半導(dǎo)體工藝精

半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝流程--------------------------------------------------------------------------------一、干凈室普通的機械加工是不需要干凈室(cleanroom)的，由于加工分辨率在數(shù)十微米以上，遠比日常環(huán)境的微塵顆粒為大。但進入半導(dǎo)體組件或微細加工的世界，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重后果。為此，全部半導(dǎo)體制程設(shè)備，都必須安置在隔絕粉塵進入的密閉空間中，這就是干凈室的來由。干凈室的干凈等級，有一公認的原則，以class10為例，意謂在單位立方英呎的干凈室空間內(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，干凈度越佳，固然其造價也越昂貴。為營造干凈室的環(huán)境，有專業(yè)的建造廠家，及其有關(guān)的技術(shù)與使用管理方法以下：1、內(nèi)部要保持不不大于一大氣壓的環(huán)境，以確保粉塵只出不進。因此需要大型鼓風(fēng)機，將經(jīng)濾網(wǎng)的空氣源源不絕地打入干凈室中。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)機加壓多久，冷氣空調(diào)也開多久。3、全部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)計或機臺擺放調(diào)配，使粉塵在干凈室內(nèi)回旋停滯的機會與時間減至最低程度。4、全部建材均以不易產(chǎn)生靜電吸附的材質(zhì)為主。5、全部人事物進出，都必須通過空氣吹浴(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重要粉塵來源，為此務(wù)必嚴格規(guī)定進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同樣。)固然，化妝是在禁絕之內(nèi)，鉛筆等也嚴禁使用。7、除了空氣外，水的使用也只能限用去離子水(DIwater,de-ionizedwater)。一則避免水中粉粒污染晶圓，二則避免水中重金屬離子，如鉀、鈉離子污染金氧半(MOS)晶體管構(gòu)造之帶電載子信道(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，普通規(guī)定至17.5MΩ-cm以上才算合格；為此需動用多重離子交換樹脂、RO逆滲入、與UV紫外線殺菌等重重關(guān)卡，才干放行使用。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、干凈室全部用得到的氣源，涉及吹干晶圓及機臺空壓所需要的，都得使用氮氣(98%)，吹干晶圓的氮氣甚至規(guī)定99.8%以上的高純氮！以上八點闡明是最基本的規(guī)定，另尚有污水解決、廢氣排放的環(huán)保問題，再再需要大筆大筆的建造與維護費用!二、晶圓制作硅晶圓(siliconwafer)是一切集成電路芯片的制作母材。既然說到晶體，顯然是通過純煉與結(jié)晶的程序。現(xiàn)在晶體化的制程，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，硅原子便根據(jù)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，還需通過FZ懸浮區(qū)熔法法(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，需予以機械加工修邊，然后以X光繞射法，定出主切面(primaryflat)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(chemicaletching)與拋光(polishing)等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米下列拋光面之晶圓。(至于晶圓厚度，與其外徑有關(guān)。)剛剛題及的晶向，與硅晶體的原子構(gòu)造有關(guān)。硅晶體構(gòu)造是所謂「鉆石構(gòu)造」(diamond-structure)，系由兩組面心構(gòu)造(FCC)，相距(1/4,1/4,1/4)晶格常數(shù)(latticeconstant；即立方晶格邊長)疊合而成。我們依米勒指針法(Millerindex)，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)慣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似，晶圓制造廠因此在制作過程中，加工了供辨識的記號：亦即以與否有次要切面(secondaryflat)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潔的特性，因此很容易切成矩形碎塊，這是早期晶圓切割時，可用刮晶機(scriber)的因素(它并無真正切斷芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整潔斷開之。)事實上，硅晶的自然斷裂面是{111}，因此即使得到矩形的碎芯片，但斷裂面卻不與{100}晶面垂直！下列是訂購硅晶圓時，所需闡明的規(guī)格：項目闡明晶面{100}、{111}、{110}±1o外徑(吋)3456厚度(微米)300~450450~600550~650600~750(±25)雜質(zhì)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)微影機臺，(c)化學(xué)清洗蝕刻臺，(d)電漿真空腔室。其中(a)~(c)機臺依序?qū)?yīng)(1)~(3)制程，而新近發(fā)展的第(d)項機臺，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，謹就筆者認為較有趣的觀點，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，自然能夠?qū)⒐杈У谋砻嬗枰匝趸L所謂干氧層(dryz/gateoxide)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獲得優(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，由于在550℃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，系由于該氧化層是在前述更高的溫度成長；但是每生長出1微米厚的氧化層，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。