工程師筆記本-亨利

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半導體製程介紹

半導體製程介紹晶圓晶圓(Wafer)的生產由砂即(二氧化矽)開始,經由電弧爐的提煉還原成冶煉級的矽,再經由鹽酸氯化,產生三氯化矽,經蒸餾純化後,透過慢速分 解過程,製成棒狀或粒狀的「多晶矽」。一般晶圓製造廠,將多晶矽融解 後,再利用矽晶種慢慢拉出單晶矽晶棒。一支85公分長,重76.6公斤的8吋矽晶棒,約需2天半時間長成。經研磨、拋光、切片後,即成半導體之原料 晶圓片。光 學 顯 影光學顯影是在光阻上經過曝光和顯影的程序,把光罩上的圖形轉換到光阻下面的薄膜層或矽晶上。光學顯影主要包含了光阻塗佈、烘烤、光罩對準、 曝光和顯影等程序。小尺寸之顯像解析度,更在 IC 製程的進步上,扮演著最關鍵的角色。由於光學上的需要,此段製程之照明採用偏黃色的可見光。因此俗稱此區為黃光區。乾 式 蝕 刻 技 術在半導的體製程中,蝕刻被用來將某種材質自晶圓表面上移除。乾式蝕刻(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,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,產生能夠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。晶圓係置於帶負電的陰極之上,因此當帶正電荷的離子被陰極吸引並加速向陰極方向前進時,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,而後者也是乾式蝕刻的重要角色。基本上,隨著所欲去除的材質與所使用的蝕刻化學物質之不同,蝕刻由下列兩種模式單獨或混會進行:1. 電漿內部所產生的活性反應離子與自由基在撞擊晶圓表面後,將與某特定成份之表面材質起化學反應而使之氣化。如此即可將表面材質移出晶圓表面,並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鍵,進而將晶圓表面材質分子一個個的打擊或濺擊(sputtering)出來。化 學 氣 相 沉 積 技 術化學氣相沉積是製造微電子元件時,被用來沉積出某種薄膜(film)的技術,所沉積出的薄膜可能是介電材料(絕緣體)(dielectrics)、導體、或半導體。在進行化學氣相沉積製程時,包含有被沉積材料之原子的氣體,會被導入受到嚴密控制的製程反應室內。當這些原子在受熱的昌圓表面上起化學反應時,會在晶圓表面產生一層固態薄膜。而此一化學反應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製程產生的薄膜厚度從低於0.5微米到數微米都有,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:■ 二氣化矽(通常直接稱為氧化層) ■ 氮化矽 ■ 多晶矽 ■ 耐火金屬與這類金屬之其矽化物可作為半導體元件絕緣體的二氧化矽薄膜與電漿氮化物介電層(plasmas nitride dielectrics)是目前CVD技術最廣泛的應用。這類薄膜材料可以在晶片內部構成三種主要的介質薄膜:內層介電層(ILD)、內金屬介電層(IMD)、以及保護層。此外、金層化學氣相沉積(包括鎢、鋁、氮化鈦、以及其他金屬等)也是一種熱門的CVD應用。物 理 氣 相 沉 積 技 術 如其名稱所示,物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition)主要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,可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。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,來得到半導體元件所要的導電電路。解 離 金 屬 電 漿(IMP)物 理 氣 相 沉 積 技 術 解離金屬電漿是最近發展出來的物理氣相沉積技術,它是在目標區與晶圓之間,利用電漿,針對從目標區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氣相沉積製程。這樣做可以讓這些金屬原子針對極窄、極深的結構進行溝填,以形成極均勻的表層,尤其是在最底層的部份。高 溫 製 程多晶矽(poly)通常用來形容半導體電晶體之部分結構:至於在某些半導體元件上常見的磊晶矽(epi)則是長在均勻的晶圓結晶表面上的一層純矽結晶。多晶矽與磊晶矽兩種薄膜的應用狀況雖然不同,卻都是在類似的製程反應室中經高溫(600℃至1200℃)沉積而得。即使快速高溫製程(Rapid Thermal Processing, RTP)之工作溫度範圍與多晶矽及磊晶矽製程有部分重疊,其本質差異卻極大。RTP並不用來沉積薄膜,而是用來修正薄膜性質與製程結果。RTP將使晶圓歷經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秒內可自室溫昇到1000℃。RTP通常用於回火製程(annealing),負責控制元件內摻質原子之均勻度。此外RTP也可用來矽化金屬,及透過高溫來產生含矽化之化合物與矽化鈦等。最新的發展包括,使用快速高溫製程設備在晶極重要的區域上,精確地沈積氧及氮薄膜。離 子 植 入 技 術離子植入技術可將摻質以離子型態植入半導體元件的特定區域上,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,到達預定的植入深度。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,此摻質濃度(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,而離子植入之深度則由離子束能量之大小來決定。化 學 機 械 研 磨 技 術 化學機械研磨技術(Chemical Mechanical Polishing, CMP)兼其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,可以使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CMP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,至於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CMP製程的變數包括有:研磨頭所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊的旋轉速度、研漿與研磨顆粒的化學成份、溫度、以及研磨墊的材質與磨損性等等。製 程 監 控在下個製程階段中,半導體商用CD-SEM來量測晶片內次微米電路之微距,以確保製程之正確性。一般而言,只有在微影圖案(photolithographic patterning)與後續之蝕刻製程執行後,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,是用來製作晶圓上電子電路圖像,以利積體電路的製作。光罩必須是完美無缺,才能呈現完整的電路圖像,否則不完整的圖像會被複製到晶圓上。光罩檢測機台則是結合影像掃描技術與先進的影像處理技術,捕捉圖像上的缺失。當晶圓從一個製程往下個製程進行時,圖案晶圓檢測系統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、以及其他各式各樣的問題。此外,對已印有電路圖案的圖案晶圓成品而言,則需要進行深次微米範圍之瑕疵檢測。一般來說,圖案晶圓檢測系統係以白光或雷射光來照射晶圓表面。再由一或多組偵測器接收自晶圓表面繞射出來的光線,並將該影像交由高功能軟體進行底層圖案消除,以辨識並發現瑕疵。切割晶圓經過所有的製程處理及測試後,切割成壹顆顆的IC。舉例來說:以0.2 微米製程技術生產,每片八吋晶圓上可製作近六百顆以上的64M DRAM。封裝製程處理的最後一道手續,通常還包含了打線的過程。以金線連接晶片與導線架的線路,再封裝絕緣的塑膠或陶瓷外殼,並測試IC功能是否正常。由於切割與封裝所需技術層面比較不高, 因此常成為一般業者用以介入半導體工業之切入點。
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