谈半导体的生产工艺流程模板.doc
《谈半导体的生产工艺流程模板.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《谈半导体的生产工艺流程模板.doc(13页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、nn半导体生产工艺步骤,做工艺 一、洁净室 通常机械加工是不需要洁净室(clean room),因为加工分辨率在数十微米以上,远比日常环境微尘颗粒为大。但进入半导体组件或微细加工世界,空间单位全部是以微米计算,所以微尘颗粒沾附在制作半导体组件晶圆上,便有可能影响到其上精密导线布局样式,造成电性短路或断路严重后果。 为此,全部半导体制程设备,全部必需安置在隔绝粉尘进入密闭空间中,这就是洁净室来由。洁净室洁净等级,有一公认标准,以class 10为例,意谓在单位立方英呎洁净室空间内,平均只有粒径0.5微米以上粉尘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(参见图2-1)。
2、为营造洁净室环境,有专业建造厂家,及其相关技术和使用管理措施以下: 1、内部要保持大于一大气压环境,以确保粉尘只出不进。所以需要大型鼓风机,将经滤网空气源源不绝地打入洁净室中。 2、为保持温度和湿度恒定,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、全部气流方向均由上往下为主,尽可能降低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机会和时间减至最低程度。 4、全部建材均以不易产生静电吸附材质为主。 5、全部些人事物进出,全部必需经过空气吹浴 (air shower) 程序,将表面粉尘先行去除。 6、人体及衣物毛屑是一项关键粉尘起源,为此
3、务必严格要求进出使用人员穿戴无尘衣,除了眼睛部位外,均需和外界隔绝接触 (在次微米制程技术工厂内,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,铅笔等也严禁使用。 7、除了空气外,水使用也只能限用去离子水 (DI water, de-ionized water)。一则预防水中粉粒污染晶圆,二则预防水中重金属离子,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),影响半导体组件工作特征。去离子水以电阻率 (resistivity) 来定义好坏,通常要求至17.5M-cm以上才算合格;为此需动用多重离子交换树脂、RO逆渗透、和UV紫外线
4、杀菌等重重关卡,才能放行使用。因为去离子水是最好溶剂和清洁剂,其在半导体工业之使用量极为惊人! 8、洁净室全部用得到气源,包含吹干晶圆及机台空压所需要,全部得使用氮气 (98%),吹干晶圆氮气甚至要求99.8%以上高纯氮! 以上八点说明是最基础要求,另还有污水处理、废气排放环境保护问题,再再需要大笔大笔建造和维护费用! 二、晶圆制作 硅晶圆 (silicon wafer) 是一切集成电路芯片制作母材。既然说到晶体,显然是经过纯炼和结晶程序。现在晶体化制程,大多是采柴可拉斯基(Czycrasky) 拉晶法 (CZ法)。拉晶时,将特定晶向 (orientation) 晶种 (seed),浸入过饱和
5、纯硅熔汤 (Melt) 中,并同时旋转拉出,硅原子便依据晶种晶向,乖乖地一层层成长上去,而得出所谓晶棒 (ingot)。晶棒阻值假如太低,代表其中导电杂质 (impurity dopant) 太多,还需经过FZ法 (floating-zone) 再结晶 (re-crystallization),将杂质逐出,提升纯度和阻值。 辅拉出晶棒,外缘像椰子树干般,外径不甚一致,需给予机械加工修边,然后以X光绕射法,定出主切面 (primary flat) 所在,磨出该平面;再以内刃环锯,削下一片片硅晶圆。最终经过粗磨 (lapping)、化学蚀平 (chemical etching) 和拋光 (poli
6、shing) 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,和其外径相关。) 刚才题及晶向,和硅晶体原子结构相关。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。相关常见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
7、电杂质之种类,再分为p型 (周期表III族) 和n型 (周期表V族)。因为硅晶外貌完全相同,晶圆制造厂所以在制作过程中,加工了供辨识记号:亦即以是否有次要切面 (secondary flat) 来分辨。该次切面和主切面垂直,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特征,所以很轻易切成矩形碎块,这是早期晶圆切割时,可用刮晶机 (scriber) 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。)实际上,硅晶自然断裂面是111,所以即使得到矩形碎芯片,但断裂面却不和100晶面垂直! 以下是订购硅晶圆时,所需说明规格:项目 说明 晶面 100
