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製程及原理概述

半導體工業的製造方法是在矽半導體上製造電子元件(產品包括:動態記憶體、靜態記億體、微虛理器…等)，而電子元件之完成則由精密複雜的積體電路(Integrated Circuit，簡稱IC)所組成；IC之製作過程是應用晶片氧化層成長、微影技術、蝕刻、清洗、雜質擴散、離子植入及薄膜沉積等技術，所須製程多達二百至三百個步驟。隨著電子資訊產品朝輕薄短小化的方向發展，半導體製造方法亦朝著高密度及自動化生產的方向前進;而IC製造技術的發展趨勢，大致仍朝向克服晶圓直徑變大，元件線幅縮小，製造步驟增加，製程步驟特殊化以提供更好的產品特性等課題下所造成的良率控制因難方向上前進。

半導體業主要區分為材料(矽品棒)製造、積體電路晶圓製造及積體電路構裝等三大類，範圍甚廣。目前國內半導體業則包括了後二項，至於矽晶棒材料仍仰賴外國進口。國內積體電路晶圓製造業共有11家，其中聯華、台積及華邦各有2個工廠，總共14個工廠，目前仍有業者繼紙擴廠中，主要分佈在新竹科學園區，年產量逾400萬片。而積體電路構裝業共有20家工廠，遍佈於台北縣、新竹縣、台中縣及高雄市，尤以加工出口區為早期半導體於台灣設廠開發時之主要據點。年產量逾20億個。

原理簡介

一般固體材料依導電情形可分為導體、半導體及絕緣體。材料元件內自由電子濃度(n值)與其傳導率成正比。良好導體之自由電子濃度相當大(約10²⁸個e^-/m³)，絕緣體n值則非常小(10⁷個e^-/m³左右)，至於半導體n值則介乎此二值之間。

半導體通常採用矽當導體，乃因矽晶體內每個原子貢獻四個價電子，而矽原子內部原子核帶有四個正電荷。相鄰原子間的電子對，構成了原子間的束縛力，因此電子被緊緊地束縛在原子核附近，而傳導率相對降低。當溫度升高時，晶體的熱能使某些共價鍵斯鍵，而造成傳導。這種不完全的共價鍵稱為電洞，它亦成為電荷的載子。如圖1.l(a),(b)

於純半導體中，電洞數目等於自由電子數，當將少量的三價或五價原子加入純矽中，乃形成有外質的(extrinsic)或摻有雜質的(doped)半導體。並可分為施體與受體，分述如下：

1.施體(N型)

當摻入的雜質為五價電子原子(如砷)，所添入原子取代矽原子，且第五個價電子成為不受束縛電子，即成為電流載子。因貢獻一個額外的電子載子，稱為施體(donor)，如圖1.l(C)。

2. 受體(P型)

當將三價的雜質(如硼)加入純矽中，僅可填滿三個共價鍵，第四個空缺形成一個電洞。因而稱這類雜質為受體(acceptor)，如圖1.l(d)。

半導體各種產品即依上述基本原理，就不同工業需求使用矽晶圓、光阻劑、顯影液、酸蝕刻液及多種特殊氣體為製程申的原料或添加物等，以完成複雜的積體電路製作。

                                                                   (a)   (b)   (c)   (d)

                      圖1.1半導體構造組成

製造流程

半導體工業所使用之材料包含單一組成的半導體元素，如矽(Si)、鍺(Ge)(屬化學週期表上第四族元素)及多成分組成的半導體含二至三種元素，如鎵砷(GaAs)半導體是由第三族的鎵與第五族的砷所組成。在1950年代早期，鍺為主要半導體材料，但鍺製品在不甚高溫情況下，有高漏失電流現象。因此，1960年代起矽晶製品取代鍺成為半導體製造主要材料。半導體產業結構可區分為材料加工製造、晶圓之積體電路製造(wafer fabrication)(中游)及晶圓切割、構裝(wafer package)等三大類完整製造流程，如圖1.2所示。其中材料加工製造，是指從矽晶石原料提煉矽多晶體(polycrystalline silicon)直到晶圓(wafer)產出，此為半導體之上游工業。此類矽晶片再經過研磨加工及多次磊晶爐(Epitaxial reactor)則可製成研磨晶圓成長成為磊晶晶圓，其用途更為特殊，且附加價值極高。其次晶圓之體積電路製造，則由上述各種規格晶圓，經由電路設計、光罩設計、蝕刻、擴散等製程，生產各種用途之晶圓，此為中游工業。而晶圓切割、構裝業係將製造完成的晶圓，切割成片狀的晶粒(dice)，再經焊接、電鍍、包裝及測試後即為半導體成品。