下列是氧化制程的某些要點：（1）氧化層的成長速率不是始終維持恒定的趨勢，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；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，碰到的妨礙也越大。普通而言，極少成長2微米厚以上之氧化層。（3）干氧層重要用于制作金氧半（MOS）晶體管的載子信道（channel）；而濕氧層則用于其它較不嚴格講究的電性阻絕或制程罩幕（masking）。前者厚度遠不大于后者，1000~1500埃已然足夠。（4）對不同晶面走向的晶圓而言，氧化速率有異：普通在相似成長溫度、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，運用表面深淺量測儀（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）最為普遍及精確，前者能同時輸出折射率(refractiveindex；用以評定薄膜品質(zhì)之好壞)及起始厚度b與跳階厚度a(總厚度t=ma+b)，實際厚度(需擬定m之整數(shù)值)，仍需與制程經(jīng)驗配合以判讀之。后者則還必須事先懂得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，且有埃左右厚度即循環(huán)一次的特性。有經(jīng)驗者也可單憑顏色而判斷出大概的氧化層厚度。但是若超出1.5微米以上的厚度時，氧化層顏色便漸不明顯。(二)擴散(爐)(diffusion)1、擴散攙雜半導(dǎo)體材料可攙雜n型或p型導(dǎo)電雜質(zhì)來調(diào)變阻值，卻不影響其機械物理性質(zhì)的特點，是進一步發(fā)明出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)。而擴散是達成導(dǎo)電雜質(zhì)攙染的早期重要制程。眾所周知，擴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)皆是其實然的三種已知現(xiàn)象。本雜質(zhì)擴散即屬于質(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。由于是擴散現(xiàn)象，雜質(zhì)濃度C（concentration；每單位體積含有多少數(shù)目的導(dǎo)電雜質(zhì)或載子）服從擴散方程式以下：這是一條拋物線型偏微分方程式，同時與擴散時間t及擴散深度x有關(guān)。換言之，在某擴散瞬間(t固定)，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；另首先，這條濃度曲線，卻又隨著擴散時間之增加而變化樣式，往時間無窮大時，平坦一致的擴散濃度分布邁進！既然是擴散微分方程式，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)，是兩種常被討論的含有解析精確解的擴散邊界條件(參見圖2-4)：2、前擴散(pre-deposition)第一種定濃度邊界條件的濃度解析解是所謂的互補誤差函數(shù)(complementaryerrorfunction)，其對應(yīng)之?dāng)U散環(huán)節(jié)稱為「前擴散」，即我們普通理解之?dāng)U散制程；當(dāng)高溫爐管升至工作溫度后，把待擴散晶圓推入爐中，然后開始釋放擴散源(p型擴散源普通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)進行擴散。其濃度剖面外形之特性是雜質(zhì)集中在表面，表面濃度最高，并隨深度快速減低，或是說表面濃度梯度(gradient)值極高。3、后驅(qū)入(postdrive-in)第二種定攙雜量的邊界條件，含有高斯分布(Gaussiandistribution)的濃度解析解。對應(yīng)之?dāng)U散解決程序叫做「后驅(qū)入」，即普通之高溫退火程序；基本上只維持爐管的驅(qū)入工作溫度，擴散源卻不再釋放?；騿栐唬憾〝v雜量的起始邊界條件自何而來？答案是「前擴散」制程之成果；蓋先前「前擴散」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！至于為什么擴散要分成此二類環(huán)節(jié)，固然不是為了投數(shù)學(xué)解析之所好，而是因應(yīng)阻值調(diào)變之需求。原來「前擴散」的雜質(zhì)植入劑量很快達成飽和，即使拉長「前擴散」的時間，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)由表面往深處擴散)，卻又營造出再一次「前擴散」來增加雜質(zhì)植入劑量的機會。因此，借著多次重復(fù)的「前擴散」與「后驅(qū)入」，既能調(diào)變電性上之電阻率特性，又可變化雜質(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)計出所需導(dǎo)電區(qū)域之?dāng)U散程序。4、擴散之其它要點，簡述以下：(1)擴散制程有批次制作、成本低廉的好處，但在擴散區(qū)域之邊沿所在，有側(cè)向擴散的誤差，故限制其在次微米(sub-micron)制程上之應(yīng)用。(2)擴散之后的阻值量測，普通以四探針法（four-pointprobemethod）行之，示意參見圖2-5?，F(xiàn)在市面已有多個商用機臺可供選購。(3)擴散所需之圖形定義（pattern）及遮掩（masking），普通以氧化層（oxide）充之，以抵擋高溫之環(huán)境。一微米厚之氧化層，已足敷普通擴散制程之所需。(二)微影(Photo-Lithography)1、正負光阻光阻重要可分為正光阻及負光阻二種,正光阻就是被光照射的部份能夠被顯影液去除掉,而未曝光的光阻則不會被顯影液去除(左邊)。而負光阻則相反,被光照射的部份不會被顯影液去除,而其它不被光所照射的區(qū)域?qū)伙@影液所去除(右邊)。微影光蝕刻術(shù)來源于攝影制版的技術(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。原理即運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）中與否被蝕除，而最后留下與遮掩罩幕，即光罩（mask）相似或明暗互補之圖形；相似者稱之「正光阻」(positiveresist)，明暗互補者稱之「負光阻」(negativeresist)，如圖2-6所示。普通而言，正光阻，如AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L等，其分辨率及邊沿垂直度均佳，但易變質(zhì)，儲存期限也較短(約六個月到一年之間)，慣用于學(xué)術(shù)或研發(fā)單位；而負光阻之邊沿垂直度較差，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，是微影之核心技術(shù)。