半导体制程及原理介绍

制程及原理概述半导体工业的制造方法是在硅半导体上制造电子元件(产品包括:动态存储器、静态记亿体、微虚理器…等)，而电子元件之完成则由精密复杂的集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)所组成；IC之制作过程是应用芯片氧化层成长、微影技术、蚀刻、清洗、杂质扩散、离子植入及薄膜沉积等技术，所须制程多达二百至三百个步骤。随着电子信息产品朝轻薄短小化的方向发展，半导体制造方法亦朝着高密度及自动化生产的方向前进;而IC制造技术的发展趋势，大致仍朝向克服晶圆直径变大，元件线幅缩小，制造步骤增加，制程步骤特殊化以提供更好的产品特性等课题下所造成的良率控制因难方向上前进。半导体业主要区分为材料(硅品棒)制造、集成电路晶圆制造及集成电路构装等三大类，范围甚广。目前国内半导体业则包括了后二项，至于硅晶棒材料仍仰赖外国进口。国内集成电路晶圆制造业共有11家，其中联华、台积及华邦各有2个工厂，总共14个工厂，目前仍有业者继纸扩厂中，主要分布在新竹科学园区，年产量逾400万片。而集成电路构装业共有20家工厂，遍布于台北县、新竹县、台中县及高雄市，尤以加工出口区为早期半导体于台湾设厂开发时之主要据点。年产量逾20亿个。原理简介一般固体材料依导电情形可分为导体、半导体及绝缘体。材料元件内自由电子浓度(n值)与其传导率成正比。良好导体之自由电子浓度相当大(约1028个e-/m3)，绝缘体n值则非常小(107个e-/m3左右)，至于半导体n值则介乎此二值之间。半导体通常采用硅当导体，乃因硅晶体内每个原子贡献四个价电子，而硅原子内部原子核带有四个正电荷。相邻原子间的电子对，构成了原子间的束缚力，因此电子被紧紧地束缚在原子核附近，而传导率相对降低。当温度升高时，晶体的热能使某些共价键斯键，而造成传导。这种不完全的共价键称为电洞，它亦成为电荷的载子。如图1.l(a),(b)于纯半导体中，电洞数目等于自由电子数，当将少量的三价或五价原子加入纯硅中，乃形成有外质的(extrinsic)或掺有杂质的(doped)半导体。并可分为施体与受体，分述如下：1.施体(N型)当掺入的杂质为五价电子原子(如砷)，所添入原子取代硅原子，且第五个价电子成为不受束缚电子，即成为电流载子。因贡献一个额外的电子载子，称为施体(donor)，如图1.l(C)。2.受体(P型)当将三价的杂质(如硼)加入纯硅中，仅可填满三个共价键，第四个空缺形成一个电洞。因而称这类杂质为受体(acceptor)，如图1.l(d)。半导体各种产品即依上述基本原理，就不同工业需求使用硅晶圆、光阻剂、显影液、酸蚀刻液及多种特殊气体为制程申的原料或添加物等，以完成复杂的集成电路制作。图1.1半导体构造组成制造流程半导体工业所使用之材料包含单一组成的半导体元素，如硅(Si)、锗(Ge)(属化学周期表上第四族元素)及多成分组成的半导体含二至三种元素，如镓砷(GaAs)半导体是由第三族的镓与第五族的砷所组成。在1950年代早期，锗为主要半导体材料，但锗制品在不甚高温情况下，有高漏失电流现象。因此，1960年代起硅晶制品取代锗成为半导体制造主要材料。半导体产业结构可区分为材料加工制造、晶圆之集成电路制造(waferfabrication)(中游)及晶圆切割、构装(waferpackage)等三大类完整制造流程，如图1.2所示。其中材料加工制造，是指从硅晶石原料提炼硅多晶体(polycrystallinesilicon)直到晶圆(wafer)产出，此为半导体之上游工业。此类硅芯片再经过研磨加工及多次磊晶炉(Epitaxialreactor)则可制成研磨晶圆成长成为磊晶晶圆，其用途更为特殊，且附加价值极高。其次晶圆之体积电路制造，则由上述各种规格晶圆，经由电路设计、光罩设计、蚀刻、扩散等制程，生产各种用途之晶圆，此为中游工业。而晶圆切割、构装业系将制造完成的晶圆，切割成片状的晶粒(dice)，再经焊接、电镀、包装及测试后即为半导体成品。