半导体工艺(精)

半导体的生产工艺流程

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一、洁净室

一般的机械加工是不需要洁净室(clean room)的，因为加工分辨率在数十微米以上，远比日常环境的微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工的世界，空间单位都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上精密导线布局的样式，造成电性短路或断路的严重后果。

为此，所有半导体制程设备，都必须安置在隔绝粉尘进入的密闭空间中，这就是洁净室的来由。洁净室的洁净等级，有一公认的标准，以class 10为例，意谓在单位立方英呎的洁净室空间内，平均只有粒径0.5微米以上的粉尘10粒。所以class后头数字越小，洁净度越佳，当然其造价也越昂贵。

为营造洁净室的环境，有专业的建造厂家，及其相关的技术与使用管理办法如下：

1、内部要保持大于一大气压的环境，以确保粉尘只出不进。所以需要大型鼓风机，将经滤网的空气源源不绝地打入洁净室中。

2、为保持温度与湿度的恒定，大型空调设备须搭配于前述之鼓风加压系统中。换言之，鼓风机加压多久，冷气空调也开多久。

3、所有气流方向均由上往下为主，尽量减少突兀之室内空间设计或机台摆放调配，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。

4、所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。

5、所有人事物进出，都必须经过空气吹浴(air shower) 的程序，将表面粉尘先行去除。

6、人体及衣物的毛屑是一项主要粉尘来源，为此务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣，除了眼睛部位外，均需与外界隔绝接触(在次微米制程技术的工厂内，工作人员几乎穿戴得像航天员一样。) 当然，化妆是在禁绝之内，铅笔等也禁止使用。

7、除了空气外，水的使用也只能限用去离子水(DI water, de-ionized water)。一则防止水中粉粒污染晶圆，二则防止水中重金属离子，如钾、钠离子污染金氧半(MOS) 晶体管结构之带电载子信道(carrier channel)，影响半导体组件的工作特性。去离子水以电阻率(resistivity) 来定义好坏，一般要求至17.5MΩ-cm以上才算合格；为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、与UV紫外线杀菌等重重关卡，才能放行使用。由于去离子水是最佳的溶剂与清洁剂，其在半导体工业之使用量极为惊人！

8、洁净室所有用得到的气源，包括吹干晶圆及机台空压所需要的，都得使用氮气(98%)，吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮！以上八点说明是最基本的要求，另还有污水处理、废气排放的环保问题，再再需要大笔大笔的建造与维护费用!

二、晶圆制作

硅晶圆(silicon wafer) 是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，显然是经过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky) 拉晶法(CZ 法)。拉晶时，将特定晶向(orientation) 的晶种(seed)，浸入过饱和的纯硅熔汤(Melt) 中，并同时旋转拉出，硅原子便依照晶种晶向，乖乖地一层层成长上去，而得出所谓的晶棒(ingot)。晶棒的阻值如果太低，代表其中导电杂质(impurity dopant) 太多，还需经过FZ悬浮区熔法法(floating-zone) 的再结晶(re-crystallization)，将杂质逐出，提高纯度与阻值。

辅拉出的晶棒，外缘像椰子树干般，外径不甚一致，需予以机械加工修边，然后以X 光绕射法，定出主切面(primary flat) 的所在，磨出该平面；再以内刃环锯，削下一片片的硅晶圆。最后经过粗磨(lapping)、化学蚀平(chemical etching) 与拋光(polishing) 等程序，得出具表面粗糙度在0.3微米以下拋光面之晶圆。(至于晶圆厚度，与其外径有关。) 刚才题及的晶向，与硅晶体的原子结构有关。硅晶体结构是所谓「钻石结构」(diamond-structure)，系由两组面心结构(FCC)，相距(1/4,1/4,1/4) 晶格常数(lattice constant；即立方晶格边长) 叠合而成。我们依米勒指针法(Miller index)，可定义出诸如：{100}、{111}、{110} 等晶面。所以晶圆也因之有{100}、{111}、{110}等之分野。有关常用硅晶圆之切边方向等信息，请参考图2-2。现今半导体业所使用之硅晶圆，大多以{100} 硅晶圆为主。其可依导电杂质之种类，再分为p型(周期表III族) 与n型(周期表V族)。由于硅晶外貌完全相同，晶圆制造厂因此在制作过程中，加工了供辨识的记号：亦即以是否有次要切面(secondary flat) 来分辨。该次切面与主切面垂直，p型晶圆有之，而n型则阙如。

{100}硅晶圆循平行或垂直主切面方向而断裂整齐的特性，所以很容易切成矩形碎块，这是早期晶圆切割时，可用刮晶机(scriber) 的原因(它并无真正切断芯片，而只在表面刮出裂痕，再加以外力而整齐断开之。)事实上，硅晶的自然断裂面是{111}，所以虽然得到矩形的碎芯片，但断裂面却不与{100}晶面垂直！

以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：项目说明

晶面{100}、{111}、{110} ±1o

外径(吋) 3 4 5 6

厚度(微米) 300~450 450~600 550~650 600~750(±25)

杂质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)

拋光面单面、双面

平坦度(埃) 300 ~ 3,000

三、半导体制程设备

半导体制程概分为三类：(1)薄膜成长，(2)微影罩幕，(3)蚀刻成型。设备也跟着分为四类：(a)高温炉管，(b)微影机台，(c)化学清洗蚀刻台，(d)电浆真空腔室。其中(a)~(c)机台依序对应(1)~(3)制程，而新近发展的第(d)项机台，则分别应用于制程(1)与(3)。

由于坊间不乏介绍半导体制程及设备的中文书籍，故本文不刻意锦上添花，谨就笔者认为较有趣的观点，描绘一二！

(一)氧化（炉）（Oxidation）

对硅半导体而言，只要在高于或等于1050℃的炉管中，如图2-3所示，通入氧气或水汽，自然可以将硅晶的表面予以氧化，生长所谓干氧层(dryz/gate oxide)或湿氧层(wet /field oxide)，当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中，最干净、单纯的一种；这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一（他种半导体，如砷化镓GaAs，便无法用此法成长绝缘层，因为在550℃左右，砷化镓已解离释放出砷！）硅氧化层耐得住850℃~ 1050℃的后续制程环境，系因为该氧化层是在前述更高的温度成长；不过每生长出1 微米厚的氧化层，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点：