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            專(zhuān)業(yè)知識分享
            把脈行業(yè)熱點(diǎn),汲取前沿思維

            半導體制造基本概念

            • 編輯: 深圳容樂(lè )電子官網(wǎng)
            • 發(fā)表時(shí)間:2019-11-01
              晶圓(Wafer)
              晶圓(Wafer)的生產(chǎn)由砂即(二氧化硅)開(kāi)始,經(jīng)由電弧爐的提煉還原成 冶煉級的硅,再經(jīng)由鹽酸氯化,產(chǎn)生三氯化硅,經(jīng)蒸餾純化后,透過(guò)慢速分解過(guò)程,制成棒狀或粒狀的「多晶硅」。一般晶圓制造廠(chǎng),將多晶硅融解 后,再利用硅晶種慢慢拉出單晶硅晶棒。一支85公分長(cháng),重76.6公斤的8吋 硅晶棒,約需2天半時(shí)間長(cháng)成。經(jīng)研磨、拋光、切片后,即成半導體之原料晶圓片。
              光學(xué)顯影
              光學(xué)顯影是在光阻上經(jīng)過(guò)曝光和顯影的程序,把光罩上的圖形轉換到光阻下面的薄膜層或硅晶上。光學(xué)顯影主要包含了光阻涂布、烘烤、光罩對準、 曝光和顯影等程序。小尺寸之顯像分辨率,更在 IC 制程的進(jìn)步上,扮演著(zhù)最關(guān)鍵的角色。由于光學(xué)上的需要,此段制程之照明采用偏黃色的可見(jiàn)光。因此俗稱(chēng)此區為 黃光區。
              干式蝕刻技術(shù)
              在半導體的制程中,蝕刻被用來(lái)將某種材質(zhì)自晶圓表面上移除。干式蝕刻(又稱(chēng)為電漿蝕刻)是目前最常用的蝕刻方式,其以氣體作為主要的蝕刻媒介,并藉由電漿能量來(lái)驅動(dòng)反應。
              電漿對蝕刻制程有物理性與化學(xué)性?xún)煞矫娴挠绊?。首先,電漿會(huì )將蝕刻氣體分子分解,產(chǎn)生能夠快速蝕去材料的高活性分子。此外,電漿也會(huì )把這些化學(xué)成份離子化,使其帶有電荷。
              晶圓系置于帶負電的陰極之上,因此當帶正電荷的離子被陰極吸引并加速向陰極方向前進(jìn)時(shí),會(huì )以垂直角度撞擊到晶圓表面。芯片制造商即是運用此特性來(lái)獲得絕佳的垂直蝕刻,而后者也是干式蝕刻的重要角色。
              基本上,隨著(zhù)所欲去除的材質(zhì)與所使用的蝕刻化學(xué)物質(zhì)之不同,蝕刻由下列兩種模式單獨或混會(huì )進(jìn)行:
              1. 電漿內部所產(chǎn)生的活性反應離子與自由基在撞擊晶圓表面后,將與某特定成份之表面材質(zhì)起化學(xué)反應而使之氣化。如此即可將表面材質(zhì)移出晶圓表面,并透過(guò)抽氣動(dòng)作將其排出。
              2. 電漿離子可因加速而具有足夠的動(dòng)能來(lái)扯斷薄膜的化學(xué)鍵,進(jìn)而將晶圓表面材質(zhì)分子一個(gè)個(gè)的打擊或濺擊(sputtering)出來(lái)。
              化學(xué)氣相沉積技術(shù)
              化學(xué)氣相沉積是制造微電子組件時(shí),被用來(lái)沉積出某種薄膜(film)的技術(shù),所沉積出的薄膜可能是介電材料(絕緣體)(dielectrics)、導體、或半導體。在進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制程時(shí),包含有被沉積材料之原子的氣體,會(huì )被導入受到嚴密控制的制程反應室內。當這些原子在受熱的昌圓表面上起化學(xué)反應時(shí),會(huì )在晶圓表面產(chǎn)生一層固態(tài)薄膜。而此一化學(xué)反應通常必須使用單一或多種能量源(例如熱能或無(wú)線(xiàn)電頻率功率)。
              CVD制程產(chǎn)生的薄膜厚度從低于0.5微米到數微米都有,不過(guò)最重要的是其厚度都必須足夠均勻。較為常見(jiàn)的CVD薄膜包括有:
              ■ 二氣化硅(通常直接稱(chēng)為氧化層)
              ■ 氮化硅
              ■ 多晶硅
              ■ 耐火金屬與這類(lèi)金屬之其硅化物
