半導(dǎo)體制造基本概念

1、半導(dǎo)體制造根本概念晶圓 Wafer 晶圓 Wafer 的生產(chǎn)由砂即二氧化硅開始，經(jīng)由電弧爐的提煉復(fù)原成 冶煉級 的硅，再經(jīng)由鹽酸氯化，產(chǎn)生三氯化硅，經(jīng)蒸餾純化后，透過慢速分 解過程，制成棒狀 或粒狀的多晶硅。一般晶圓制造廠，將多晶硅融解 后，再利用硅晶種慢慢拉出單晶 硅晶棒。一支 85 公分長，重 76.6 公斤的 8? 硅晶棒，約需 2 天半時間長成。經(jīng)研磨、? 光、切片后，即成半導(dǎo)體之原料 晶圓片。光學(xué)顯影光學(xué)顯影是在光阻上經(jīng)過曝光和顯影的程序， 把光罩上的圖形轉(zhuǎn)換到光阻 下面的薄 膜層或硅晶上。光學(xué)顯影主要包含了光阻涂布、烘烤、光罩對準、 曝光和顯影等程序。 小尺寸之顯像分辨率， 更在

2、IC 制程的進步上，扮演著 最關(guān)鍵的角色。由于光學(xué)上的需 要，此段制程之照明采用偏黃色的可見光。因此俗稱此區(qū)為 黃光區(qū)。干式蝕刻技術(shù)在半導(dǎo)體的制程中，蝕刻被用來將某種材質(zhì)自晶圓外表上移除。干式蝕刻又稱為 電漿蝕刻是目前最常用的蝕刻方式，其以氣體作為主要的蝕刻媒介，并藉由電漿能量 來驅(qū)動反響。電漿對蝕刻制程有物理性與化學(xué)性兩方面的影響。首先，電漿會將蝕刻氣體分子分 解，產(chǎn)生能夠快速蝕去材料的高活性分子。此外，電漿也會把這些化學(xué)成份離子化，使 其帶有電荷。晶圓系置于帶負電的陰極之上，因此當(dāng)帶正電荷的離子被陰極吸引并加速向陰極方 向前進時，會以垂直角度撞擊到晶圓外表。芯片制造商即是運用此特性來獲得絕

3、佳的垂 直蝕刻，而后者也是干式蝕刻的重要角色。根本上，隨著所欲去除的材質(zhì)與所使用的蝕刻化學(xué)物質(zhì)之不同，蝕刻由以下兩種模 式單獨或混會進行：1. 電漿內(nèi)部所產(chǎn)生的活性反響離子與自由基在撞擊晶圓外表后， 將與某特定成份之 外表材質(zhì)起化學(xué)反響而使之氣化。如此即可將外表材質(zhì)移出晶圓外表，并透過抽氣動作 將其排出。2. 電漿離子可因加速而具有足夠的動能來扯斷薄膜的化學(xué)鍵， 進而將晶圓外表材質(zhì) 分子一個個的打擊或濺擊 sputtering 出來。化學(xué)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積是制造微電子組件時，被用來沉積出某種薄膜 film 的技術(shù)，所沉積 出的薄膜可能是介電材料 絕緣體 dielectrics 、導(dǎo)體、或

4、半導(dǎo)體。在進行化學(xué)氣相沉 積制程時，包含有被沉積材料之原子的氣體，會被導(dǎo)入受到嚴密控制的制程反響室內(nèi)。 當(dāng)這些原子在受熱的昌圓外表上起化學(xué)反響時，會在晶圓外表產(chǎn)生一層固態(tài)薄膜。而此 一化學(xué)反響通常必須使用單一或多種能量源 例如熱能或無線電頻率功率 。CVD 制程產(chǎn)生的薄膜厚度從低于 0.5 微米到數(shù)微米都有， 不過最重要的是其厚度都 必須足夠均勻。較為常見的 CVD 薄膜包括有：二氣化硅通常直接稱為氧化層氮化硅多晶硅 耐火金屬與這類金屬之其硅化物可作為半導(dǎo)體組件絕緣體的二氧化硅薄膜與電漿氮化物介電層 plasmas nitride dielectrics 是目前 CVD 技術(shù)最廣泛的應(yīng)用。 這