       圖1.2 半導體產業結構上、中、下游完整製造流程

製程單元

積體電路的製造過程主要以晶圓為基本材料，經過表面氧化膜的形成和感光劑的塗佈後，結合光罩進行曝光、顯像，使晶圓上形成各類型的電路，再經蝕刻、光阻液的去除及不純物的添加後，進行金屬蒸發，使各元件的線路及電極得以形成，最後進行晶圓探針檢測;然後切割成晶片，再經粘著、連線及包裝等組配工程而成電子產品。各主要製程單元概述如下：

 氧化與模附著

原料晶圓在投入製程前，本身表面塗有2μm厚的AI₂O₃，與甘油混合溶液保護之，晶圓的表面及角落的污損區域則藉化學蝕刻去除。

為製成不同的元件及積體電路，在晶片長上不同的薄層，這些薄層可分為四類:熱氧化物，介質層，矽晶聚合物及金屬層。熱氧化物中重要的薄層有閘極氧化層(gate oxide;與場氧化層(field oxide)，此二層均由熱氧化程序製造。以下二化學反應式描述矽在氧或水蒸氣中的熱氧化：

Si(固體) + O₂(氣體) →SiO₂(固體)

Si(固體) + 2H₂O(氣體) →SiO₂(固體) + 2H₂(氣體)

現代積體電路程序中，以氯介入氧化劑來改善氧化層的品質及Si-SiO₂，接合面的性質。氯包含在氯氣、氯化氫HCl或二氯乙烷中，其將Si-SiO₂，接合面的雜質反應成揮發性氯化物，多餘的氯會增加介質的崩潰強度，減低接合面缺陷密度。介電質附著層主要用來隔離及保護不同種類元件及積體電路。三種常用的附著方法是:大氣壓下化學蒸氣附著(CVD)，低壓化學蒸氣附著(LPCVD)及電漿化學蒸氣附著(PCVD，或電漿附著)。化學蒸氣附著生成約二氧化矽並不取代熱生長的氧化層，因為後者具有較佳的電子性質。二氧化矽層可使用不同的附著方法，其中低溫附著(300~500℃)之氧化層由矽烷、雜質及氧氣形成。植入磷之二氧化矽的化學反應為

SiH₄+O₂→SiO₂+2H₂

4PH₃+5O₂→2P₂O₅+6H₂

於中等溫度(500~800℃)的附著，二氧化矽由四乙經基矽，Si(OC₂H₅)₄，在LPCVD反應器中分解形成。其分解反應為：

Si(OC₂H₅)₄→SiO₂+副產物

高溫附著(900℃)，二氧化矽由二氯矽烷(SiCl₂H₂)與笑氣(N₂O)在低壓下形成：

SiCl₂H₂+2N₂O→SiO+2N₂+2HCI

氮化矽層可用作保護元件，方可作為矽氧化作用時的遮蔽層，覆蓋不欲氧化的矽晶部分，氮化矽的附著是在中等溫度(750℃)LPCVD程序或低溫(300℃)電漿CVD程序中形成。LPCVD程序中，二氯矽烷與氨在減壓下，700~800℃間，反應生成氮化矽附著，反應式為：

SiCl₂H₂+4NH₃ →Si₃N₄+6HCl+6H₂

電漿PCVD程序中，氮化矽由矽烷與氨在氫電槳中反應或是矽烷在放電氮氣中生成，反應式如下：

SiH₄+NH₃→SiNH+3H₂

2SiH₄+H₂→2SiNH十3H₂

矽晶聚合物，或稱聚合矽，在Metal Oxide Semiconductor(MOS)元件中用作閘極接線材料;多層金屬處理中當作導電材料;低能階接面元件中為接觸材料。方可作為擴散來源，生成低能階接面及矽晶體的歐姆接觸。其他用途包括電容及高電阻的製作。低壓反應器在600~650℃間操作，將矽烷熱解生成矽聚合體，反應式如下：

