此，因每次對準(zhǔn)曝光移位僅費(fèi)時 1 秒左右，故一片晶圓的總曝光時間仍控制在 1 分鐘以內(nèi)，而保持了工廠的高投片率 (highthrough-put ；即單位時間內(nèi)完成制作之硅芯片數(shù)。 ）晶圓上微米厚度等級的

18、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，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

19、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

20、光阻在被涂布時， 其與周遭流體之相對運(yùn)動并不明顯， 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 (excimerlaser) 進(jìn)行曝光顯影后， 所得到較深遂的凹狀圖案

21、，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 (poormansLIGA) ，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。 整個蝕刻的時間， 等于是擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)兩部份所費(fèi)時間的總和。 二者之中孰者費(fèi)時較長， 整個蝕刻之快慢也卡在該者，故有所謂 reactionlimited 與 diffusionlimited 兩類蝕刻之分。1、濕蝕刻最普遍、也

22、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 (etchingrate) 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。一個選用濕蝕刻配方的重要觀念是選擇性 (sele

23、ctivity) ，意指進(jìn)行蝕刻時， 對被蝕物去除速度與連帶對其他材質(zhì)( 如蝕刻掩膜； etchingmask ，或承載被加工薄膜之基板；substrate)的腐蝕速度之比值。一個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 (isotropicetching)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。(2)非等向性蝕刻 (anisotropicetching)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 JournalofElectro-C

24、hemicalSociety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 0.001Torr 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-bombard

25、ment) 與化學(xué)反應(yīng) (chemicalreaction) 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(reactiveionetch；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 (IonImplantation

26、)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， 并對離子撞擊過的區(qū)域，進(jìn)行結(jié)構(gòu)之修補(bǔ)?；旧希?/p>

27、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 (ChemicalVaporDeposition；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，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(diffusio

28、n-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。高溫成長之薄膜，冷卻至常溫后，會產(chǎn)生因各基板與薄膜間熱脹縮程度不同之殘留應(yīng)力 (residualstress) 。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 (AtmosphericPr

29、essureCVD ； 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，至于何以會沉積在硅晶表面， 可簡單地以邊界層 (boundarylayer)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，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 ) ，會施予一拖曳外力，拖住化學(xué)蒸氣分子；同時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)

30、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 (transportphenomena)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(thicknessuniformity)不佳。2、低壓化學(xué)氣相沉積 (LowPressureCVD； 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

31、力梯度 (reversedpressuregradient) 會將下游的化學(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)蒸氣流動由層流 (laminarflow) 進(jìn)入紊流 (turbulentflow) 。有趣的是紊流不易分離， 換言之，其為一亂中有序之流動， 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、1Torr 成長之 LPCV

32、D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(PlasmaEnhancedCVD；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 100.001Torr 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、1Torr 成長之 PECVD氮化硅薄膜而言，

33、其耐磨之質(zhì)地適合 IC 最后切割包裝 (packaging) 前之保護(hù)層(passivationlayer)使用 ( 沉積速度約 5 分鐘 0.1 微米厚。 )PECVD與 RIE 兩機(jī)臺之運(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 (MetalDeposition)又稱物理鍍膜(PhysicalVaporDeposition；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

34、；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 10-610-7Torr 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(diffusionpump) 、渦輪式幫浦 (turbopump) 、或致冷式幫浦(cryogenicpump) ，才能達(dá)到 10-610-7Torr的真空程度。1、蒸鍍蒸鍍就加熱方式差異，分為電阻式 (thermalcoater) 與電子槍式 (E-gunevaporator) 兩類機(jī)臺。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

35、上， 一旦受熱熔融，因液體表面張力之故，會攀附在加熱鎢絲上，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(stepcoverage)不佳的缺點(diǎn)，如圖 2-12 所示。也就是說在起伏較劇烈的表面，蒸著金屬有斷裂不連續(xù)之虞。另外，多片晶圓的大面積鍍著也存在厚度均

36、勻的問題。為此，芯片之承載臺加上公自轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，便用于上述兩問題之改善。2、濺鍍?yōu)R鍍雖是物理鍍膜的方法，但與蒸發(fā)毫無關(guān)系。就如同將石頭丟入一灘泥沼中，會噴濺出許多泥漿般，濺鍍利用氬氣電漿，高速沖擊受鍍靶材 (target) ，因而將靶材表面附近材質(zhì)噴濺出來，落至晶圓之上。由于靶材是一整面而不是一點(diǎn)接受轟擊，所以噴濺出來的材質(zhì)，也有可能填塞到芯片表面階梯死角的部位，而比較沒有斷線不連續(xù)或所謂階梯披覆的問題。 濺鍍也依電漿受激之能量源不同，分為直流 (DC)與射頻 (RF) 兩種?；旧?，兩種濺鍍機(jī)都可鍍著金屬薄膜。但后者特別可以針對非金屬薄膜，如壓電 (piezoelectric) 或磁性材料，具

37、有絕緣、熔點(diǎn)高、成份復(fù)雜、對堆棧方式相當(dāng)敏感等智能型薄膜之鍍著特征。3、金屬薄膜圖形定義利用光蝕術(shù)定義妥之光阻，泡入適當(dāng)酸液中，可蝕出金屬線路，此與蒸鍍抑或?yàn)R鍍并無關(guān)連。然而部份金屬蝕液是堿液，如鉻，早期常用赤血鹽 - 氫氧化鉀溶液來定義圖案， 直接用光阻遮掩會失敗 ( 還沒蝕到底，光阻已經(jīng)溶散了！) ，所以必須多蒸著一層金，間接以碘化鉀 - 碘溶液定義出金之圖案后， 再以金之圖案來作掩膜，進(jìn)行鉻的腐蝕 ( 如此之繁復(fù)， 常使初學(xué)者暈頭轉(zhuǎn)向， 現(xiàn)在已經(jīng)有鉻金屬的蝕洗液 ) 。另一個令人更擾人的問題在于：酸液有側(cè)向侵蝕的現(xiàn)象，所以無法制作出次微米之金屬線。一般業(yè)界已使用垂直度極佳，然而價格極昂之干蝕刻機(jī)來解決這個問題( 價昂