5、類薄膜材料可以在芯片內(nèi)部構(gòu)成三種主 要的介質(zhì)薄膜：內(nèi)層介電層 ILD 、內(nèi)金屬介電層 IMD 、以及保護層。此外、金 層化學(xué)氣相沉積包括鎢、鋁、氮化鈦、以及其它金屬等也是一種熱門的 CVD 應(yīng)用物理氣相沉積技術(shù)如其名稱所示，物理氣相沉積 Physical Vapor Deposition 主要是一種物理制 程而非化學(xué)制程。此技術(shù)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 靶材后，可將靶材原子一個個濺擊出來，并使被濺擊出來的材質(zhì)通常為鋁、鈦或其合 金如雪片般沉積在晶圓外表。制程反響室內(nèi)部的高溫與高真空環(huán)境，可使這些金屬原 子結(jié)成晶粒，再透過微影圖案化 patterned 與蝕刻，來得

6、到半導(dǎo)體組件所要的導(dǎo)電 電路。解離金屬電漿 IMP 物理氣相沉積技術(shù)解離金屬電漿是最近開展出來的物理氣相沉積技術(shù)，它是在目標區(qū)與晶圓之間，利 用電漿，針對從目標區(qū)濺擊出來的金屬原子，在其到達晶圓之前，加以離子化。離子化這些金屬原子的目的是，讓這些原子帶有電價，進而使其行進方向受到控制，讓這些原 子得以垂直的方向往晶圓行進，就像電漿蝕刻及化學(xué)氣相沉積制程。這樣做可以讓這些 金屬原子針對極窄、極深的結(jié)構(gòu)進行溝填，以形成極均勻的表層，尤其是在最底層的部 份。高溫制程多晶硅 poly 通常用來形容半導(dǎo)體晶體管之局部結(jié)構(gòu)：至于在某些半導(dǎo)體組件上 常見的磊晶硅 epi 那么是長在均勻的晶圓結(jié)晶外表上的一層

7、純硅結(jié)晶。 多晶硅與磊晶 硅兩種薄膜的應(yīng)用狀況雖然不同，卻都是在類似的制程反響室中經(jīng)高溫600 C至1200 C沉積而得。即使快速高溫制程 Rapid Thermal Processing, RTP 之工作溫度范圍與多晶硅 及磊晶硅制程有局部重疊，其本質(zhì)差異卻極大。 RTP 并不用來沈積薄膜，而是用來修正 薄膜性質(zhì)與制程結(jié)果。 RTP 將使晶圓歷經(jīng)極為短暫且精確控制高溫處理過程，這個過程 使晶圓溫度在短短的10至20秒內(nèi)可自室溫升到1000 C。RTP通常用于回火制程 annealing ，負責(zé)控制組件內(nèi)摻質(zhì)原子之均勻度。此外 RTP 也可用來硅化金屬，及 透過高溫來產(chǎn)生含硅化之化合物與硅化鈦

8、等。最新的開展包括，使用快速高溫制程設(shè)備 在晶極重要的區(qū)域上，精確地沉積氧及氮薄膜。離子植入技術(shù)離子植入技術(shù)可將摻質(zhì)以離子型態(tài)植入半導(dǎo)體組件的特定區(qū)域上，以獲得精確的電 子特性。這些離子必須先被加速至具有足夠能量與速度，以穿透植入薄膜，到達預(yù) 定的植入深度。離子植入制程可對植入?yún)^(qū)內(nèi)的摻質(zhì)濃度加以精密控制。根本上，此摻質(zhì) 濃度劑量系由離子束電流離子束內(nèi)之總離子數(shù)與掃瞄率晶圓通過離子束之次 數(shù)來控制，而離子植入之深度那么由離子束能量之大小來決定。化學(xué)機械研磨技術(shù)化學(xué)機械研磨技術(shù) Chemical Mechanical Polishing, CMP 兼其有研磨性物質(zhì) 的機械式研磨與酸堿溶液的化學(xué)式研

