半导体材料应用与研究

By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:1Photo:Rawmaterial:Reticle,PhotoResistEquipment:I-Line(MUV),DUV,EUV(Stepper,SCANNER)Vendors:Nikon,ASML2.Moduledefinition-PHOTOThePHOTOconceptwasgeneralOpticslithographytoreproducethespecificpatterns.TodaywedeployedtheUVExcimerlaserforthelight,AccordingtoOpticsprinciple,generallythewavelengthofthelightshouldbelessthanonetenthofhalfpitch,soifthetechnologyshrink,theExposurelightsourceshouldbepushedintodeeplyUVzone.By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:2Thin-Film:Rawmaterial:MetalTarget,ChemicalEquipment:Sputter,RTP,CVD(AP,PE,LP,SP,MO),ScubberVendors:AMAT,Novellus,TEL,ASM…..2.Moduledefinition-ThinFilmIngeneralwecansplittheThin-Filmintotwofield,oneisPhysicsdominated(PVD),theotherisChemicaldominated(CVD)ThePVDmeansthatnochemicalreactionassistedintheprocess,justsimplyacceleratedAratomtobombardthetargettoevaporatethetargetanddepositonthewafer,suchlikesSputter.TheCVDmeansthatthechemicalreactiononthewaferorchambertodepositafilmonthesurfaceCVDPVDChemicalreactionBy:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:3EtchRawmaterial:Solvent,ReactivegasEquipment:DryEtch(RIE),WetBench(ChemicalStation)Vendors:AMAT,Novellus,TEL,ASM…..2.Moduledefinition-ETCHIngeneralwecancallthatRIEinthetermofDryetching,thedryetchingwhichdominatedbythePhysicalIonbombardandchemicalreactionwiththesurfacetoevaporatedthebyproducts.ReactiveionbombardBy:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:4DiffusionRawmaterial:ChemicalGas,IsotopegasEquipment:Implanter,FurnaceVendors:Eaton,Varian,KE,TEL...2.Moduledefinition-DiffusionInthediffusion,there’retwomethodstodeliverthedopantintothesiliconwafer:.Implant:Toacceleratetheisotopeanddirectbombardthewafertodeliverthedopantintorightdepthwithrightconcentration..Furnace:Tousethermaldiffusionpotentialtodeliverthedopantintorightdepthwithrightconcentration.By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:5CMPRawmaterial:Slurry,polishpadEquipment:CMP(W-CMP,Oxide-CMP,Cu-CMP)Vendors:AMAT,COBAT,Strasbaugh2.Moduledefinition-CMPIngeneral,theCMPlikethepolisharts,butdeployedthechemical-mechanicalassistant.There’retwofactorsdominatedtheCMPprocess:.Firstischemicalhydrolysisslurrytohydrolyzethesurface,.Secondistheslurryabrasivetoremovethehydrolytewhichunderthemechanicaldominated.By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:6Notes:(1)BoxCenterrepresentsstartatPilotProductionSchedule.(2)BasedonlogicandeSRAMroadmap.