半導體製程簡介

一般積體電路製程主要可分為三個階段﹕矽晶片 (Wafer)的製造、積體 電路製造及積體電路封裝(Package)等，其簡易流程，如圖 2-2 所示。

1. 矽晶片的製造﹕

採用天然之矽砂(SiO2)，於矽砂中加入探提煉出冶金級矽(Metallurgical Grade Si)，之後再加入綠化清氣體生成三氯矽甲烷，經蒸餾精製後，

再以氫氣還原成高純度之多晶矽﹔接著利用「浮動區(Float Zone)長晶 法」或「柴可拉斯基(Czochralski )長晶法」，將多晶矽製程單晶矽晶 棒﹔最後將矽晶棒切片及整形後，便可得到第二階段積體電路製造所 需之單晶基板(Substrate)，即是所稱之矽晶片(Wafer)。由於單晶矽晶 棒非常堅硬，所以從單晶矽晶棒至矽晶片之過程中，必須經由鑽石刀 切割後，再利用研磨漿(Surry)或各類蝕刻液如 HNO3、HF、NaOH 及 KOH 等進行表面拋光， 接著在使用多種無機酸鹼液進行清洗，即可 製成單晶矽晶片。

2. 積體電路的製造:

一般來講包含薄膜沉積(Thin Film Deposition)、微影

(Photolithography) 、蝕刻(Etching)、擴散 (Diffusion)四大製程，又可 將其細分為晶片清洗、氧化、光阻塗布、曝光、顯影、離子植入、光

力。

(4) 曝光﹕利用紫外光(UV)或其它光源將光罩(Mask)片上之線路圖案 頭設在相對應之光阻模上，使光阻模上中之感光性化合物進行選 導電能力除決定於本身材質的能隙（Energy Gap）特性外，外來摻質

（Dopant）亦可使半導體的電性發生變化，以四價矽為例，若矽中含 有少量五價磷，磷將可提供電子使原本矽的導電性增加而形成 N 型半 導體，若加入三價硼則形成電洞而成為 P 型半導體，III, IV 族元素如表 2-3 所示。目前超大型積體電路（Very Large Scale Integration， VLSI）

的製程主要摻雜（Doping）技術，包括傳統式的擴散法（Diffusion），

及離子植入法（Ion Implantation）等，離子植入法的進行方式是將摻 質以離子形式藉由提昇它的能量或動能，直接將其打入矽裡面，通常 以電漿（Plasma）產生製程所需的離子，利用電場加速離子運動速度 及磁場改變運動方向，最後將離子植入晶圓中。

圖 2-2 積體電路製造簡易流程圖 2.3. CVD 製程機台架構

2.3.1 CVD 原理

在半導體製程上，CVD 反應的環境，包括：溫度、壓力、氣體的供給 方式、流量、氣體混合比及反應器裝置等等。基本上氣體傳輸、熱能傳遞 及反應進行三方面，亦即反應氣體被導入反應器中，藉由擴散方式經過邊 界層(boundary layer)到達晶片表面，而由晶片表面提供反應所需的能量，

反應氣體就在晶片表面產生化學變化，生成固體生成物，而沈積在晶片表 面。[1]

2.3.2 CVD 反應機制

化學氣相沈積程分為下列五個主要的步驟：

(a).首先在沈積室中導入反應氣體，以及稀釋用的惰性氣體所構成的混合氣 體，『主氣流』(mainstream)、

(b).主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的『邊界層』

(boundary layer)而到達基板表面、

(c).反應氣體原子被『吸附』(adsorbed)在基板上、

(d).吸附原子(ad-atoms)在基板表面遷徙，並且產生薄膜成長所須要的表面 化學反應、

(e).表面化學反應所產生的氣體生成物被『吸解』(desorbed)，並且往外擴 散通過邊界層而進入主氣流中，並由沈積室中被排除。

圖 2-3:化學氣相沈積五個主要機制

2.3.3 CVD 的種類與比較

在積體電路製程中，經常使用的 CVD 技術有：

(1).『大氣壓化學氣相沈積』(atmospheric pressure CVD、縮寫 APCVD) 系統、

(2).『低壓化學氣相沈積』(low pressure CVD、縮寫 LPCVD)系統、

(3).『電漿輔助化學氣相沈積』(plasma enhanced CVD、縮寫 PECVD) 系統。

2.3.4 大氣壓化學氣相沈積系統(APCVD)