8、、111、110 1o 外径(吋) 3 4 5 6 厚度(微米) 300450 450600 550650 600750(25) 杂质 p型、n型 阻值(-cm) 0.01 (低阻值) 100 (高阻值) 制作方法 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,化学清洗蚀刻台,(d)电浆真空腔室。其中(a)机台依序对应(1)(3)制程,而新近发展第(d)项机台,则分别应用于制程(1)和(3)。 因为坊间不乏介绍半导体制程及
9、设备汉字书籍,故本文不刻意锦上添花,谨就笔者认为较有趣见解,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炉管中,图2-3所表示,通入氧气或水汽,自然能够将硅晶表面给予氧化,生长所谓干氧层(dryz/gate oxide)或湿氧层(wet /field oxide),看成电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中,最洁净、单纯一个;这也是硅晶材料能够取得优势特征之一(她种半导体,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后续制程环境,系因为该氧化层是在前述更高温度成长
10、;不过每生长出1 微米厚氧化层,硅晶表面也要消耗掉0.44微米厚度。 以下是氧化制程部分关键点: (1)氧化层成长速率不是一直维持恒定趋势,制程时间和成长厚度之反复性是较为关键之考量。 (2)后长氧化层会穿透先前长氧化层而堆积于上;换言之,氧化所需之氧或水汽,势必也要穿透先前成长氧化层到硅质层。故要生长更厚氧化层,碰到阻碍也越大。通常而言,极少成长2微米厚以上之氧化层。 (3)干氧层关键用于制作金氧半(MOS)晶体管载子信道(channel);而湿氧层则用于其它较不严格讲究电性阻绝或制程罩幕(masking)。前者厚度远小于后者,1000 1500埃已然足够。 (4)对不一样晶面走向晶圆而言,
11、氧化速率有异:通常在相同成长温度、条件、立即间下,111厚度110厚度100厚度。 (5)导电性佳硅晶氧化速率较快。 (6)适度加入氯化氢(HCl)氧化层质地较佳;但因轻易腐蚀管路,已渐少用。 (7)氧化层厚度量测,可分破坏性和非破坏性两类。前者是在光阻定义阻绝下,泡入缓冲过氢氟酸(BOE,Buffered Oxide Etch,系 HF和NH4F以1:6百分比混合而成腐蚀剂)将显露出来氧化层去除,露出不沾水硅晶表面,然后去掉光阻,利用表面深浅量测仪(surface profiler or alpha step),得到有没有氧化层之高度差,即其厚度。 (8)非破坏性测厚法,以椭偏仪 (elli
12、psometer) 或是毫微仪(nano-spec)最为普遍布正确,前者能同时输出折射率(refractive index;用以评定薄膜品质之好坏)及起始厚度b和跳阶厚度a (总厚度 t = ma + b),实际厚度 (需确定m之整数值),仍需和制程经验配合以判读之。后者则还必需事先知道折射率来反推厚度值。 (9)不一样厚度氧化层会显现不一样颜色,且有埃左右厚度即循环一次特征。有经验者也可单凭颜色而判定出大约氧化层厚度。不过若超出1.5微米以上厚度时,氧化层颜色便渐不显著。 (二)扩散(炉) (diffusion) 1、扩散搀杂 半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值,却不影响其机械物理
13、性质特点,是深入发明出p-n接合面(p-n junction)、二极管(diode)、晶体管(transistor)、以至于大千婆娑之集成电路(IC)世界之基础。而扩散是达成导电杂质搀染早期关键制程。 众所周知,扩散即大自然之输送现象 (transport phenomena);质量传输(mass transfer)、热传输(heat transfer)、和动量传输 (momentum transfer;即摩擦拖曳) 皆是其实然三种已知现象。本杂质扩散即属于质量传输之一个,唯需要在850oC以上高温环境下,效应才够显著。 因为是扩散现象,杂质浓度C (concentration;每单位体积含有
14、多少数目标导电杂质或载子)服从扩散方程式以下: 这是一条拋物线型偏微分方程式,同时和扩散时间t及扩散深度x相关。换言之,在某扩散瞬间 (t固定),杂质浓度会由最高浓度表面位置,往深度方向作递减改变,而形成一随深度x改变浓度曲线;其次,这条浓度曲线,却又伴随扩散时间之增加而改变样式,往时间无穷大时,平坦一致扩散浓度分布前进! 既然是扩散微分方程式,不一样边界条件(boundary conditions)施予,会产生不一样之浓度分布外形。固定表面浓度 (constant surface concentration) 和固定表面搀杂量 (constant surface dosage),是两种常被讨
15、论含有解析正确解扩散边界条件(参见图2-4): 2、前扩散 (pre-deposition) 第一个定浓度边界条件浓度解析解是所谓互补误差函数(complementary error function),其对应之扩散步骤称为前扩散,即我们通常了解之扩散制程;当高温炉管升至工作温度后,把待扩散晶圆推入炉中,然后开始释放扩散源 (p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片,n型则为液态POCl3之加热蒸气) 进行扩散。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面,表面浓度最高,并随深度快速减低,或是说表面浓度梯度 (gradient) 值极高。 3、后驱入 (post driv
