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晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片,由於其形狀為圓形,故稱為晶圓;在硅晶片上可加工製作成各種電路元件結構,而成為有特定電性功能之IC產品。

1 晶圓 -簡介

晶圓晶圓

 晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉,鹽酸氯化,並經蒸餾后,製成了高純度的多晶硅,其純度高達99.999999999%。晶圓製造廠再把此多晶硅融解,再於融液里種入籽晶,然後將其慢慢拉出,以形成圓柱狀的單晶硅晶棒,由於硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態的硅原料中逐漸生成,此過程稱為「長晶」。硅晶棒再經過切段,滾磨,切片,倒角,拋光,激光刻,包裝后,即成為積體電路工廠的基本原料——硅晶圓片,這就是「晶圓」。

硅是由石英沙所精練出來的,晶圓便是硅元素加以純化(99.999%),接著是將些純硅製成硅晶棒,成為製造積體電路的石英半導體的材料,經過照相製版,研磨,拋光,切片等程序,將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒,然後切割成一片一片薄薄的晶圓。會聽到幾寸的晶圓廠,如果硅晶圓的直徑越大,代表著這座晶圓廠有較好的技術。另外還有scaling技術可以將電晶體與導線的尺寸縮小,這兩種方式都可以在一片晶圓上,製作出更多的硅晶粒,提高品質與降低成本。所以這代表6寸、8寸、12寸晶圓當中,12寸晶圓有較高的產能。當然,生產晶圓的過程當中,良品率是很重要的條件。

2 晶圓 -製造工藝

表面清洗:晶圓表面附著一層大約2um的Al2O3和甘油混合液保護之,在製作前必須進行化學刻蝕和表面清洗。

生產4004的50mm晶圓和生產Core 2 Duo的300mm晶圓生產4004的50mm晶圓和生產Core 2 Duo的300mm晶圓

初次氧化:有熱氧化法生成SiO2 緩衝層,用來減小後續中Si3N4對晶圓的應力氧化技術:干法氧化Si(固)+O2 à SiO2(固)和濕法氧化Si(固)+2H2O à SiO2(固)+2H2。干法氧化通常用來形成,柵極二氧化硅膜,要求薄,界面能級和固定電荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢於濕法。濕法氧化通常用來形成作為器件隔離用的比較厚的二氧化硅膜。當SiO2膜較薄時,膜厚與時間成正比。SiO2膜變厚時,膜厚與時間的平方根成正比。因而,要形成較厚SiO2膜,需要較長的氧化時間。SiO2膜形成的速度取決於經擴散穿過SiO2膜到達硅表面的O2及OH基等氧化劑的數量的多少。濕法氧化時,因在於OH基SiO2膜中的擴散係數比O2的大。氧化反應,Si 表面向深層移動,距離為SiO2膜厚的0.44倍。因此,不同厚度的SiO2膜,去除后的Si表面的深度也不同。SiO2膜為透明,通過光干涉來估計膜的厚度。這種干涉色的周期約為200nm,如果預告知道是幾次干涉,就能正確估計。對其他的透明薄膜,如知道其折射率,也可用公式計算出(dSiO2)/(dox)=(nox)/(nSiO2)。SiO2膜很薄時,看不到干涉色,但可利用Si的疏水性和SiO2的親水性來判斷SiO2膜是否存在。也可用干涉膜計或橢圓儀等測出。SiO2和Si界面能級密度和固定電荷密度可由MOS二極體的電容特性求得。(100)面的Si的界面能級密度最低,約為10E+10-- 10E+11/cm ?2.eV-1 數量級。(100)面時,氧化膜中固定電荷較多,固定電荷密度的大小成為左右閾值的主要因素。

熱CVD(HotCVD)/(thermalCVD):此方法生產性高,梯狀敷層性佳(不管多凹凸不平,深孔中的表面亦產生反應,及氣體可到達表面而附著薄膜)等,故用途極廣。膜生成原理,例如由揮發性金屬鹵化物(MX)及金屬有機化合物(MR)等在高溫中氣相化學反應(熱分解,氫還原、氧化、替換反應等)在基板上形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點金屬、金屬、半導體等薄膜方法。因只在高溫下反應故用途被限制,但由於其可用領域中,則可得緻密高純度物質膜,且附著強度極強,若用心控制,則可得安定薄膜即可輕易製得觸鬚(短纖維)等,故其應用範圍極廣。熱CVD法也可分成常壓和低壓。低壓CVD適用於同時進行多片基片的處理,壓力一般控制在0.25-2.0Torr之間。作為柵電極的多晶硅通常利用HCVD法將SiH4或Si2H。氣體熱分解(約650oC)澱積而成。採用選擇氧化進行器件隔離時所使用的氮化硅薄膜也是用低壓CVD法,利用氨和SiH4 或Si2H6反應面生成的,作為層間絕緣的SiO2薄膜是用SiH4和O2在400--4500oC的溫度下形成SiH4+O2-SiO2+2H2或是用Si(OC2H5)4(TEOS:tetra ethoxy silanc)和O2在750oC左右的高溫下反應生成的,後者即採用TEOS形成的SiO2膜具有台階側面部被覆性能好的優點。前者,在澱積的同時導入PH3 氣體,就形成磷硅玻璃( PSG: phosphor silicate glass)再導入B2H6氣體就形成BPSG(borro ? phosphor silicate glass)膜。這兩種薄膜材料,高溫下的流動性好,廣泛用來作為表面平坦性好的層間絕緣膜。