9、磨兩種作用， 可以使晶圓外表到達全面性的平坦化， 以利后續(xù)薄膜沉積之進行。在 CMP 制程的硬設(shè)備中， 研磨頭被用來將晶圓壓在研磨墊上并帶動晶圓旋轉(zhuǎn)， 至于研磨 墊那么以相反的方向旋轉(zhuǎn)。在進行研磨時，由研磨顆粒所構(gòu)成的研漿會被置于晶圓與研磨 墊間。影響 CMP 制程的變量包括有： 研磨頭所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊 的旋轉(zhuǎn)速度、研漿與研磨顆粒的化學(xué)成份、溫度、以及研磨墊的材質(zhì)與磨損性等等。制程監(jiān)控在下個制程階段中， 半導(dǎo)體商用 CD-SEM 來量測芯片內(nèi)次微米電路之微距， 以確保 制程之正確性。一般而言，只有在微影圖案 photolithographic patterning 與后續(xù)

10、 之蝕刻制程執(zhí)行后，才會進行微距的量測。光罩檢測( Retical Inspection ) 光罩是高精密度的石英平板，是用來制作晶圓上電子電路圖像，以利集成電路的制作。 光罩必須是完美無缺，才能呈現(xiàn)完整的電路圖像，否那么不完整的圖像會被復(fù)制到晶圓上。 光罩檢測機臺那么是結(jié)合影像掃描技術(shù)與先進的影像處理技術(shù)，捕捉圖像上的缺失。 當(dāng)晶 圓從一個制程往下個制程進行時，圖案晶圓檢測系統(tǒng)可用來檢測出晶圓上是否有瑕疵包 括有微塵粒子、斷線、短路、以及其它各式各樣的問題。此外，對已印有電路圖案的圖 案晶圓成品而言，那么需要進行深次微米范圍之瑕疵檢測。 一般來說，圖案晶圓檢測系統(tǒng) 系以白光或雷射光來照射晶圓

11、外表。再由一或多組偵測器接收自晶圓外表繞射出來的光 線，并將該影像交由高功能軟件進行底層圖案消除，以辨識并發(fā)現(xiàn)瑕疵。切割晶圓經(jīng)過所有的制程處理及測試后， 切割成壹顆顆的 IC 。舉例來說：以 0.2 微米制 程技術(shù)生產(chǎn)，每片八？季采峽芍譜鶻？六百顆以上的64M DRAM 。封裝制程處理的最后一道手續(xù)，通常還包含了打線的過程。以金線連接芯片與導(dǎo) 線架的 線路，再封裝絕緣的塑料或陶瓷外殼，并測試 IC 功能是否正常。由于切割與封裝所需技 術(shù)層面比擬不高， 因此常成為一般業(yè)者用以介入半導(dǎo)體工業(yè)之切入點。300mm為協(xié)助晶圓制造廠克服 300mm 晶圓生產(chǎn)的挑戰(zhàn)，應(yīng)用材料提供了業(yè)界最完整的解 決方案。

12、不但擁有種類齊全的 300mm 晶圓制造系統(tǒng)，提供最好的效勞與支持組織，還 掌握先進制程與制程整合的技術(shù)經(jīng)驗；從降低風(fēng)險、增加成效，加速量產(chǎn)時程，到協(xié)助 達成最大生產(chǎn)力，將營運本錢減到最低等，以滿足晶圓制造廠所有的需求。應(yīng)用材料的 300mm 全方位解決方案，完整的產(chǎn)品線為：高溫處理及離子植入設(shè)備 (Thermal Processes and Implant) 介質(zhì)化學(xué)氣相沉積 (DCVD ： Dielectric Chemical Vapor Deposition) 金屬沉積 (Metal Deposition)蝕刻(Etch)化學(xué)機械研磨 (CMP ：Chemical Mechanical

13、 Polishing) 檢視與量測 (Inspection & Metrology)制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES ： M anufacturing Execution System) 效勞與支持 (Service & Support)銅制程技術(shù)在傳統(tǒng)鋁金屬導(dǎo)線無法突破瓶頸之情況下，經(jīng)過多年的研究開展，銅導(dǎo)線已經(jīng)開始 成為半導(dǎo)體材料的主流，由于銅的電阻值比鋁還小，因此可在較小的面積上承載較大的 電流，讓廠商得以生產(chǎn)速度更快、電路更密集，且效能可提升約 30-40 的芯片。亦由 于銅的抗電子遷移( electro-migration )能力比鋁好，因此可減輕其電移作用，提高芯 片的可靠度。在半導(dǎo)體制程設(shè)備供貨商中，只有應(yīng)用材料公司能提供完整的銅制程全方 位解決方案