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半導體製程及原理
作者:澳门波音平台   发布时间:2019-10-20 19:56

  (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(Integrated Circuit,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(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。

  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:

  當摻入的雜質為五價電子原子(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)。

  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。

  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(wafer fabrication)(中游)及晶圓切割、構裝(wafer package)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(polycrystalline silicon)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 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。

  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、連線及包裝等組配工程而成電子產品。各主要製程單元概述如下:

  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(gate oxide;與場氧化層(field oxide),此二層均由熱氧化程序製造。以下二化學反應式描述矽在氧或水蒸氣中的熱氧化:

  現代積體電路程序中,以氯介入氧化劑來改善氧化層的品質及Si-SiO2,接合面的性質。氯包含在氯氣、氯化氫HCl或二氯乙烷中,其將Si-SiO2,接合面的雜質反應成揮發性氯化物,多餘的氯會增加介質的崩潰強度,減低接合面缺陷密度。介電質附著層主要用來隔離及保護不同種類元件及積體電路。三種常用的附著方法是:大氣壓下化學蒸氣附著(CVD),低壓化學蒸氣附著(LPCVD)及電漿化學蒸氣附著(PCVD,或電漿附著)。化學蒸氣附著生成約二氧化矽並不取代熱生長的氧化層,因為後者具有較佳的電子性質。二氧化矽層可使用不同的附著方法,其中低溫附著(300~500℃)之氧化層由矽烷、雜質及氧氣形成。植入磷之二氧化矽的化學反應為

  於中等溫度(500~800℃)的附著,二氧化矽由四乙經基矽,Si(OC2H5)4,在LPCVD反應器中分解形成。其分解反應為:

  高溫附著(900℃),二氧化矽由二氯矽烷(SiCl2H2)與笑氣(N2O)在低壓下形成:

  氮化矽層可用作保護元件,方可作為矽氧化作用時的遮蔽層,覆蓋不欲氧化的矽晶部分,氮化矽的附著是在中等溫度(750℃)LPCVD程序或低溫(300℃)電漿CVD程序中形成。LPCVD程序中,二氯矽烷與氨在減壓下,700~800℃間,反應生成氮化矽附著,反應式為:

  電漿PCVD程序中,氮化矽由矽烷與氨在氫電槳中反應或是矽烷在放電氮氣中生成,反應式如下:

  矽晶聚合物,或稱聚合矽,在Metal Oxide Semiconductor(MOS)元件中用作閘極接線材料;多層金屬處理中當作導電材料;低能階接面元件中為接觸材料。方可作為擴散來源,生成低能階接面及矽晶體的歐姆接觸。其他用途包括電容及高電阻的製作。低壓反應器在600~650℃間操作,將矽烷熱解生成矽聚合體,反應式如下:

  金屬層如鋁及矽化物用來形成低電阻連接N+、P+及矽聚合物層的金屬接觸,及整流作用的金屬一半導體能障。金屬處理包含內部聯線、歐姆接觸及整流金屬二半導體接觸等金屬層的形成。金屬層可用不同方法鍍上,最重要的方法為物理蒸氣附著及化學蒸氣附著,鋁與其合金以及矽化金屬為兩種最重要的金屬。在金屬處理中,化學蒸氣附著(CVD)提供相當優良的同型階梯涵蓋層,且一次可製成大量晶圓。最新的積體電路cVD金屬附著是應用於難熔金屬的附著。以鎢為例其熱解及還原的化學反應式:

  其他金屬如鉬(MO),鉭(Ta),及鈦(Ti)都可應用於積體電路。這些金屬的附著皆是在LPCVD反應器中進行下列氫還原反應:

  積體電路金屬處理量最大的是鋁及其合金,因為兩者具備低電阻係數(Al為2.7μΩ-cm,合金為3.5μΩ-cm),符合低電阻的要求。矽化物如TiSi2及TaSi2,,其低電阻係數(≦50μΩ-cm),且在整個積體電路程序中不失原有性質,表列出不同矽化物的電阻係數。