APCVD 是在近於大氣壓的狀況下進行化學氣相沈積的系統。圖 2-4 是一個連續式 APCVD 系統的結構示意圖。圖中晶片是經由輸送帶傳送 進入沈積室內以進行 CVD 作業，這種作業方式適合晶圓廠的固定製 程。圖中工作氣體是由中央導入，而在外圍處的快速氮氣氣流會形成『氣 簾』(air curtain)作用，可藉此氮氣氣流來分隔沈積室內外的氣體，使沈 積室內的危險氣體不致外洩。

APCVD 系統的優點是具有高沈積速率，而連續式生產更是具有相 當高的產出數，因此適合積體電路製程。APCVD 系統的其他優點還有 良好的薄膜均勻度，並且可以沈積直徑較大的晶片。然而 APCVD 的缺 點與限制則是須要快速的氣流，而且氣相化學反應發生。在大氣壓狀況 下，氣體分子彼此碰撞機率很高，因此很容易會發生氣相反應，使得所 沈積的薄膜中會包含微粒。通常在積體電路製程中。APCVD 只應用於 成長保護鈍化層。此外，粉塵也會卡在沈積室壁上，因此須要經常清洗 沈積室。

圖 2-4:APCVD 系統結構示意圖

2.3.5 低壓化學氣相沈積系統(LPCVD)

LPCVD 是在低於大氣壓狀況下進行沈積。圖 2-5 是一個典型的低壓 化學氣相沈積系統的結構示意圖。在這個系統中沈積室(deposition chamber)是由石英管(quartz tube)所構成，而晶片則是豎立於一個特製 的固定架上，這是一種『批次型式』(batch-type)的沈積製程方式。這種

系統是一個熱壁系統，加熱裝置是置於石英管外。在 LPCVD 系統中須 要安裝一個真空幫浦，使沈積室內保持在所設定的低壓狀況，並且使用 壓力計來監控製程壓力。在『三區高溫爐』(3-zone furnace)中溫度是由 氣體入口處往出口處逐漸升高，以彌補由於氣體濃度在下游處的降低，

所可能造成的沈積速率不均勻現象。

與 APCVD 系統相比較，LPCVD 系統的主要優點在於具有優異的薄 膜均勻度，以及較佳的階梯覆蓋能力，並且可以沈積大面積的晶片；而 LPCVD 的缺點則是沈積速率較低，而且經常使用具有毒性、腐蝕性、

可燃性的氣體。由於 LPCVD 所沈積的薄膜具有較優良的性質，因此在 積體電路製程中 LPCVD 是用以成長磊晶薄膜及其它品質要求較高的薄 膜。

圖 2-5:LPCVD 系統結構示意圖

2.3.6 電漿輔助化學氣相沈積系統（PECVD）

PECVD 系統使用電漿的輔助能量，使得沈積反應的溫度得以降低。

在 PECVD 中由於電漿的作用而會有光線的放射出來，因此又稱為『輝 光放射』(glow discharge)系統。圖 2-6 是一個 PECVD 系統的結構示意 圖。圖中沈積室通常是由上下的兩片鋁板，以及鋁或玻璃的腔壁所構成 的。臏體內有上下兩塊鋁製電極，晶片則是放置於下面的電極基板之 上。電極基板則是由電阻絲或燈泡加熱至 100℃至 400℃之間的溫度範 圍。當在二個電極板間外加一個 13.56MHz 的『射頻』(radio frequency，

