半导体制程原理

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1、制程及原理概述半导体工业的制造方法是在硅半导体上制造电子组件(产品包括：易失存储器、静态记亿体、微虚理器…等)，而电子组件之完成则由精密复杂的集成电路(integratedCircuit,简称1C)所组成；1C之制作过程是应用芯片氧化层成长、微影技术、蚀刻、清洗、杂质扩散、离子植入及薄膜沉积等技术，所须制程多达二百至三百个步骤。随着电子信息产品朝轻薄短小化的方向发展，半导体制造方法亦朝着高密度及自动化生产的方向前进;而1C制造技术的发展趋势，大致仍朝向克服晶圆直径变大，组件线幅缩小，制造步骤增加，制程步骤特殊化以提供更好的产品特性等课题下所造成的良率控制因难方向上前进。半导体业主要区分为材

2、料(硅品棒)制造、集成电路晶圆制造及集成电路构装等三大类，范围甚广。目前国内半导体业则包括了后二项，至于硅晶棒材料仍仰赖外国进口。国内集成电路晶圆制造业共有11家，其中联华、台积及华邦各冇2个工厂，总共14个工厂，目前仍有业者继纸扩厂中，主要分布在新竹科学园区，年产量逾400万片。而集成电路构装业共有20家工厂，遍布于台北县、新竹县、台中县及高雄市，尤以加工出口区为早期半导体于台湾设厂开发吋之主要据点。年产量逾20亿个。原理简介一般固体材料依导电情形可分为导体、半导体及绝缘体。材料组件内自由电子浓度(n值)与其传导率成正比。良好导体之自由电子浓度相当大(约1028个e7m3),绝缘体n值则

3、非常小(107个e7m3左右)，至于半导体n值则介乎此二值之间。半导体通常采用硅当导体，乃因硅晶体内每个原子贡献四个价电子，而硅原子内部原子核带有四个正电荷。相邻原子间的电子对，构成了原子间的束缚力，因此电子被紧紧地束缚在原子核附近，而传导率相对降低。当温度升高吋，晶体的热能使某些共价键斯键，而造成传导。这种不完全的共价键称为电洞，它亦成为电荷的载子。如图1.1(a),(b)于纯半导体中，电洞数0等于自由电子数，当将少量的三价或五价原子加入纯硅中，乃形成有外质的(extrinsic)或掺有杂质的(doped)半导体。并可分为施体与受体，分述如下：1.施体(N型)当掺入的杂质为五价电子原子(

4、如砷)，所添入原子取代硅原子，且第五个价电子成为不受束缚电子，即成为电流载子。因贡献一个额外的电子载子，称为施体(donor)，如图1.1(C)。2.受体(P型)当将三价的杂质(如硼)加入纯硅中，仅可填满三个共价键，第四个空缺形成一个电洞。因而称这矣杂质为受体(acceptor)，如图1.1(d)。半导体各种产品即依上述基本原理，就不同工业需求使用硅晶圆、光阻剂、显影液、酸蚀刻液及多种特殊气体为制程申的原料或添加物等，以完成复杂的集成电路制作。制造流程半导体工业所使用之材料包含单一组成的半导体元素，如硅(Si)、锗(Ge)(属化学周期表上第四族元素)及多成分组成的半导体含二至三种元素，如镓

5、砷(GaAs)半导体是由第三族的镓与第五族的砷所组成。在1950年代早期，锗为主耍半导体材料，但锗制品在不甚高温情况下，有高漏失电流现象。因此，1960年代起硅晶制品取代锗成为半导体制造主要材料。半导体产业结构可区分为材料加工制造、晶圆之集成电路制造(waferfabrication)(中游)及晶圆切割、构装(waferpackage)等三大类完整制造流程，如图1.2所示。其中材料加工制造，是指从硅晶石原料提炼硅多晶体(polycrystal1inesi1icon)直到晶圆(wafer)产出，此为半导体之上游工业。此类硅芯片再经过研磨加工及多次磊晶炉(Epitaxialreactor)则可

6、制成研磨晶圆成长成为磊晶晶圆，其用途更为特殊，且附加价值极高。其次晶圆之体积电路制造，则由上述各种规格晶圆，经由电路设计、光罩设计、蚀刻、扩散等制程，生产各种用途之晶圆，此为中游工业。而晶圆切割、构装业系将制造完成的晶圆，切割成片状的晶粒(dice),再经焊接、电镀、包装及测试后即为半导体成品。制程单元集成电路的制造过程主要以晶圆为基本材料，经过表面氧化膜的形成和感光剂的涂布后，结合光罩进行曝光、显像，使晶圆上形成各类型的电路，再经蚀刻、光阻液的去除及不纯物的添加后，进行金属蒸发，使各组件的线路及电极得以形成，最后进行晶圆探针检测；然后切割成芯片，再经粘着、联机及包装等组配工程而成电子产品

7、。各主要制程单元概述如下：氧化与模附着原料晶圆在投入制程前，本身表面涂有2um厚的AI203,与甘油混合溶液保护之，晶圆的表面及角落的污损区域则藉化学蚀刻去除。为制成不同的组件及集成电路，在芯片长上不同的薄层，这些薄层可分为四类:热氧化物，介质层，硅晶聚合物及金属层。热氧化物中重耍的薄层有闸极氧化层(gateoxide;与场氧化层(fieldoxide),此二层均由热氧化程序制造。以下二化学反应式描述硅在諷或水蒸气中的热