16、e-in) 第二种定搀杂量边界条件,含有高斯分布 (Gaussian distribution) 浓度解析解。对应之扩散处理程序叫做后驱入,即通常之高温退火程序;基础上只维持炉管驱入工作温度,扩散源却不再释放。或问曰:定搀杂量起始边界条件自何而来?答案是前扩散制程之结果;盖先前前扩散制作出之杂质浓度集中于表面,可近似一定搀杂量边界条件也! 至于为何扩散要分成此二类步骤,当然不是为了投数学解析之所好,而是因应阻值调变之需求。原来前扩散杂质植入剂量很快达成饱和,即使拉长前扩散时间,也无法大幅增加杂质植入剂量,换言之,电性上之电阻率 (resistivity) 特征很快趋稳定;但后驱入使表面浓度及梯
17、度减低(因杂质由表面往深处扩散),却又营造出再一次前扩散来增加杂质植入剂量机会。所以,借着数次反复前扩散和后驱入,既能调变电性上之电阻率特征,又可改变杂质电阻之有效截面积,故依大家熟知之电阻公式 ; 其中 是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。 4、扩散之其它关键点,简述以下: (1)扩散制程有批次制作、成本低廉好处,但在扩散区域之边缘所在,有侧向扩散误差,故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之应用。 (2)扩散以后阻值量测,通常以四探针法(four-point probe method)行之,示意参见图2-5。现在市面已经有多个商用机台可供选购。 (3)扩散所需之图形定义(
18、pattern)及遮掩(masking),通常以氧化层(oxide)充之,以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层,已足敷通常扩散制程之所需。 (二)微影(Photo-Lithography) 1、正负光阻 微影光蚀刻术起源于摄影制版技术。自1970年起,才大量使用于半导体制程之图形转写复制。原理即利用对紫外线敏感之聚合物,或所谓光阻(photo-resist)之受曝照是否,来定义该光阻在显影液(developer)中是否被蚀除,而最终留下和遮掩罩幕,即光罩(mask)相同或明暗互补之图形;相同者称之正光阻(positive resist),明暗互补者称之负光阻(negative resist),图
19、2-6所表示。通常而言,正光阻,如AZ-1350、AZ-5214、FD-6400L等,其分辨率及边缘垂直度均佳,但易变质,储存期限也较短 (约六个月到十二个月之间),常见于学术或研发单位;而负光阻之边缘垂直度较差,但可储存较久,常为半导体业界所使用。 2、光罩 前段述及光罩制作,是微影之关键技术。其制作方法经几十年之演进,已由分辨率差缩影机 (由数百倍大红胶纸【rubby-lith】图样缩影) 技术,改良为直接以计算机辅助设计制造(CAD/CAM)软件控制雷射束(laser-beam)或电子束(E-beam)书写机,在具光阻之石英玻璃板上进行书写 (曝光),分辨率 (最小线宽) 也改善到微米等
20、级。 因为激光打印机分辨率越来越好,未来一些线宽较粗光罩可望直接以打印机出图。举例而言,3386dpi出图机,最小线宽约为七微米。 3、对准机 / 步进机 在学术或研发单位中之电路布局较为简易,一套电路布局可全部写在一片光罩中,或甚至多反复制。加上使用之硅晶圆尺寸较小,配合使用之光罩原来就不大。所以搭配使用之硅晶圆曝光机台为通常光罩对准机(mask aligner,图2-7)。换言之,一片晶圆只需一次对准曝光,便可进行以后显影及烤干程序。但在业界中,使用晶圆大得多,我们不可能任意造出7吋或9吋大小光罩来进行对准曝光:一来电子束书写机在制备这么大光罩时,会耗损巨量时间,极不划算;二来,大面积光罩
21、进行光蚀刻曝光前和晶圆之对准,要因应大面积精密定位及防震等问题,极为棘手!所以工业界多采取步进机(stepper)进行对准曝光;也就是说,即使晶圆大到6或8吋,但光罩大小还是小小12吋见方,一则光罩制备快速,二则小面积对准问题也比较少;只是要曝满整片晶圆,要花上数十次对准曝光移位反复动作。但即便如此,因每次对准曝光移位仅费时1秒左右,故一片晶圆总曝光时间仍控制在1分钟以内,而保持了工厂高投片率 (high through-put;即单位时间内完成制作之硅芯片数。) 图2-7 双面对准曝光对准系统(国科会北区微机电系统研究中心)。 4、光阻涂布 晶圆上微米厚度等级光阻,是采取旋转离心(spin-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 生产工艺 流程 模板
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【快乐****生活】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【快乐****生活】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。