来的电浆,即带有氟或氯之离子团,可快速与芯片表面材质反应。
干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕,不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点,能兼顾边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点,换言之,本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive ion etch;RIE) 已足敷「次微米」线宽制程技术的要求,而正被大量使用中。
3. 搀杂
经过这两步后,我们就可以在上面加入其他杂质,生成相应的P,N类半导体。 扩散(炉) (diffusion) 1、扩散掺杂
半导体材料可搀杂n型或p型导电杂质来调变阻值,却不影响其机械物理性质的特点,是进一步创造出p-n接合面(p-n junction)、二极管(diode)、晶体管(transistor)、以至于大千婆娑之集成电路(IC)世界之基础。而扩散是达成导电杂质搀染的初期重要制程。
众所周知,扩散即大自然之输送现象 (transport phenomena);质量传输(mass transfer)、热传递(heat transfer)、与动量传输 (momentum transfer;即摩擦拖曳) 皆是其实然的三种已知现象。本杂质扩散即属于质量传输之一种,唯需要在850oC以上的高温环境下,效应才够明显。
由于是扩散现象,杂质浓度C (concentration;每单位体积具有多少数目的导电杂质或载子)服从扩散方程式如下:
这是一条拋物线型偏微分方程式,同时与扩散时间t及扩散深度x有关。换言之,在某扩散瞬间 (t固定),杂质浓度会由最高浓度的表面位置,往深度方向作递减变化,而形成一随深度x变化的浓度曲线;另一方面,这条浓度曲线,却又随着扩散时间之增加而改变样式,往时间无穷大时,平坦一致的扩散浓度分布前进!
既然是扩散微分方程式,不同的边界条件(boundary conditions)施予,会产生不同之浓度分布外形。固定表面浓度 (constant surface concentration) 与固定表面搀杂量 (constant surface dosage),是两种常被讨论的具有解析精确解的扩散边界条件(参见图2-4): 2、前扩散 (pre-deposition)
第一种定浓度边界条件的浓度解析解是所谓的互补误差函数(complementary error function),其对应之扩散步骤称为「前扩散」,即我们一般了解之扩散制程;当高温炉管升至工作温度后,把待扩散晶圆推入炉中,然后开始释放扩散源 (p型扩散源通常是固体呈晶圆状之氮化硼【boron-nitride】芯片,n型则为液态POCl3之加热蒸气) 进行扩散。其浓度剖面外形之特征是杂质集中在表面,表面浓度最高,并随深度迅速减低,或是说表面浓度梯度 (gradient) 值极高。 3、后驱入 (post drive-in)
第二种定搀杂量的边界条件,具有高斯分布 (Gaussian distribution) 的浓度解析解。对应之扩散处理程序叫做「后驱入」,即一般之高温退火程序;基本上只维持炉管的驱入工作温度,扩散源却不再释放。或问曰:定搀杂量的起始边界条件自何而来?答案是「前扩散」制程之结果;盖先前「前扩散」制作出之杂质浓度集中于表面,可近似一定搀杂量的边界条件也!
至于为什么扩散要分成此二类步骤,当然不是为了投数学解析之所好,而是因应阻值调变之需求。原来「前扩散」的杂质植入剂量很快达到饱和,即使拉长「前扩散」的时间,也无法大幅增加杂质植入剂量,换言之,电性上之电阻率 (resistivity) 特性很快趋
稳定;但「后驱入」使表面浓度及梯度减低(因杂质由表面往深处扩散),却又营造出再一次「前扩散」来增加杂质植入剂量的机会。所以,借着多次反复的「前扩散」与「后驱入」,既能调变电性上之电阻率特性,又可改变杂质电阻之有效截面积,故依大家熟知之电阻公式 ; 其中 是电阻长度可设计出所需导电区域之扩散程序。 4、扩散之其它要点,简述如下:
(1)扩散制程有批次制作、成本低廉的好处,但在扩散区域之边缘所在,有侧向扩散的误差,故限制其在次微米 (sub-micron) 制程上之应用。
(2)扩散之后的阻值量测,通常以四探针法(four-point probe method)行之,示意参见图2-5。目前市面已有多种商用机台可供选购。 (3)扩散所需之图形定义(pattern)及遮掩(masking),通常以氧化层(oxide)充之,以抵挡高温之环境。一微米厚之氧化层,已足敷一般扩散制程之所需。
以上3步不断的进行,直到芯片完成为止。在P4 处理器芯片的制作中一共用了26
张遮光物,制造了7层金属层。如下图:
当然不得不提的就是所有制作都在非常洁净的环境完成。因为任何非常细小的灰尘
都会导致芯片的失败(如下图)。
4. 金属镀膜
镀上一层导电材料, 用以连接各半导体晶体管, 并经蚀刻形成线路及 bond pad.