  擴散及離子植入是用來控制半導體中雜質量的關鍵程序。擴散方法是使用植入雜質或雜質的氧化物作氣相附著,將雜質原子植入半導體晶圓的表面附近區域。雜質濃度由表面成單調遞減,雜質的分佈固形取決於溫度及擴散時間。離子植入程序中,雜質是以高能呈離子束植入半導體中。植入雜質的濃度在半導體內存在一高峰,雜質的分佈圖形取決於離子的質量與植入能量。離子植入程序的優點在於雜質量的精確控制,雜質分佈的再重整,以及低溫下操作。擴散與離子植入之比較如圖1.3所示。

  雜質的擴散基本上是將半導體晶圓置於熔爐中,然後以帶雜質原子的惰性氣體通過。於矽擴散作用中,最常使用的雜質為硼、砷及磷,這三種元素在矽中的溶解度相當高。雜質的來源包含數種,有固體來源(BN,AS2O3及P2O3),液體來源(BBr3、AsCl3及POCl3),氣體來源(B2H6、AsH3、及PH3)。通常,以上物質由惰性氣體(如N,)輸送至半導體表面而發生還原反應。固體來源的化學反應式如下反應時會往矽表面形成氧化層。

  離子植入是將高能量之帶電粒子射入矽基晶中。半導體中離子植入的實際應用改變了基晶層的電子性質。植入雜質濃度在1011~1016離子/cm2。雜質濃度的表示法是半導體單位表面積1cm2所植入的離子數目。

  印刻是在覆蓋半導體晶片表面的光敏感材料薄層(稱為光阻)印上幾何鑄型。不同的光阻鑄型不止一次的印刻在晶層上,以形成元件圖樣。再經蝕刻程序獲得各不同區,以便進行植入、擴散等前幾節所敘述的步驟。表1.2所列為IC印刻方法及對應使用之光阻成分。

  光阻化合物對輻射具敏感性,可區分為正光阻及負光阻。正光阻經過光照後,曝光區可以化學物質(去光阻劑或顯影液)溶解除去;負光阻正好相反。正光阻的組成有三:對光敏感化合物、樹脂及有機溶劑。負光阻是含光敏感組成的高分子。表1.3列出了商業上常用的IC印刻種類及其光阻型式。

  晶圓上光阻後,經曝光處理,再由顯影液將曝光區的正光阻溶解、洗淨、涼乾,再經蝕刻去除曝光區的絕緣層,而未曝光區的光阻則不受蝕刻影嚮,最後除去剩餘光阻,可用溶液(如H2SO4+H2O2槽)或電漿氧化,經此道程序,可製成設計所需之絕緣層鑄型影像。而絕緣層之鑄型影像,乃作為下個製程的遮避保護層,如離子植入未被絕緣層保護的半導體基質區域,整個積體電路的電路系統製程,通常須重覆地在晶圓表面作多次以上的印刻與蝕刻程序。

  濕法化學蝕刻乃利用液體化學物質與基質表面的特定材料反應溶出,此程序廣泛的應用於半導體製程中。最常使用的侵蝕液為硝酸(HNO3)及氫氟酸(HF)的水溶液或是醋酸(CH3COOH)溶液。

  鎵砷半導體之蝕刻液以H2SO4-H2O2-H2O為主。另外,絕緣層與金屬層之蝕刻,使用的是能溶解這些物質及其鹽類或錯化物的化學品。矽與鎵砷常見之蝕刻液列於表1.4,表1.5列出了常用作絕緣層及金屬層蝕刻的侵蝕液。

  乾法蝕刻(電漿蝕刻)乃利用低壓放電將氣體電離成電漿,所以電漿含全部或部分電離之氣體,其中有離子、電子及中子。表1.6列出兩種氣體蝕刻系統濺蝕刻製射程及平行台電漿蝕刻所使用之氣體。

