《扩散制造工程》PPT课件

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擴散製造工程1整理ppt

1摘要本章分為三個部份，第一部份前言介紹擴散製程在晶圓製造中所扮演的角色。第二部份是介紹擴散製程相關的名詞解釋。第三部份則是敘述清洗、爐管、離子植入等各類製程及設備。2整理ppt

26-1緒論擴散製造工程大致分為離子植入、爐管熱氧化物生長、各類薄膜沉積及晶圓清洗製程。擴散(Diffusion)是指離子、原子或分子由高濃度往低濃度區域運動的現象。圖6.1擴散示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理3整理ppt

3高溫爐管之熱製程除了用在離子植入後之井區驅入擴散外，熱氧化物生長製程是矽積體電路最易取得之介電薄膜，其他低壓爐管製程則是藉由化學氣相沉積反應生成氧化物、氮化矽、多晶矽等薄膜。另外，在進入次微米以下之晶圓製造時，進爐管前之晶圓清洗製程變得很重要，因為晶圓表面之潔淨程度或粗糙度對後續製程之品質與電性影響會愈來愈顯著。4整理ppt

46-2解釋名詞離子植入(IonImplantation)定義:將離子以電場加速，使高能量離子植入於晶片當中，常用的離子有P+、As+、B+、BF2+，利用分析磁鐵，可以選擇所要的離子種類。說明:定義P井區，N井區，調整臨界電壓，改變阻值，定義源極/汲極等等。圖6.2：離子植入示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理圖6.2：離子植入示意圖5整理ppt

5井區(Well)定義:指以離子植入方式形成不同的半導體特性區域，分為NWell和PWell。說明:NWell利用負電電子導電，植入五價源子如P、As。PWell則利用正電電洞導電，植入三價源子如B。圖6.3井區示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理6整理ppt

6氧化物(Oxide)定義:通常半導體製程的氧化物是指二氧化矽薄膜，可利用加熱氧化或是化學氣相沉積等方法製作。說明:半導體製程中的場區氧化層、閘極氧化層是加熱氧化產生的氧化層，氧化物的功能可以做為場區組隔、MOS氧化閘極(GATEOX)等。圖6.4：氧化物示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理7整理ppt

7閘極氧化層(GateOxide)定義:金屬氧化層半導體構成的電晶體(Mos;MetalOxideSemiconductor)，為閘極裝置的一種。閘極結構中的氧化層稱為GateOxide，作為分隔電極的材料。圖6.5：閘極氧化層示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理8整理ppt

8多晶矽(Polysilicon)定義:矽的結構中，由不同晶格方向的晶體組成，稱為多晶矽。說明:物質中原子排列的方向稱為晶格方向，當所有原子排列方向一致，稱為單晶(SingleCrystal)，如果是由很多不同方向的單晶組成，稱為多晶(Poly-Crystal)。如果排列方式雜亂無序，就稱為非晶質(Amorphous)。多晶矽用在MOS結構中，作為金屬矽化物(Polycide)與氧化層(Oxide)的連接。圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理圖6.9：多晶矽示意圖9整理ppt

96-3製程設備說明6-3.1晶圓清洗製程與設備6-3.2爐管製程與設備6-3.3離子植入製程與設備10整理ppt

106-3.1晶圓清洗製程與設備目前半導體業界所使用之清洗製程，大部份仍參考W.Kern發展出之RCA清洗製程，不斷修改製程濃度比例與溫度，以符合本身產品製程之清洗需求。一般而言，晶圓清洗製程所要洗淨的對象包括：1.微塵(Particle)：其來源廣泛，如晶圓基板本身、人員、環境、機器設備、反應氣體、化學品或超潔淨去離子水。2.金屬雜質(Metal)：其來源除了人員、機器設備、化學品雜質外、也可能是某些前製程反應後，殘留於圓基板表面之雜質。3.有機物(Organic)：其來源有無塵室塗料揮發物、化學品雜質、儲存容器、晶圓匣盒、光阻等。4.微粗糙面(Microroughness)：其來源有晶圓基板原物料本身之粗糙度或化學品處理後之粗糙度。5.自然氧化膜(NativeOxide)：其來源包括環境水氣所生成或超潔淨去離子水洗淨後所生成。11整理ppt