其制作方式經(jīng)幾十年之演進，已由分辨率差的縮影機(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，在具光阻之石英玻璃板上進行書寫(曝光)，分辨率(最小線寬)也改善到微米的等級。由于激光打印機的分辨率越來越好，將來某些線寬較粗的光罩可望直接以打印機出圖。舉例而言，3386dpi的出圖機，最小線寬約為七微米。3、對準機/步進機在學(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，配合使用之光罩原來就不大。因此搭配使用之硅晶圓曝光機臺為普通的「光罩對準機」(maskaligner，如圖2-7)。換言之，一片晶圓只需一次對準曝光，便可進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吋大小的光罩來進行對準曝光：一來電子束書寫機在制備這樣大的光罩時，會耗損巨量的時間，極不劃算；二來，大面積光罩進行光蝕刻曝光前與晶圓之對準，要因應(yīng)大面積精密定位及防震等問題，極為棘手！因此工業(yè)界多采用步進機（stepper）進行對準曝光；也就是說，即使晶圓大到6或8吋，但光罩大小還是小小的1~2吋見方，一則光罩制備快速，二則小面積對準的問題也比較少；只是要曝滿整片晶圓，要花上數(shù)十次「對準→曝光→移位」的重復(fù)動作。但即便如此，因每次「對準→曝光→移位」僅費時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)完畢制作之硅芯片數(shù)。）圖2-7雙面對準曝光對準系統(tǒng)(國科會北區(qū)微機電系統(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。光阻涂布機如圖2-8所示。其典型程序涉及：(1)晶圓表面前解決(pre-baking)：即在150°C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)速甩出多出的光阻并均布之，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，避免沾粘。但不可過干過硬，而妨礙后續(xù)的曝光顯影。普通光阻涂布機的涂布成果是厚度不均。特別在晶圓邊沿部份，可能厚達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，普通注入光阻的劑量，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；由于甩到晶圓外的光阻中有機溶劑快速揮發(fā)逸散，成分大變，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，稱為GYRSET?，如圖2-9所示，其賣點在于強調(diào)可減少二分之一的光阻用量，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)臺上加裝了跟著同時旋轉(zhuǎn)的蓋子。如此一來，等于強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，其與周遭流體之相對運動并不明顯，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)實際使用顯示，GYRSET?只需普通涂布機的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，而不會造成邊沿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，通過嚴格的烘干程序，再以紫外線或準分子雷射(excimerlaser)進行曝光顯影后，所得到較深遂的凹狀圖案，可供進一步精密電鑄(electro-forming)的金屬微構(gòu)造成長填塞。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)蝕刻的機制，按發(fā)生次序可概分為「反映物靠近表面」、「表面氧化」、「表面反映」、「生成物離開表面」等過程。因此整個蝕刻，包含反映物靠近、生成物離開的擴散效應(yīng)，以及化學(xué)反映兩部份。整個蝕刻的時間，等于是擴散與化學(xué)反映兩部份所費時間的總和。兩者之中孰者費時較長，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、也是設(shè)備成本最低的蝕刻辦法，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，固然比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化學(xué)的專業(yè)，對于普通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。一種選用濕蝕刻配方的重要觀念是「選擇性」(selectivity)，意指進行蝕刻時，對被蝕物去除速度與連帶對其它材質(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。一種含有高選擇性的蝕刻系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)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，對蝕刻接觸點之任何方向腐蝕速度并無明顯差別。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，蝕刻掩膜圖案邊沿的部位漸與蝕刻液接觸，故蝕刻液也開始對蝕刻掩膜圖案邊沿的底部，進行蝕掏，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(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闡明。然而自1970年代起，在諸如JournalofElectro-ChemicalSociety等期刊中，發(fā)表了許多有關(guān)堿性或有機溶液腐蝕單晶硅的文章，其特點是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大，特別是<111>方向，足足比<100>或是<110>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加工時再詳述。2、干蝕刻干蝕刻是一類較新型，但快速為半導(dǎo)體工業(yè)所采用的技術(shù)。其運用電漿【等離子體】(plasma)來進行半導(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，均能達成蝕刻的目的。