熱處理:在塗敷光刻膠之前,將洗凈的基片表面塗上附著性增強劑或將基片放在惰性氣體中進行熱處理。這樣處理是為了增加光刻膠與基片間的粘附能力,防止顯影時光刻膠圖形的脫落以及防止濕法腐蝕時產生側面腐蝕(sideetching)。光刻膠的塗敷是用轉速和旋轉時間可自由設定的甩膠機來進行的。首先、用真空吸引法將基片吸在甩膠機的吸盤上,把具有一定粘度的光刻膠滴在基片的表面,然後以設定的轉速和時間甩膠。由於離心力的作用,光刻膠在基片表面均勻地展開,多餘的光刻膠被甩掉,獲得一定厚度的光刻膠膜,光刻膠的膜厚是由光刻膠的粘度和甩膠的轉速來控制。所謂光刻膠,是對光、電子束或X線等敏感,具有在顯影液中溶解性的性質,同時具有耐腐蝕性的材料。一般說來,正型膠的分辯率高,而負型膠具有感光度以及和下層的粘接性能好等特點。光刻工藝精細圖形(分辯率,清晰度),以及與其他層的圖形有多高的位置吻合精度(套刻精度)來決定,因此有良好的光刻膠,還要有好的曝光系統。

去除氮化硅:此處用干法氧化法將氮化硅去除

離子注入:離子布植將硼離子 (B+3) 透過 SiO2 膜注入襯底,形成P型阱離子注入法是利用電場加速雜質離子,將其注入硅襯底中的方法。離子注入法的特點是可以精密地控制擴散法難以得到的低濃度雜質分佈。MOS電路製造中,器件隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷,調整閥值電壓用的溝道摻雜, CMOS的阱形成及源漏區的形成,要採用離子注入法來摻雜。離子注入法通常是將欲摻入半導體中的雜質在離子源中離子化, 然後將通過質量分析磁極后選定了離子進行加速,注入基片中。

退火處理:去除光刻膠放高溫爐中進行退火處理 以消除晶圓中晶格缺陷和內應力,以恢復晶格的完整性。使植入的摻雜原子擴散到替代位置,產生電特性。

去除氮化硅層:用熱磷酸去除氮化硅層,摻雜磷 (P+5) 離子,形成 N 型阱,並使原先的SiO2 膜厚度增加,達到阻止下一步中n 型雜質注入P 型阱中。

去除SIO2層:退火處理,然後用 HF 去除 SiO2 層。

干法氧化法:干法氧化法生成一層SiO2 層,然後LPCVD 沉積一層氮化硅。此時P 阱的表面因SiO2 層的生長與刻蝕已低於N 阱的表面水平面。這裡的SiO2 層和氮化硅的作用與前面一樣。接下來的步驟是為了隔離區和柵極與晶面之間的隔離層。

光刻技術和離子刻蝕技術:利用光刻技術和離子刻蝕技術,保留下柵隔離層上面的氮化硅層。

濕法氧化:生長未有氮化硅保護的 SiO2 層,形成 PN 之間的隔離區。

生成SIO2薄膜:熱磷酸去除氮化硅,然後用 HF 溶液去除柵隔離層位置的 SiO2 ,並重新生成品質更好的 SiO2 薄膜 , 作為柵極氧化層。

氧化:LPCVD 沉積多晶硅層,然後塗敷光阻進行光刻,以及等離子蝕刻技術,柵極結構,並氧化生成 SiO2 保護層。

形成源漏極:表面塗敷光阻,去除 P 阱區的光阻,注入砷 (As) 離子,形成 NMOS 的源漏極。用同樣的方法,在 N 阱區,注入 B 離子形成 PMOS 的源漏極。

沉積:利用 PECVD 沉積一層無摻雜氧化層,保護元件,並進行退火處理。

沉積摻雜硼磷的氧化層:含有硼磷雜質的SiO2 層,有較低的熔點,硼磷氧化層(BPSG) 加熱到800 oC 時會軟化並有流動特性,可使晶圓表面初級平坦化。

深處理:濺鍍第一層金屬利用光刻技術留出金屬接觸洞,濺鍍鈦+ 氮化鈦+ 鋁+ 氮化鈦等多層金屬膜。離子刻蝕出布線結構,並用PECVD 在上面沉積一層SiO2 介電質。並用SOG (spin on glass) 使表面平坦,加熱去除SOG 中的溶劑。然後再沉積一層介電質,為沉積第二層金屬作準備。   

光刻技術定出 VIA 孔洞:沉積第二層金屬,並刻蝕出連線結構。然後,用 PECVD 法氧化層和氮化硅保護層。

光刻和離子刻蝕:定出 PAD 位置。

最後進行退火處理:以保證整個 Chip 的完整和連線的連接性。

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