金属镀膜 (Metal Deposition) 又称物理镀膜 (Physical Vapor Deposition;PVD),依原理分为蒸镀(evaporation) 与溅镀 (sputtering) 两种。PVD基本上都需要抽真空:前者在10-6~10-7Torr的环境中蒸着金属;后者则须在激发电浆前,将气室内残余空气抽除,也是要抽到10-6~ 10-7Torr的程度。
一般的机械式抽气帮浦,只能抽到10-3Torr的真空度,之后须再串接高真空帮浦 (机械式帮浦当作接触大气的前级帮浦),如:扩散式帮浦 (diffusion pump)、涡轮式帮浦 (turbo pump)、或致冷式帮浦 (cryogenic pump),才能达到10-6 ~10-7Torr的真空程度。当然,不同的真空帮浦规范牵涉到不同原理之压力计、管路设计、与价格。 1、蒸镀
蒸镀就加热方式差异,分为电阻式 (thermal coater) 与电子枪式 (E-gun evaporator) 两类机台。前者在原理上较容易,就是直接将准备熔融蒸发的金属以线材方式挂在加热钨丝上,一旦受热熔融,因液体表面张力之故,会攀附在加热钨丝上,然后徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。因加热钨丝耐热能力与供金属熔液攀附空间有限,仅用于低熔点的金属镀着,如铝,且蒸着厚度有限。
电子枪式蒸镀机则是利用电子束进行加热,熔融蒸发的金属颗粒全摆在石墨或钨质坩埚 (crucible) 中。待金属蒸气压超过临界限度,也开始徐徐蒸着至四周 (包含晶圆)。电子枪式蒸镀机可蒸着熔点较高的金属,厚度也比较不受限制。 蒸镀法基本上有所谓阶梯覆披 (step coverage) 不佳的缺点,如图2-12所示。也就是说在起伏较剧烈的表面,蒸着金属有断裂不连续之虞。另外,多片晶圆的大面积镀着也存在厚度均匀的问题。为此,芯片之承载台加上公自转的机构,便用于上述两问题之改善。 2、溅镀
溅镀虽是物理镀膜的方法,但与蒸发毫无关系。就如同将石头丢入一滩泥沼中,会喷溅出许多泥浆般,溅镀利用氩气电浆,高速冲击受镀靶材 (target),因而将靶材表面附近材质喷溅出来,落至晶圆之上。由于靶材是一整面而不是一点接受轰击,所以喷溅出来的材质,也有可能填塞到芯片表面阶梯死角的部位,而比较没有断线不连续或所谓阶梯披覆的问题。
溅镀也依电浆受激之能量源不同,分为直流 (DC) 与射频 (RF) 两种。基本上,两种溅镀机都可镀着金属薄膜。但后者特别可以针对非金属薄膜,如压电(piezoelectric) 或磁性材料,具有「绝缘、熔点高、成份复杂、对堆栈方式相当敏感」等智能型薄膜之镀着特征
5. 涂保护层
涂上保护层以保护线路,并留出bond pad 的位置以供后续作业。 保护层一般是由硼磷玻璃构成。
General wafer process introduction
硅片制造 (前端) 硅片起始 薄膜 无图形硅片 完成的硅片 扩散 光刻 刻蚀 光刻胶掩蔽 测试/拣选 注入后退火 注入 硬膜掩蔽 (氧化硅或氮化硅) 抛光