晶圆制程工艺学习

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1、晶圆（Wafer）制程工藝學習之樊仲川亿创作时间：二0二一年七月二十九日晶圆（Wafer）的生产由砂即（二氧化硅）开始，经由电弧炉的提炼还原成冶炼级的硅，再经由盐酸氯化，产生三氯化硅，经蒸馏纯化后,透过慢速分化过程，制成棒状或粒状的多晶硅.一般晶圆制造厂，将多晶硅融解后，再利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒.一支85公分长，重76.6千克的8吋硅晶棒，约需2天半时间长成.经研磨、拋光、切片后，即成半导体之原料晶圆片.光学显影光学显影是在光阻上经过曝光和显影的程序，把光罩上的图形转换到光阻下面的薄膜层或硅晶上.光学显影主要包含了光阻涂布、烘烤、光罩对准、曝光和显影等程序.小尺寸之显像分辩率，更在IC制

2、程的进步上，饰演着最关头的角色.由于光学上的需要，此段制程之照明采取偏黄色的可见光.因此俗称此区为黄光区.干式蚀刻技术在半导体的制程中，蚀刻被用来将某种材质自晶圆概略上移除.干式蚀刻（又称为电浆蚀刻）是目前最经常使用的蚀刻方法，其以气体作为主要的蚀刻媒介，并藉由电浆能量来驱动反响.电浆对蚀刻制程有物理性与化学性两方面的影响.首先，电浆会将蚀刻气体份子分化,产生能够快速蚀去资料的高活性份子.此外，电浆也会把这些化学成份离子化，使其带有电荷.晶圆系置于带负电的阴极之上，因此当带正电荷的离子被阴极吸引并加速向阴极标的目的前进时，会以垂直角度撞击到晶圆概略.芯片制造商即是运用此特性来获得绝佳的垂直蚀刻

3、，尔后者也是干式蚀刻的重要角色.基本上，随着所欲去除的材质与所使用的蚀刻化学物质之不合，蚀刻由下列两种模式单独或混会进行：1. 电浆内部所产生的活性反响离子与自由基在撞击晶圆概略后，将与某特定成份之概略材质起化学反响而使之气化.如此即可将概略材质移出晶圆概略，并透过抽气动作将其排出.2. 电浆离子可因加速而具有足够的动能来扯断薄膜的化学键，进而将晶圆概略材质份子一个个的打击或溅击（sputtering）出来.化学气相沉积技术化学气相沉积是制造微电子组件时，被用来沉积出某种薄膜（film）的技术，所沉积出的薄膜可能是介电资料（绝缘体dielectrics）、导体、或半导体.在进行化学气相沉积制程

4、时包含有被沉积资料之原子的气体，会被导入受到严密控制的制程反响室内.当这些原子在受热的昌圆概略上起化学反响时，会在晶圆概略产生一层固态薄膜.而此一化学反响通常必须使用单一或多种能量源（例如热能或无线电频率功率）.CVD制程产生的薄膜厚度从低于0.5微米到数微米都有，不过最重要的是其厚度都必须足够均匀.较为罕见的CVD薄膜包含有：二气化硅（通常直接称为氧化层）氮化硅多晶硅耐火金属与这类金属之其硅化物可作为半导体组件绝缘体的二氧化硅薄膜与电浆氮化物介电层（plasmasnitridedielectrics）是目前CVD技术最广泛的应用.这类薄膜资料可以在芯片内部组成三种主要的介质薄膜：内层介电层（

5、ILD）、内金属介电层（IMD）、以及呵护层.此外、金层化学气相沉积（包含钨、铝、氮化钛、以及其它金属等）也是一种热门的CVD应用.物理气相沉积技术如其名称所示,物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition）主要是一种物理制程而非化学制程.此技术一般使用氩等钝气,藉由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后,可将靶材原子一个个溅击出来,并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）如雪片般沉积在晶圆概略.制程反响室内部的低温与高真空环境,可使这些金属原子结成晶粒,再透过微影图案化（patterned）与蚀刻,来得到半导体组件所要的导电电路.解离金属电浆（IMP）物理气相沉积技术解离

6、金属电浆是最近成长出来的物理气相沉积技术,它是在目标区与晶圆之间,利用电浆,针对从目标区溅击出来的金属原子,在其到达晶圆之前,加以离子化.离子化这些金属原子的目的是,让这些原子带有电价,进而使其行进标的目的受到控制,让这些原子得以垂直的标的目的往晶圆行进,就像电浆蚀刻及化学气相沉积制程这样做可以让这些金属原子针对极窄、极深的结构进行沟填,以形成极均匀的表层,尤其是在最底层的部分.低温制程多晶硅（poly）通经常使用来形容半导体晶体管之部分结构：至于在某些半导体组件上罕见的磊晶硅（epi）则是长在均匀的晶圆结晶概略上的一层纯硅结晶.多晶硅与磊晶硅两种薄膜的应用状况虽然不合，却都是在类似的制程反响