11近幾年來，由於元件尺寸的不斷微縮化，傳統RCA清洗製程不斷被改良，各式不同設計的清洗機台陸續推出並被用作量產機台。單片式清洗機台及物理刷洗機台也是現今普遍應用的洗淨方式，而除了濕洗清洗製程外，近來也有乾式清洗製程被開發應用。目前半導體工廠常見的清洗機台有：1.濕式洗淨站(WetCleanStation)2.單槽全流式清洗機3.單槽式噴洗機4.單片式旋轉蝕刻清洗機12整理ppt

12濕式洗淨站(WetCleanStation)洗淨站的設備是依半導體工廠之製程需求量身訂製的，一旦洗淨槽的配置定型後，清洗製程的變化性就會受到限制；但若因製程變化而裝設許多洗淨槽，那對無塵室空間安排會造成困擾。晶圓不一定會進入每個化學槽做清洗，但一旦經過某一個化學槽之後，就必須要再進入某相鄰的DI水洗清槽。晶圓經DI水洗淨後，必須監控其水阻值，以確保化學容易已洗淨，一般而言至少須達16MΩ以上。圖6.11酸洗站示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理13整理ppt

13單槽全流式清洗機此類清洗裝置和單槽式清洗機最大的差異就是晶圓放置於密閉容器內停止不動，而非高速轉動，其乾燥技術是類似馬南根尼乾燥法，而非高速旋乾。每批次可清洗8晶圓100片，每次新鮮的酸液由密閉容器下方注入，清洗完後由密閉容器上方壓出排掉，最後再經IPA乾燥步驟，使晶圓由上往下逐漸脫水乾燥單槽式噴洗機此類清洗機台的特點是體積小，佔用無塵空間不大，其每批次可清洗8吋1晶圓100片，且每次晶圓的清洗皆使用新鮮的化學品。由於此為單槽式清洗裝置，在程式進行轉換不同化學溶液時，必須確定化學管路、噴洗柱及清洗槽皆已沖洗乾淨，再壓入不同種類的化學溶液，否則極易產生為微塵污染。其晶圓乾燥是利用伯努利原理。14整理ppt

14單片式旋轉蝕刻清洗機一次只處理一片晶圓之清洗、晶圓可翻面以便做晶背之蝕刻清洗為其最大特點。主要功用是可做為晶圓之蝕刻，能得到良好之蝕刻均勻性。其機台配置可有三種不同的化學溶液儲槽。蝕刻均勻性可經由晶圓旋轉轉速、噴嘴來回移動之位置速度等製程參數控制，機台會依據程式設定之程序通入所指定的化學溶液。而不同化學溶液做轉換時，也必須使用DI水洗淨。其乾燥步驟為離心式乾燥。15整理ppt

156-3.2爐管製程與設備閘極氧化層在半導體製造過程扮演重要角色。欲得到良好的熱氣化層，可粗分為下列幾部分:1.矽基板進爐管前之清洗。2.矽基板本身之品質。3.爐管閘極氧化製程。圖6.12矽基板的製造過程(以切克勞斯基長晶法之晶片)圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理16整理ppt

16一般爐管機台的構造種類：1.常壓擴散爐管2.低壓化學氣相沉積爐管(LP-CVD爐管)3.群集式組合爐管4.單片式快速升降溫設備17整理ppt

17矽單晶棒切割、研磨、拋光後的鏡面拋光晶片基底內部存在著許多長晶過程後所留下的氧雜質，經過熱處理製程後，基板表面附近的氧原子會擴散至晶圓基板外，形成一個低氧含量區稱為無缺陷領域。無缺陷領域的涵蓋深度會影響到閘極氧化層的品質，深度太淺時，其表面附近很多氧原子會析出形成基體的微小缺陷，可能會使MOS電晶體提早崩潰。晶圓表面附近也可能有結晶起因的微塵缺陷(CrystalOriginatedPit;COP)存在，COP大小不一，較大的COP若剛好存在電晶體閘極氧化層上，可能使其在低電壓下就提早崩潰。圖6.13矽基板截面缺陷示意圖圖片來源:簡禎富(2005)，國立清華大學出版社，半導體製造技術與管理18整理ppt