SiH₄→Si+2H₂

金屬層如鋁及矽化物用來形成低電阻連接N⁺、P⁺及矽聚合物層的金屬接觸，及整流作用的金屬一半導體能障。金屬處理包含內部聯線、歐姆接觸及整流金屬二半導體接觸等金屬層的形成。金屬層可用不同方法鍍上，最重要的方法為物理蒸氣附著及化學蒸氣附著，鋁與其合金以及矽化金屬為兩種最重要的金屬。在金屬處理中，化學蒸氣附著(CVD)提供相當優良的同型階梯涵蓋層，且一次可製成大量晶圓。最新的積體電路cVD金屬附著是應用於難熔金屬的附著。以鎢為例其熱解及還原的化學反應式：

WF₆→W+3F₂

WF₆+3H₂→W+6HF

其他金屬如鉬(M_O)，鉭(Ta)，及鈦(Ti)都可應用於積體電路。這些金屬的附著皆是在LPCVD反應器中進行下列氫還原反應:

2MCl₅+5H₂→2M+10HCl

M代表金屬Mo,Ta,Ti。鋁附著亦可使用有機金屬，如三異丁烷鋁:

2{(CH₃)₂CHCH₂}₃Al→2Al+3H₂+副產物

積體電路金屬處理量最大的是鋁及其合金，因為兩者具備低電阻係數(Al為2.7μΩ-cm，合金為3.5μΩ-cm)，符合低電阻的要求。矽化物如TiSi₂及TaSi₂，，其低電阻係數(≦50μΩ-cm)，且在整個積體電路程序中不失原有性質，表列出不同矽化物的電阻係數。

表1.1 矽化物電阻係數(300°K)

 擴散與離子植入

擴散及離子植入是用來控制半導體中雜質量的關鍵程序。擴散方法是使用植入雜質或雜質的氧化物作氣相附著，將雜質原子植入半導體晶圓的表面附近區域。雜質濃度由表面成單調遞減，雜質的分佈固形取決於溫度及擴散時間。離子植入程序中，雜質是以高能呈離子束植入半導體中。植入雜質的濃度在半導體內存在一高峰，雜質的分佈圖形取決於離子的質量與植入能量。離子植入程序的優點在於雜質量的精確控制，雜質分佈的再重整，以及低溫下操作。擴散與離子植入之比較如圖1.3所示。

雜質的擴散基本上是將半導體晶圓置於熔爐中，然後以帶雜質原子的惰性氣體通過。於矽擴散作用中，最常使用的雜質為硼、砷及磷，這三種元素在矽中的溶解度相當高。雜質的來源包含數種，有固體來源(BN，AS₂O₃及P₂O₃)，液體來源(BBr₃、AsCl₃及POCl₃)，氣體來源(B2H6、AsH₃、及PH₃)。通常，以上物質由惰性氣體(如N，)輸送至半導體表面而發生還原反應。固體來源的化學反應式如下反應時會往矽表面形成氧化層。

2As₂O₃+3Si→4As+3SiO₂

離子植入是將高能量之帶電粒子射入矽基晶中。半導體中離子植入的實際應用改變了基晶層的電子性質。植入雜質濃度在10¹¹~10¹⁶離子/cm²。雜質濃度的表示法是半導體單位表面積1cm²所植入的離子數目。

          圖1.3 使用擴散與離子植入技術將雜質植入半導體基晶中的比較

印刻與蝕刻

印刻是在覆蓋半導體晶片表面的光敏感材料薄層(稱為光阻)印上幾何鑄型。不同的光阻鑄型不止一次的印刻在晶層上，以形成元件圖樣。再經蝕刻程序獲得各不同區，以便進行植入、擴散等前幾節所敘述的步驟。表1.2所列為IC印刻方法及對應使用之光阻成分。

表1.2  IC印刻方法及對應使用之光阻成分

光阻化合物對輻射具敏感性，可區分為正光阻及負光阻。正光阻經過光照後，曝光區可以化學物質(去光阻劑或顯影液)溶解除去；負光阻正好相反。正光阻的組成有三：對光敏感化合物、樹脂及有機溶劑。負光阻是含光敏感組成的高分子。表1.3列出了商業上常用的IC印刻種類及其光阻型式。

   表1.3  IC印刻種類及其光阻型式