  將晶片排列組合,做成積體電路,利用閘區化切割機或鑽石刀及雷射槍來替代切割機切割晶圓,形成IC薄片,如圖1.4所示

  為保護已連線的IC,將IC晶片封入環氧樹脂封套內。此種程序在壓模機中完成,操作溫度為180~200。C,如圖1.6所示。

  將整片連線打著完成之半產品自金屬線切開(即去筋),並將基板兩側漏出之金屬線打彎成直角,如圖1.7所示。

  半導體業積體電路製造過程十分複雜,且隨著產品之不同製程亦跟著改變。以下則舉一基本實例並配合圖形說明整個製程。半導體元件成品如圖1.8所示。

  半導體工業因產品不斷研發而製程亦隨著更改,從以往所採用之濕式製程到現在採用減壓後之氣體乾式製程,及目前興起之化合物半導體研究也正迅速發展中。隨著這些技術之革新,半導體製造時所使用之酸鹼溶液、有機溶劑、特殊氣體材料之種類及數量均在增加之中,而這些製程原料大部份都其有毒性,所以應特別注意並加以防範與控制。以下乃針對此產業各類生產流程,說明廢氣、廢水及廢棄物污染來源,以期能掌握各項污染物之排放。

  半導體製造不管在矽晶圓、積體電路製造,或是IC晶片構裝,其生產製程相當繁雜,製程申所使用之化學物質種類亦相當多,而這些化學物質或溶劑的使用是為半導體生產之主要空氣污染源,也因此使得半導體製造空氣污染呈現量少但種類繁多的特性。

  晶圓及積體電路製造過程中幾乎每個步驟皆分別使用各式各樣的酸鹼物質、有機溶劑及毒性氣體,而各種物質經過反應後又形成種類頗為複雜之產物,各製程不同使用的化學物質亦不相同,故所有製程幾乎部可能是空氣污染源,且皆為連績排放。圖2.1中說明晶圓及積體電路製程申可能之污染源及其排放之污染物。依污染物特性予以歸類,可將晶圓及積體電路製程空氣污染區分為下列三處:

  1.氧化擴散及化學蒸著沉積製程中所使用具有毒性、可燃性之氣體以及反應後所生成之氣體。

  至於晶圓切割成晶片,再經過一連串之構裝作業,可能之空氣污染源包括:電鍍區產生之酸鹼廢氣、浸錫區產生之錫煤煙,以及清洗過程產生之酸氣與有機溶劑蒸氣等三大類。圖2.2中則標示IC晶片構裝作業程序可能之空氣污染源及其排放之污染物。

  1.IC製造廠廢水來源雖多且造成污染之化學物質相當複雜,廢水主要為超純水清洗晶片、去光阻及刻蝕過程等程序所排出之廢水。各股廢水源及其所含的化學物質如下所示:

  2. IC構裝製造作業主要污染源為切割、電鍍、浸錫、清洗等廢水,如圖2.3所示:

  (2)電鍍廢水:脫脂過程之有機物及電鍍程序的Cu2+、Ni2+、Zn2+、Pb2+、Ag2+、氰化物、氟化物等。

  半導體製造工業在產業史上屬危險性較高之工業,尤其是超LSI製程需經過很多層之處理而成形,構成非常精密的回路,須於氣相中處理。同時這些處理都要在瞬間的狀態下進行,所以使用之氣體也採用化學活性高的元素,例如超LSI基於物理特性考慮,而使用金屬、半金屬及非金屬為氣體化之氫化物,烷基化合物(alkyl)或低級鹵素化合物(halogen)等。製程中由氧化至清洗階段包括光罩、蝕刻、離子植入及不純物擴散等,也都需使用具有毒性之膠合劑氣體及矽烷類氣體,其供給型態如表2.1及圖2.4所示。

  另外一般濕式製程中的蝕刻及清洗則使用大量的酸鹼溶液,基本上有氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、鹽酸(HCIl及氨(NH3)等,使用時大都形成混合液(buffer solution)。

  然而製程中幾乎每個步驟都使用有機溶劑,尤其在黃光區中光阻液清洗、濕像液清除、蝕刻液清除及晶圓清洗等均使用大量有機溶劑,主要有丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、丙醇、甲醇、三氯乙烷、丁酮、甲苯、苯、二甲苯、乙醇、乙酸甲酯、二氯乙烯及氯醛等。