7、室中经低温（600C至1200C）沉积而得.即使快速低温制程（RapidThermalProcessing,RTP）之任务温度规模与多晶硅及磊晶硅制程有部分重叠,其实质差别却极大.RTP其实不必来沈积薄膜，而是用来修正薄膜性质与制程结果只TP将使晶圆历经极为短暂且精确控制低温处理过程，这个过程使晶圆温度在短短的10至20秒内可自室温升到1000C只TP通经常使用于回火制程（annealing）,担任控制组件内掺质原子之均匀度此外RTP也可用来硅化金属，及透过低温来产生含硅化之化合物与硅化钛等.最新的成长包含,使用快速低温制程设备在晶极重要的区域上,精确地沉积氧及氮薄膜.离子植入技术离子植入技术

8、可将掺质以离子型态植入半导体组件的特定区域上,以获得精确的电子特性.这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度,以穿透（植入）薄膜,到达预定的植入深度.离子植入制程可对植入区内的掺质浓度加以精密控制.基本上,此掺质浓度（剂量）系由离子束电流（离子束内之总离子数）与扫瞄率（晶圆通过离子束之次数）来控制,而离子植入之深度则由离子束能量之大小来决定化学机械研磨技术化学机械研磨技术（ChemicalMechanicalPolishing,CMP）兼其有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用,可以使晶圆概略达到全面性的平坦化,以利后续薄膜沉积之进行.在CMP制程的硬设备中，研磨头被用来将晶圆

9、压在研磨垫上并带动晶圆旋转,至于研磨垫则以相反的标的目的旋转.在进行研磨时,由研磨颗粒所组成的研浆会被置于晶圆与研磨垫间.影响CMP制程的变量包含有：研磨头所施的压力与晶圆的平坦度、晶圆与研磨垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度、以及研磨垫的材质与磨损性等等.制程监控在下个制程阶段中，半导体商用CD-SEM来量测芯片内次微米电路之微距，以确保制程之正确性.一般而言,只有在微影图案（photolithographicpatterning）与后续之蚀刻制程执行后,才会进行微距的量测.光罩检测（ReticalInspection）光罩是高精密度的石英平板,是用来制作晶圆上电子电路图像,以利集

10、成电路的制作.光罩必须是完美无缺,才干呈现完整的电路图像,不然不完整的图像会被复制到晶圆上.光罩检测机台则是结合影像扫描技术与先进的影像处理技术,捕获图像上的缺失.当晶圆从一个制程往下个制程进行时,图案晶圆检测系统可用来检测出晶圆上是否有瑕疵包含有微尘粒子、断线、短路、以及其它林林总总的问题.此外,对已印有电路图案的图案晶圆成品而言,则需要进行深次微米规模之瑕疵检测.一般来说,图案晶圆检测系统系以白光或雷射光来照射晶圆概略.再由一或多组侦测器接收自晶圆概略绕射出来的光线,并将该影像交由高功效软件进行底层图案消除,以辨识并发明瑕疵.切割晶圆经过所有的制程处理及测试后,切割成壹颗颗的IC.举例来说

11、：以0.2微米制程技术生产,每片八吋晶圆上可制作近六百颗以上的64MDRAM封装制程处理的最后一道手续，通常还包含了打线的过程.以金线连接芯片与导线架的线路,再封装绝缘的塑料或陶瓷外壳,并测试IC功效是否正常.由于切割与封装所需技术层面比较不高,因此常成为一般业者用以介入半导体产业之切入点.300mm为协助晶圆制造厂克服300mm晶圆生产的挑战，应用资料提供了业界最完整的解决计划.不单拥有种类齐全的300mm晶圆制造系统，提供最好的办事与支持组织,还掌握先进制程与制程整合的技术经验；从降低风险、增加成效，加速量产时程，到协助达成最大生产力，将营运成本减到最低等，以满足晶圆制造厂所有的需求.应用

12、资料的300mm全方位解决计划，完整的产品线为：低温处理及离子植入设备(ThermalProcessesandImplant)介质化学气相沉积(DCVDDielectricChemicalVaporDeposition)金属沉积(MetalDeposition)蚀刻(Etch)化学机械研磨(CMPChemicalMechanicalPolishing)检视与量测(Inspection&Metrology)制造执行系统(MESManufacturingExecutionSystem)办事与支持(Service&Support)铜制程技术在传统铝金属导线无法突破瓶颈之情况下，经过多年的研究成长，铜

13、导线已经开始成为半导体资料的主流，由于铜的电阻值比铝还小，因此可在较小的面积上承载较大的电流，让厂商得以生产速度更快、电路更密集，且效能可提升约30-40%的芯片.亦由于铜的抗电子迁移(electro-migration)能力比铝好，因此可减轻其电移作用，提高芯片的可靠度.在半导体制程设备供货商中，只有应用资料公司能提供完整的铜制程全方位解决计划与技术，包含薄膜沉积、蚀刻、电化学电镀及化学机械研磨等.应用资料公司的铜制程全方位解决计划在半导体组件中制造铜导线，牵涉不但是铜的沉积，还需要一系列完整的制程步调，并加以仔细规划，以便阐扬最大的效能.应用资料公司为成长铜制程相关技术，已与重要客户合作多年，具有丰厚的经验；此外在半导体制程设备所有供货商中,也只有应用资料公司能够提供铜导线结构的完整制程技术，包含薄膜沉积、蚀刻、电化学电镀及化学机械研磨等.时间：二O二一年七月二十九日