(3)SIA=SemiconductorIndustryAssociationTSMC/UMC/SIATechnologyRoadMap19992000200120020.18µm0.15µmCu0.18µm0.13µmCu20032004SIA0.10µmCu0.07µmCu0.18µm0.13µmCu0.10µmCuTSMCUMCBy:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:7TechnologyRoadMapNote:(1)BoxCenterrepresentsPilotProductionSchedulebegins.1998199920002001eDRAM0.35µm0.25µm0.18µmLogiceSRAMMixed-Mode/RF0.15µm0.25µm0.18µmEmbeddedFlashMemory0.35µm0.25µm0.13µm0.18µmCu0.15µm0.25µm0.18µm0.13µmCu0.18µmBy:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:8磊晶（epitaxy）薄膜是純度極高的矽晶底層，用來在晶圓上形成一個非常均勻的晶體結構，以便增強半導體晶片的工作效能。在製造半導體晶片的時候，多晶矽（polysilicon）材料大都用於電晶體結構的一部份。氮化矽（siliconnitride）則是一種低壓化學氣相沉積的製程，用於半導體元件的電晶體成形過程，例如作為阻障層與蝕刻中止層的介電材料。在傳統的半導體製程中，這些薄膜都是在一個大型的批次式爐管設備中沉積，或稱為「成長」，不過隨著半導體元件的體積變得越來越小，電路結構又變得越來越複雜，對半導體製造商來說，單晶圓製程設備的優點（均勻性、製程控制.等等）顯得更加重要。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:9物理氣相沈積(PVD:PhysicalVaporDeposition)物理氣相沈積(PVD:PhysicalVaporDeposition)是一種物理製程而非化學製程，此技術一般使用氬等鈍氣，藉由在高真空中將氬離子加速以撞擊濺鍍靶材後，將靶材原子一個個濺擊出來，並使被濺擊出來的材質（通常為鋁、鈦或其合金）如雪片般沈積在晶圓表面。經由製程反應室內部的高溫與高真空環境，可使這些金屬原子結成晶粒，再透過微影圖案化（patterned）與蝕刻，得到半導體元件所要的導電電路。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:10在半導體製程中，蝕刻(Etch)被用來將某種材質自晶圓表面上移除。而乾式蝕刻（又稱為電漿蝕刻）則是目前最常使用的蝕刻方式，其以氣體為主要的蝕刻媒介，並藉由電漿能量來驅動反應。電漿對蝕刻製程有物理性與化學性兩方面的影響。首先，電漿會將蝕刻氣體分子分解，產生能快速蝕去材料的高活性分子。此外，電漿也會把這些化學成份離子化，使其帶有電荷。晶圓則是置於帶負電的陰極上，當帶正電荷的離子被陰極吸引，並加速向陰極方向前進時，其會以垂直角度撞擊到晶圓表面，晶片製造商即是運用此特性來獲得絕佳的垂直蝕刻。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:11快速高溫處理快速高溫處理（RTP：RapidThermalProcessing）為電晶體與電容成形過程中重要的步驟之一，可用來修正薄膜性質與製程結果。在此短暫且精確控制的高溫處理過程中，晶圓溫度可在短短10秒內自室溫快速升至1000℃高溫。快速高溫處理通常用於回火製程（annealing），負責控制元件內摻質原子之均勻度，也可用來進行矽化金屬，及透過高溫產生含矽化之化合物與矽化鈦等。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:12在所有半導體元件中，離子植入（IonImplant）是電晶體結構中一項相當重要的技術。在離子植入過程中，晶圓會受到被稱為摻質的帶電離子束撞擊，當摻質加速到獲得足夠的能量後，即可植入薄膜達到預定的深度，進而改變材料的性質，提供特定的電氣特性。離子植入製程可對植入區內的摻質濃度加以精密控制。基本上，摻質濃度（劑量）係由離子束電流（離子束內之總離子數）與掃瞄率（晶圓通過離子束之次數）來控制，而摻質植入的深度則由離子束能量的大小來決定。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:13化學機械研磨（CMP）化學機械研磨（CMP：ChemicalMachinePolishing）可移除晶圓表面的材質，讓晶圓表面變得更平坦，且具有研磨性物質的機械式研磨與酸鹼溶液的化學式研磨兩種作用，將可讓晶圓表面達到全面性的平坦化，以利後續薄膜沉積之進行。在化學機械研磨製程的硬體設備中，研磨頭被用來將晶圓壓在研磨墊上，並帶動晶圓旋轉，而研磨墊則以相反的方向旋轉。在進行研磨時，由研磨顆粒所構成的研漿會被置於晶圓與研磨墊間。影響化學機械研磨製程的變數有：研磨頭所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊的旋轉速度、研漿與研磨顆粒的化學成份、溫度、及研磨墊的材質與磨損性等等。By:Wen-JenLiuDate:04/30/2001page:14隨著薄膜測量技術迅速的發展，將薄膜量測、晶圓檢測與製程工具整合成為全方位的製程監控（PDC：ProcessDiagnosticsandControl）設備已成為未來的發展趨勢。整合後的檢測功能其優點在於：可以很快的找出問題，運用這些參數，在晶圓製程結束後，立刻採取更正措施，並用來自動調整製程設備的工作效能，及自動調整製程狀態，逐步實現完全半導體製造流程自動化的目標。