縮寫 RF)電壓時，在二個電極之間會有輝光放射的現象。工作氣體則是 由沈積室外緣處導入，並且作徑向流動通過輝光放射區域，而在沈積室 中央處由真空幫浦加以排出。

PECVD 的沈積原理與一般的 CVD 之間並沒有太大的差異。電漿中 的反應物是化學活性較高的離子或自由基，而且基板表面受到離子的撞

擊也會使得化學活性提高。這兩項因素都可促進基板表面的化學反應速 率，因此 PECVD 在較低的溫度即可沈積薄膜。在積體電路製程中，

PECVD 通常是用來沈積 SiO2 與 Si3N4 等介電質薄膜。PECVD 的主 要優點是具有較低的沈積溫度；而 PECVD 的缺點則是產量低，容易會

有微粒的污染。而且薄膜中常含有大量的氫原子。

圖 2-6:PECVD 系統的結構示意圖

2.3.7 CVD 與 PVD 之比較 1. 選材：

化學蒸鍍－裝飾品、超硬合金、陶瓷 物理蒸鍍－高溫回火之工、模具鋼 2. 蒸鍍溫度、時間及膜厚比較

化學蒸鍍－1000℃附近，2~8 小時，1~30μm(通常 5~10μm) 物理蒸鍍－400~600℃，1~3 小時，1~10μm

3. 物性比較

化學蒸鍍皮膜之結合性良好，較複雜之形狀及小孔隙都能蒸鍍；唯 若用於工、模具鋼，因其蒸鍍溫度高於鋼料之回火溫度，故蒸鍍後 需重施予淬火－回火，不適用於具精密尺寸要求之工、模具。

不需強度要求之裝飾品、超硬合金、陶瓷等則無上述顧慮，故能適

用。物理蒸鍍皮膜之結合性較差，且背對金屬蒸發源之處理件陰部

(二)、可燃性：H2、CH4、SiH4、PH3、AsH3、SiH2Cl2、B2H6、CH2F2、 CH3F、CO…等

(三)、助燃性：O2、Cl2、 N2O、NF3…等

(四)、惰性：N2、CF4、C2F6、C4F8、SF6、CO2、Ne、Kr、He 等 其中很多氣體是具有二項以上的特性，特別是腐蝕性氣體一般而言 亦同時 具有毒性，PH3 則具有腐蝕性和毒性外，亦具有可燃性，是相 當危險的一種氣 體。若期望對氣體供應系統做出較佳的規劃設計，一 定要對氣體特性有相當的 了解，才有可能駕馭它、控制它，而詳細的 閱讀各項氣體的物質安全資料表 (MSDS)則是了解它的第一步。透過 MSDS 我們可以很清楚的知道它的各項特 性，包括物理特性、化學特 性、毒性、相容性…等，乃至於緊急處理的方法和 步驟皆有詳細的介 紹；圖 2-7 則是列出一些常用氣體間的相容性與可能的反應 狀況。

圖 2-7:半導體製程常用氣體相互反應圖

特殊氣體的供應方式截至目前為止，幾乎皆用鋼瓶的方式進行，一 般常用 的為高壓鋼瓶，但依其填充的氣體特性又可分為氣態與液態鋼 瓶，一般氣體皆 為氣態鋼瓶，其填充壓力亦高，氣體以氣態儲存於鋼 瓶內；低蒸氣壓的氣體則 以液態儲存於鋼瓶內。另有一種吸附式的氣 體儲存鋼瓶，即所謂的安全供應氣源(SDS, Safe Delivery Source)，可 藉由介質如沸石和活性碳對特定的氣體如 PH3、AsH3、BF3、SiF4 等進 行物理吸附，以氣體分子與吸附劑間的凡得瓦力將 氣體吸附於吸附劑

的孔隙中，其優點為供應壓力低於一大氣壓，無洩漏之餘。

經實驗結果，即使洩漏亦不致發生爆炸或造成足以危害人體的毒氣 濃度，安全 性佳，而且供應量可為傳統高壓鋼瓶的數倍至數十倍；國 內 部 份 8 吋 及 12 吋 晶 圓 廠 內 之 離 子 植 入 機 使 用 之 製 程 氣 體 AsH3、BF3 則採用 SDS (Safe Delivery Source)氣體鋼瓶供氣。

針對腐蝕性、毒性、燃燒性的氣體，通常設計將鋼瓶置於氣瓶櫃(Gas Cabinet) 內，再透過管路將氣體供應至現場附近的閥箱(VMB, Valve Manifold Box)，而 後再進入製程機台的使用點(POU, Point of Use)，

於進入機台腔體之前，會有獨 立的氣體控制盤(GB, Gas Box)與製程控 制模組連線，以質流控制器(MFC, Mass Flow Controller)進行流量之控 制與進氣的混合比例控制，如圖 2-8 所示。

圖 2-8:毒性及腐蝕性氣體供應流程圖

上述所提的為目前常用的「集中式」中央供應設計，缺點是只要一 種氣體 的供應出問題，就可能造成所有使用的機台停擺，甚或中斷整

上述所提的為目前常用的「集中式」中央供應設計，缺點是只要一 種氣體 的供應出問題，就可能造成所有使用的機台停擺，甚或中斷整