干蝕刻基本上涉及「離子轟擊」(ion-bombardment)與「化學(xué)反映」(chemicalreaction)兩部份蝕刻機制。偏「離子轟擊」效應(yīng)者使用氬氣(argon)，加工出來之邊沿側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微。而偏「化學(xué)反映」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，可快速與芯片表面材質(zhì)反映。干蝕刻法可直接運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，能兼顧邊沿側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高蝕刻率兩種優(yōu)點，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)的規(guī)定，而正被大量使用中。(四)離子植入(IonImplantation)在擴散制程的末尾描述中，曾題及擴散區(qū)域之邊沿所在，有側(cè)向擴散的誤差，故限制其在次微米制程上之應(yīng)用。但誠如干蝕法補足濕蝕法在次微米制程能力局限性同樣，此地另有離子植入法，來進行圖案更精細，濃度更為稀少精確的雜值攙入。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)，故最高濃度的地方，不似熱擴散法在表面上。但是由于深度很淺，普通還是簡樸認定大部份離子是攙雜在表面上，然后進一步運用驅(qū)入（drive-in）來調(diào)節(jié)濃度分布，并對離子撞擊過的區(qū)域，進行構(gòu)造之修補?；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(ChemicalVaporDeposition；CVD)到現(xiàn)在為止，只談到以高溫爐管來進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、壓力與反映氣體，統(tǒng)稱為「化學(xué)氣相沉積」。既是化學(xué)反映，故免不了「質(zhì)量傳輸」與「化學(xué)反映」兩部份機制。由于化學(xué)反映隨溫度呈指數(shù)函數(shù)之變化，故當(dāng)高溫時，快速完畢化學(xué)反映。換言之，整體沉積速率卡在質(zhì)量傳輸(diffusion-limited)；而此部份事實上隨溫度之變化，不像化學(xué)反映般敏感。因此對于化學(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缺點：高溫制程環(huán)境所需電力成本較高。安排次序較背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)。因此，低制程溫度仍是化學(xué)氣相沉積追求的目的之一，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。下列，按著化學(xué)氣相沉積的研發(fā)歷程，分別介紹「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(AtmosphericPressureCVD；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，可簡樸地以邊界層(boundarylayer)理論作定性闡明：當(dāng)具黏性之化學(xué)蒸氣水平吹拂過硅芯片時，硅芯片與爐管壁同樣，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，來供應(yīng)被拖住之化學(xué)蒸氣分子在芯片表面完畢薄膜材質(zhì)解離析出之所需能量。因此基本上，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；由于平板邊界層問題的假設(shè)已不適宜，化學(xué)蒸氣在通過第一片晶圓后，黏性流場立刻進入分離(separation)的狀態(tài)，逆壓力梯度(reversedpressuregradient)會將下游的化學(xué)蒸氣帶回上游，而一團混亂。在晶圓豎放于晶舟已不可免之狀況下，減少化學(xué)蒸氣之環(huán)境壓力，是一種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)ν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，而保有厚度均勻，甚至質(zhì)地致密的優(yōu)點。以800oC、1Torr成長之LPCVD氮化硅薄膜而言，其質(zhì)地極為堅硬耐磨，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。為了先減少沉積溫度，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10~0.001Torr下)，正好補足低溫環(huán)境下供能局限性的毛病，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，其耐磨之質(zhì)地適合IC最后切割包裝(packaging)前之保護層(passivationlayer)使用(沉積速度約5分鐘0.1微米厚。)PECVD與RIE兩機臺之運作原理極為相似，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似。(六)金屬鍍膜(MetalDeposition)又稱物理鍍膜(PhysicalVaporDeposition；PVD)，依原理分為蒸鍍【蒸發(fā)】(evaporation)與濺鍍【濺射】(sputtering)兩種。PVD基本上都需要抽真空：前者在10-6~10-7Torr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)殘存空氣抽除，也是要抽到10-6~10-7Torr的程度。普通的機械式抽氣幫浦，只能抽到10-3Torr的真空度，之后須再串接高真空幫浦(機械式幫浦當(dāng)作接觸大氣的前級幫浦)，如：擴散式幫浦(diffusionpump)、渦輪式幫浦(turbopump)、或致冷式幫浦(cryogenicpump)，才干達成10-6~10-7Torr的真空程度。固然，不同的真空幫浦規(guī)范牽涉到不同原理之壓力計、管路設(shè)計、與價格。1、蒸鍍蒸鍍就加熱方式差別，分為電阻式(thermalcoater)與電子槍式(E-gunevaporator)兩類機臺。前者在原理上較容易，就是直接將準備熔融蒸發(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，會攀附在加熱鎢絲上，然后漸漸蒸著至四周