  同一操作單元所使用之化學物質隨工廠之不同而異,而每個工廠也不一定使用所有化學物質,而本節中所列乃為工廠目前主要使用之化學物質。

  由以上敘述可將半導體工業所用之製程材料歸納為特殊毒性氣體、酸鹼液及有機溶劑三大類。由於所用之原料多為劇毒且具刺激性、危險性及易燃性,對人體傷害甚鉅,美國安全衛生協會(OSHA),已對這些物質訂定安全衛生標準加以防範,如HF曝露閥值為3ppm、HCl為5ppm、H2SO4為lmg/m3、HNO3為lmg/m3、NH3為25ppm、Cl2為lppm、ASH3為0.05ppm、pH3為0.03ppm。另外由於此行業過去使用極多之氟氨碳化物(CFCs,代表所有鹵素合成物,包括氟氯碳及氟氯烷),這些合成物對臭氧層之破壞力十倍於氫氯碳化合物(HFCs),因此現多已改用其他替代之方法,而且將完全不用CFCs類化學品。

  積體電路製造隨著其製程使用不同的化學物質,所產生的空氣污染物種類與特性亦不同,可歸納為酸鹼廢氣、有機溶劑逸散蒸氣、特殊毒性及燃燒性氣體;如表2.2所示。

  二氯甲烷(CH2Cl2)、氯仿(CHCl3)、丁酮、甲苯、乙苯、丙酮、苯、二甲苯、4-甲基-2-戊酮[(CH3)2CHCH2COCH3]、乙酸丁酯、三氯乙烷、異丙醇、四甲基胺、氨醛、四氯乙烯、乙基苯、亞甲基二氯、丁基苯、Trans-1,2-Dichloroethene

  至於IC晶片構裝製造業產生之污染物計有電鍍區產生之酸鹼廢氣、浸錫區產生的錫煙氣及清洗過程產生之酸氣、有機溶劑逸散蒸氣。採用之酸液主要為硝酸、硫酸,有機溶劑為三氯乙烷及丙酮。

  IC製造廠由於產品類型及規格相當多樣化,因此製程單元組合多不相同,因此製程排出之廢水種類及造成污染之化學物質相當多且繁雜,而廢水絕大多數為超純水清洗晶片、去光阻及蝕刻等程序所排出之廢水,若依照廢水成份特性大致上可區分為酸鹼廢水及含氟廢水兩大類,由於此兩類廢水之污染特性差異甚大,處理時必須予以妥善分流收集:

  IC構裝廠主要污染源為電鍍程序產生的廢液及廢棄水洗水。其電鍍程序依產品差異而有不同,包括有鍍錫鉛、鍍鎳、鍍銀等。綜合其廢水種類可依污染性及廢水來源區分為研磨廢水、脫脂廢水、酸鹼廢水、氰化物廢水、重金屬廢水等類。

  脫脂廢水:電鍍前處理程序產出,含SS、油脂、COD以及螯合劑。

  重金屬廢水:電鍍程序產出,包括底材溶出,鍍液帶出,而溶入水洗水,污染質包括pH、Zn、Pb等重金屬。

  由於積體電路製造業之製程須依據產品設計需求而決定,故廢水水量水質隨製程改變而有相當大的變化,又由於積體電路產品之多元化,乃致廢水之水量/水質經常變動,尤以電鍍程序之鍍液種類最明顯,各IC構裝廠之電鍍程序大不相同,產生之重金屬及氰化物種類相差甚大,而其中主要使用程序為鍍錫鉛,而氰化物及其他重金屬之整體污染則較微量。

  1.一般事業之廢棄物:生活垃圾、紙、玻璃、塑膠、木材、保麗龍、橡膠手套、不織布口罩及鞋套、廢溶劑、廢濾料、顯影廢液、微影清洗廢液、泵浦廢油、含氟廢水虛理污泥、廢晶片,其申廢溶劑包括三氯乙烷、異丙烷、丙酮、乙醇、二甲苯、甲苯、乙酸丁酯、甲醇、三氯甲烷、三氟三氯乙烷等。

  2.有害事業廢棄物:廢酸、廢鹼、毒性氣體吸附廢料。其中廢酸包括HF、NH4F、H2SO4、HCl、HNO3、HAc、HBr等,廢鹼則為NH4OH。


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