图1.2半导体产业结构上、中、下游完整制造流程制程单元集成电路的制造过程主要以晶圆为基本材料，经过表面氧化膜的形成和感光剂的涂布后，结合光罩进行曝光、显像，使晶圆上形成各类型的电路，再经蚀刻、光阻液的去除及不纯物的添加后，进行金属蒸发，使各元件的线路及电极得以形成，最后进行晶圆探针检测;然后切割成芯片，再经粘着、连线及包装等组配工程而成电子产品。各主要制程单元概述如下：氧化与模附着原料晶圆在投入制程前，本身表面涂有2μm厚的AI2O3，与甘油混合溶液保护之，晶圆的表面及角落的污损区域则藉化学蚀刻去除。为制成不同的元件及集成电路，在芯片长上不同的薄层，这些薄层可分为四类:热氧化物，介质层，硅晶聚合物及金属层。热氧化物中重要的薄层有闸极氧化层(gateoxide;与场氧化层(fieldoxide)，此二层均由热氧化程序制造。以下二化学反应式描述硅在氧或水蒸气中的热氧化：Si(固体)+O2(气体)→SiO2(固体)Si(固体)+2H2O(气体)→SiO2(固体)+2H2(气体)现代集成电路程序中，以氯介入氧化剂来改善氧化层的质量及Si-SiO2，接合面的性质。氯包含在氯气、氯化氢HCl或二氯乙烷中，其将Si-SiO2，接合面的杂质反应成挥发性氯化物，多余的氯会增加介质的崩溃强度，减低接合面缺陷密度。介电质附着层主要用来隔离及保护不同种类元件及集成电路。三种常用的附着方法是:大气压下化学蒸气附着(CVD)，低压化学蒸气附着(LPCVD)及电浆化学蒸气附着(PCVD，或电浆附着)。化学蒸气附着生成约二氧化硅并不取代热生长的氧化层，因为后者具有较佳的电子性质。二氧化硅层可使用不同的附着方法，其中低温附着(300~500℃)之氧化层由硅烷、杂质及氧气形成。植入磷之二氧化硅的化学反应为SiH4+O2→SiO2+2H24PH3+5O2→2P2O5+6H2于中等温度(500~800℃)的附着，二氧化硅由四乙经基硅，Si(OC2H5)4，在LPCVD反应器中分解形成。其分解反应为：Si(OC2H5)4→SiO2+副产物高温附着(900℃)，二氧化硅由二氯硅烷(SiCl2H2)与笑气(N2O)在低压下形成：SiCl2H2+2N2O→SiO+2N2+2HCI氮化硅层可用作保护元件，方可作为硅氧化作用时的遮蔽层，覆盖不欲氧化的硅晶部分，氮化硅的附着是在中等温度(750℃)LPCVD程序或低温(300℃)电浆CVD程序中形成。LPCVD程序中，二氯硅烷与氨在减压下，700~800℃间，反应生成氮化硅附着，反应式为：SiCl2H2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2电浆PCVD程序中，氮化硅由硅烷与氨在氢电桨中反应或是硅烷在放电氮气中生成，反应式如下：SiH4+NH3→SiNH+3H22SiH4+H2→2SiNH十3H2硅晶聚合物，或称聚合硅，在MetalOxideSemiconductor(MOS)元件中用作闸极接线材料;多层金属处理中当作导电材料;低能阶接面元件中为接触材料。方可作为扩散来源，生成低能阶接面及硅晶体的欧姆接触。其他用途包括电容及高电阻的制作。低压反应器在600~650℃间操作，将硅烷热解生成硅聚合体，反应式如下：SiH4→Si+2H2金属层如铝及硅化物用来形成低电阻连接N+、P+及硅聚合物层的金属接触，及整流作用的金属一半导体能障。金属处理包含内部联线、欧姆接触及整流金属二半导体接触等金属层的形成。金属层可用不同方法镀上，最重要的方法为物理蒸气附着及化学蒸气附着，铝与其合金以及硅化金属为两种最重要的金属。在金属处理中，化学蒸气附着(CVD)提供相当优良的同型阶梯涵盖层，且一次可制成大量晶圆。最新的集成电路cVD金属附着是应用于难熔金属的附着。以钨为例其热解及还原的化学反应式：WF6→W+3F2WF6+3H2→W+6HF其他金属如钼(MO)，钽(Ta)，及钛(Ti)都可应用于集成电路。这些金属的附着皆是在LPCVD反应器中进行下列氢还原反应:2MCl5+5H2→2M+10HClM代表金属Mo,Ta,Ti。