186-3.3離子植入製程與設備離子植入製程是為了改變積體電路元件局部區域之阻值，以得到所需之導電行為。在積體電路晶圓製程中，要摻雜特定的原子進入矽基板或多晶矽薄膜中時，可有以下幾種方式：1.將待摻雜之原料導入晶圓表面，再以高溫擴散製程把要摻雜的原子驅入矽基板或多晶矽薄膜中。2.利用化學氣相沉積反應，把待摻雜之原料化合物和多晶矽反應氣體一起反應得到含有摻雜原子之多晶矽薄膜。3.利用離子植入設備，把特定的離子打入晶圓內，或再進一步搭配實施高溫擴散製程作雜質驅入。19整理ppt

19從上述三種摻雜方式中，可發現離子植入的原子摻雜方式具有以下特點：1.不需高溫製程，可減少熱預算。2.直子之摻雜原子的劑量及深度較易精確控制。3.可利用罩幕圖案之保護做局部區域摻雜原子的植入。20整理ppt

20離子植入機台高電流離子植入機中電流離子植入機高能量離子植入機21整理ppt

21高電流離子植入機其主要由以下幾部分構成：1.離子源產生機構。2.前段加速器。3.分析磁鐵。4.後段加速器。5.劑量控制器6.靶室7.晶圓傳送機構把晶盒放入機台的晶盒載入/載出區，機台程式控制器會依據所選定的程式，自動進行試調離子束；當晶圓傳送至靶室圓盤上，真空度達到設定要求後，程式控制器會依離子束試調結果之實際電流大小來控制元盤之移動掃描以達到所要之植入劑量。22整理ppt

22中電流離子植入機其主要由以下幾部分構成：1.離子源產生機構。2.前段加速器。3.分析磁鐵。4.後段加速器。5.聚焦機構。6.離子束掃描機構。7.劑量控制器8.靶室。9.晶圓傳送機構。由於中電流離子植入製程需求之植入能量比高電流離子植入製程範圍廣，通常對較高能量之植入製程，會利用分析磁鐵之後的後段加速器做主要加速，而不會在前段就加速到很高的能量。23整理ppt

23高能量離子植入機其主要由以下幾部分構成：1.離子源產生機構。2.前段加速器。3.分析磁鐵。4.後段加速器。5.聚焦機構。6.劑量控制器7.靶室。8.晶圓傳送機構。此機台最大特點是植入能量在250KeV以上，甚至達MeV以上。此類製程之應用可取代部份高溫爐管驅入製程，直接把摻雜的離子打入矽基板井區內，可減少晶圓製程之熱預算及避免大尺寸晶圓在1150°C長時間處理或升降溫過程中產生之變形。24整理ppt

24以上為擴散製程在晶圓製造上的清洗、爐管、離子植入等各類製程及設備。報告結束25整理ppt

25參考文獻張俊廖主編，《積體電路製程及設備技術手冊》，121~240，1997。刁建成編譯，《USL製程技術》，3-1~7-31，2000。任克川，《離子佈值機簡介(一)》，電子月刊第一卷第三期，170~180，1995任克川，《離子佈值機簡介(二)》，電子月刊第一卷第四期，150~159，1995C.Y.ChangandS.M.Sze,ULSITechnology,McGraw–Hill,N.Y.,199626整理ppt

26工作分配書面資料製作:張紹琼、蘇可欣協助資料提供:陳佑任PPT進程製作:廖書銘、王紀評上台報告:陳晉緯~THEEND~27整理ppt

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