半导体制程及原理概述

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1、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(IntegratedCircuit，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

2、(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

3、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(

4、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。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

5、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(waferfabrication)(中游)及晶圓切割、構裝(waferpackage)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(polycrystallinesilicon)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

6、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。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

7、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(gateoxide;與場氧化層(fieldoxide)，此二層均由熱氧化程序製造。以下二化學