              可作為半導體組件絕緣體的二氧化硅薄膜與電漿氮化物介電層(plasmas nitride dielectrics)是目前CVD技術(shù)最廣泛的應用。這類(lèi)薄膜材料可以在芯片內部構成三種主要的介質(zhì)薄膜:內層介電層(ILD)、內金屬介電層(IMD)、以及保護層。此外、金層化學(xué)氣相沉積(包括鎢、鋁、氮化鈦、以及其它金屬等)也是一種熱門(mén)的CVD應用。
              物理氣相沉積技術(shù)
              如其名稱(chēng)所示,物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition)主要是一種物理制程而非化學(xué)制程。此技術(shù)一般使用氬等鈍氣,藉由在高真空中將氬離子加速以撞擊濺鍍靶材后,可將靶材原子一個(gè)個(gè)濺擊出來(lái),并使被濺擊出來(lái)的材質(zhì)(通常為鋁、鈦或其合金)如雪片般沉積在晶圓表面。制程反應室內部的高溫與高真空環(huán)境,可使這些金屬原子結成晶粒,再透過(guò)微影圖案化(patterned)與蝕刻,來(lái)得到半導體組件所要的導電電路。
              解離金屬電漿(IMP)物理氣相沉積技術(shù)
              解離金屬電漿是最近發(fā)展出來(lái)的物理氣相沉積技術(shù),它是在目標區與晶圓之間,利用電漿,針對從目標區濺擊出來(lái)的金屬原子,在其到達晶圓之前,加以離子化。離子化這些金屬原子的目的是,讓這些原子帶有電價(jià),進(jìn)而使其行進(jìn)方向受到控制,讓這些原子得以垂直的方向往晶圓行進(jìn),就像電漿蝕刻及化學(xué)氣相沉積制程。這樣做可以讓這些金屬原子針對極窄、極深的結構進(jìn)行溝填,以形成極均勻的表層,尤其是在最底層的部份。
              高溫制程
              多晶硅(poly)通常用來(lái)形容半導體晶體管之部分結構:至于在某些半導體組件上常見(jiàn)的磊晶硅(epi)則是長(cháng)在均勻的晶圓結晶表面上的一層純硅結晶。多晶硅與磊晶硅兩種薄膜的應用狀況雖然不同,卻都是在類(lèi)似的制程反應室中經(jīng)高溫(600℃至1200℃)沉積而得。
              即使快速高溫制程(Rapid Thermal Processing, RTP)之工作溫度范圍與多晶硅及磊晶硅制程有部分重疊,其本質(zhì)差異卻極大。RTP并不用來(lái)沈積薄膜,而是用來(lái)修正薄膜性質(zhì)與制程結果。RTP將使晶圓歷經(jīng)極為短暫且精確控制高溫處理過(guò)程,這個(gè)過(guò)程使晶圓溫度在短短的10至20秒內可自室溫升到1000℃。RTP通常用于回火制程(annealing),負責控制組件內摻質(zhì)原子之均勻度。此外RTP也可用來(lái)硅化金屬,及透過(guò)高溫來(lái)產(chǎn)生含硅化之化合物與硅化鈦等。最新的發(fā)展包括,使用快速高溫制程設備在晶極重要的區域上,精確地沉積氧及氮薄膜。
              離子植入技術(shù)
              離子植入技術(shù)可將摻質(zhì)以離子型態(tài)植入半導體組件的特定區域上,以獲得精確的電子特性。這些離子必須先被加速至具有足夠能量與速度,以穿透(植入)薄膜,到達預定的植入深度。離子植入制程可對植入區內的摻質(zhì)濃度加以精密控制?;旧?,此摻質(zhì)濃度(劑量)系由離子束電流(離子束內之總離子數)與掃瞄率(晶圓通過(guò)離子束之次數)來(lái)控制,而離子植入之深度則由離子束能量之大小來(lái)決定。
              化學(xué)機械研磨技術(shù)
              化學(xué)機械研磨技術(shù)(Chemical Mechanical Polishing, CMP)兼其有研磨性物質(zhì)的機械式研磨與酸堿溶液的化學(xué)式研磨兩種作用,可以使晶圓表面達到全面性的平坦化,以利后續薄膜沉積之進(jìn)行。
              在CMP制程的硬設備中,研磨頭被用來(lái)將晶圓壓在研磨墊上并帶動(dòng)晶圓旋轉,至于研磨墊則以相反的方向旋轉。在進(jìn)行研磨時(shí),由研磨顆粒所構成的研漿會(huì )被置于晶圓與研磨墊間。影響CMP制程的變量包括有:研磨頭所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊的旋轉速度、研漿與研磨顆粒的化學(xué)成份、溫度、以及研磨墊的材質(zhì)與磨損性等等。
              制程監控
              在下個(gè)制程階段中,半導體商用CD-SEM來(lái)量測芯片內次微米電路之微距,以確保制程之正確性。一般而言,只有在微影圖案(photolithographic patterning)與后續之蝕刻制程執行后,才會(huì )進(jìn)行微距的量測。
              光罩檢測(Retical Inspection)