铝附着亦可使用有机金属，如三异丁烷铝:2{(CH3)2CHCH2}3Al→2Al+3H2+副产物集成电路金属处理量最大的是铝及其合金，因为两者具备低电阻系数(Al为2.7μΩ-cm，合金为3.5μΩ-cm)，符合低电阻的要求。硅化物如TiSi2及TaSi2，，其低电阻系数(≦50μΩ-cm)，且在整个集成电路程序中不失原有性质，表列出不同硅化物的电阻系数。表1.1硅化物电阻系数(300°K)硅化物来源烧结温度(。c)电阻系数(μΩ-cm)CoSil2硅聚合体金属附着共溅射合金90090018-2025HfSi2硅聚合体金属附着90045~50MoSi2共溅射合金I000100NiSi2硅聚合体金属附着共浅射合金9009005050~60Pd2Si硅聚合体金属附着40030~50PtSi硅聚合体金属附着600~80028~35TaSi2硅聚合体金属附着共溅射合金1000100035~4550~55TiSi2硅聚合体金屏附着共溅射合金90090013~1625Wsi2共溅射合金I00070ZrSi2硅聚合体金属附着90035~40扩散与离子植入扩散及离子植入是用来控制半导体中杂质量的关键程序。扩散方法是使用植入杂质或杂质的氧化物作气相附着，将杂质原子植入半导体晶圆的表面附近区域。杂质浓度由表面成单调递减，杂质的分布固形取决于温度及扩散时间。离子植入程序中，杂质是以高能呈离子束植入半导体中。植入杂质的浓度在半导体内存在一高峰，杂质的分布图形取决于离子的质量与植入能量。离子植入程序的优点在于杂质量的精确控制，杂质分布的再重整，以及低温下操作。扩散与离子植入之比较如图1.3所示。杂质的扩散基本上是将半导体晶圆置于熔炉中，然后以带杂质原子的惰性气体通过。于硅扩散作用中，最常使用的杂质为硼、砷及磷，这三种元素在硅中的溶解度相当高。杂质的来源包含数种，有固体来源(BN，AS2O3及P2O3)，液体来源(BBr3、AsCl3及POCl3)，气体来源(B2H6、AsH3、及PH3)。通常，以上物质由惰性气体(如N，)输送至半导体表面而发生还原反应。固体来源的化学反应式如下反应时会往硅表面形成氧化层。2As2O3+3Si→4As+3SiO2离子植入是将高能量之带电粒子射入硅基晶中。半导体中离子植入的实际应用改变了基晶层的电子性质。植入杂质浓度在1011~1016离子/cm2。杂质浓度的表示法是半导体单位表面积1cm2所植入的离子数目。图1.3使用扩散与离子植入技术将杂质植入半导体基晶中的比较印刻与蚀刻印刻是在覆盖半导体芯片表面的光敏感材料薄层(称为光阻)印上几何铸型。不同的光阻铸型不止一次的印刻在晶层上，以形成元件图样。再经蚀刻程序获得各不同区，以便进行植入、扩散等前几节所叙述的步骤。表1.2所列为IC印刻方法及对应使用之光阻成分。表1.2IC印刻方法及对应使用之光阻成分电子束印刻正光阻PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)，PBS(聚丁稀讽)。负光阻COP(缩水甘油丙烯酸甲脂与乙基丙稀酸酯共相聚合物)光学(uv)印刻负光阻硒化铐和银覆盖层X光印刻负光阻DCOPA(W烯(二氡丙基)酸及缩水廿油甲基丙烯酸酯一土二基丙烯酸酯)离子束光阻正光阻PMMA光阻化合物对辐射具敏感性，可区分为正光阻及负光阻。正光阻经过光照后，曝光区可以化学物质(去光阻剂或显影液)溶解除去；负光阻正好相反。正光阻的组成有三：对光敏感化合物、树脂及有机溶剂。负光阻是含光敏感组成的高分子。表1.3列出了商业上常用的IC印刻种类及其光阻型式。表1.3IC印刻种类及其光阻型式印刻种类型式敏感度光学Kodak747AZ-1350JPR102负正正9mJ/cm290mJ/cm2140mJ/cm2电子束COPGeSePBSPMMA负负正正0.3μC/cm280μC/cm21μC/cm250μC/cm2X光COPDCOPAPBSPMMA负负正正175mJ/cm210mJ/cm295mJ/cm2l000mJ/cm2晶圆上光阻后，经曝光处理，再由显影液将曝光区的正