              光罩是高精密度的石英平板,是用來(lái)制作晶圓上電子電路圖像,以利集成電路的制作。光罩必須是完美無(wú)缺,才能呈現完整的電路圖像,否則不完整的圖像會(huì )被復制到晶圓上。光罩檢測機臺則是結合影像掃描技術(shù)與先進(jìn)的影像處理技術(shù),捕捉圖像上的缺失。當晶圓從一個(gè)制程往下個(gè)制程進(jìn)行時(shí),圖案晶圓檢測系統可用來(lái)檢測出晶圓上是否有瑕疵包括有微塵粒子、斷線(xiàn)、短路、以及其它各式各樣的問(wèn)題。此外,對已印有電路圖案的圖案晶圓成品而言,則需要進(jìn)行深次微米范圍之瑕疵檢測。一般來(lái)說(shuō),圖案晶圓檢測系統系以白光或雷射光來(lái)照射晶圓表面。再由一或多組偵測器接收自晶圓表面繞射出來(lái)的光線(xiàn),并將該影像交由高功能軟件進(jìn)行底層圖案消除,以辨識并發(fā)現瑕疵。
              切   割
              晶圓經(jīng)過(guò)所有的制程處理及測試后,切割成壹顆顆的IC。舉例來(lái)說(shuō):以0.2 微米制程技術(shù)生產(chǎn),每片八吋晶圓上可制作近六百顆以上的64M DRAM。
              封   裝
              制程處理的最后一道手續,通常還包含了打線(xiàn)的過(guò)程。以金線(xiàn)連接芯片與導線(xiàn)架的線(xiàn)路,再封裝絕緣的塑料或陶瓷外殼,并測試IC功能是否正常。由于切割與封裝所需技術(shù)層面比較不高, 因此常成為一般業(yè)者用以介入半導體工業(yè)之切入點(diǎn)。
              300mm
              為協(xié)助晶圓制造廠(chǎng)克服300mm晶圓生產(chǎn)的挑戰,應用材料提供了業(yè)界最完整的解決方案。不但擁有種類(lèi)齊全的300mm晶圓制造系統,提供最好的服務(wù)與支持組織,還掌握先進(jìn)制程與制程整合的技術(shù)經(jīng)驗;從降低風(fēng)險、增加成效,加速量產(chǎn)時(shí)程,到協(xié)助達成最大生產(chǎn)力,將營(yíng)運成本減到最低等,以滿(mǎn)足晶圓制造廠(chǎng)所有的需求。
              應用材料的300mm全方位解決方案,完整的產(chǎn)品線(xiàn)為:
              高溫處理及離子植入設備(Thermal Processes and Implant)
              介質(zhì)化學(xué)氣相沉積(DCVD:Dielectric Chemical Vapor Deposition)
              金屬沉積(Metal Deposition)
              蝕刻(Etch)
              化學(xué)機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)
              檢視與量測(Inspection & Metrology)
              制造執行系統(MES:Manufacturing Execution System)
              服務(wù)與支持(Service & Support)
              銅制程技術(shù)
              在傳統鋁金屬導線(xiàn)無(wú)法突破瓶頸之情況下,經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展,銅導線(xiàn)已經(jīng)開(kāi)始成為半導體材料的主流,由于銅的電阻值比鋁還小,因此可在較小的面積上承載較大的電流,讓廠(chǎng)商得以生產(chǎn)速度更快、電路更密集,且效能可提升約30-40%的芯片。亦由于銅的抗電子遷移(electro-migration)能力比鋁好,因此可減輕其電移作用,提高芯片的可靠度。在半導體制程設備供貨商中,只有應用材料公司能提供完整的銅制程全方位解決方案與技術(shù),包括薄膜沉積、蝕刻、電化學(xué)電鍍及化學(xué)機械研磨等。
              應用材料公司的銅制程全方位解決方案
              在半導體組件中制造銅導線(xiàn),牽涉不僅是銅的沉積,還需要一系列完整的制程步驟,并加以仔細規劃,以便發(fā)揮最大的效能。應用材料公司為發(fā)展銅制程相關(guān)技術(shù),已與重要客戶(hù)合作多年,具有豐富的經(jīng)驗;此外在半導體制程設備所有供貨商中,也只有應用材料公司能夠提供銅導線(xiàn)結構的完整制程技術(shù),包括薄膜沉積、蝕刻、電化學(xué)電鍍及化學(xué)機械研磨等。
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