研究背景

半導體是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。今日大部分 的電子產品，如電腦、行動電話或是數位錄放音機當中的核心單元都和半導體有著極為 密切的關連。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等，而矽更是各種半導體材料中，在 應用上最廣泛的一種。而積體電路（Integrated Circuit , IC），則是指在一半導體基板上，

利用氧化、蝕刻、擴散等方法，將眾多電子電路組成各式二極體、電晶體等電子元件，

作在一微小面積上，以完成某一特定邏輯功能、例如：DRAM、NAND Flash等，進而 達成預先設定好的電路功能。

隨著技術的進步，在一單一晶片聚集佰萬顆以上電晶體的IC，已非難事。另外莊達 人【1】認為積體電路即是將特定電路所需的各種電子元件（如電阻、電容及電感等）

及線路，縮小並製作在大小僅 2 cm²，或更小面積上的一種電子產品。因為積體電路大 多是由數以萬計，大小需用顯微鏡才能看到的固態電子元件所組合而成的，因此我們又 習慣以「微電子元件」（Microelectronics）稱呼它，其特點是體積小、功能多、可靠性高、

價錢便宜、使用方便，因此現今所有電子電路，都儘量採用積體電路製作。

一般而言，一顆IC的完成，通常先後需經過電路設計、光罩製作、晶片製造、晶片 封裝和測試檢查等步驟，如圖 1-1 所示。IC 挾其輕、薄、短、小、省電、多功能、低 成本等特長，席捲大半的半導體市場，成為半導體的主流產品。為了滿足下游電子產品 追求高品質、高性能、大記憶容量、低價格等需求，半導體相關業者莫不競相投入發展 更微細的製程、更高的集積度持續努力。而半導體積體電路之製造，主要是將晶圓表面 氧化，產生一層氧化層後，隨即依電路設計需求，反覆進行蝕刻、黃光、薄膜、擴散、

化學機械研磨等不同之模組操作。而蕭宏認為進行晶圓製程區域，其主要作業程序及功 能說明如下列細項【2】：

1. 濕式製程

濕式製程區就是進行濕式製程的地區。剝除光阻、濕式蝕刻和濕式化學清洗是濕式 製程區內最普遍的製程。在這裏經常會用到具有腐蝕性的化學品和強氧化劑，如氟化氫 (HF)、鹽酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)，和過氧化氫(H2O2)。濕式

製程是屬於移除製程，通常需要三道步驟：處理、清洗和吹乾。濕式製程工具是典型的 批量處理設備，如圖1-1所示【3】。它能夠一次處理一個或多個裝有25片晶圓的匣盒 (Cassette)。機械手臂從裝載位置將裝有晶圓的匣盒拿起後再將它浸入處理液中。經過所 需的處理時間後，機械手臂再將匣盒取出並放入清洗槽中使用去離子水將晶圓表面的化 學品洗除。接著匣盒會被放到IPA乾燥槽內乾燥後再利用高速旋轉將晶圓和匣盒旋乾。

最後將匣盒放回裝載位置以便將晶圓卸下。

圖1-1 洗淨機台結構與晶盒傳送流程【3】

2. 擴散製程

擴散製程區是進行加熱製程的區域。這些製程可能是添加製程，如氧化、擴散摻雜，

或者是加熱製程，如佈植(Implantation)後熱處理、摻雜物驅入(Drive-In)，或介電質的再 流動步驟(Reflow)。氧化、擴散摻雜製程以及加熱製程都是在擴散製程區的高溫爐中進 行。有些半導體廠在擴散製程區內也有磊晶反應器。在1970 年代中期發明離子佈植技 術之前，在高溫爐中進行氧化和擴散摻雜是生產積體電路過程中最常用到的製程，如圖 1-2所示【3】。擴散製程區經常會使用到的氣體有氧(O2)、氮氣(N2)、無水氯化氫(HCl)、

氫(H2)、矽甲烷(SiH4)、二氯矽烷(DCS，SiH2Cl2)、三氯矽烷(TCS，SiHCl3)，磷化氫(PH3)、

氫化硼(B2H6)和氨氣(NH3)。氮氣是一種安全氣體；氧氣是一種氧化劑，在某種條件下和 其他易燃與易爆的材料混合時，可能會引起火災或爆炸。無水氯化氫具有腐蝕性；氫氣 是易燃性；矽甲烷具自燃性(自行起火)、並且具有毒性；二氯矽烷和三氯矽烷都是易燃 性；氨氣是具有腐蝕性的；磷化氫和氫化硼具有毒性、易燃性。

Heater

4. 蝕刻製程

當光阻形成圖案後將晶圓送到佈植區或蝕刻區，在蝕刻區依光阻所定義的圖案來蝕 刻晶圓。而蝕刻是一種移除製程其使用化學或物理步驟，通常是這兩種步驟的組合來選 擇性地移除晶圓表面的材料。由於濕式蝕刻製程無法蝕刻小於3微米的圖形，因此先進 半導體廠多半利用乾式蝕刻或電漿蝕刻來作蝕刻成型的工作。一台電漿蝕刻機台通常是 由真空反應室、射頻系統、晶圓傳送機制和氣體輸送系統所組成。蝕刻製程常使用的氣 體包括氟碳化合物氣體，如CF4、C2F6、C3F8、CHF3，以及溴化氫(HBr)、氯氣(Cl2)及氬 氣等。而蝕刻之原理在於將晶圓置於真空反應室內，導入所需的蝕刻氣體，與晶圓平行 放置的上方電極加上高頻電壓將氣體電漿化。而正負離子或電子等的帶電粒子以及中性 的活性種源在電漿中互混合時晶圓表面將引起化學反應、反應後的物質將循排氣系統排 至外部，如圖1-4所示【3】。

壓力控制器 氣體流量控制器

Gas box 內部有質流 控制器(MFC)

氣體鋼瓶

CL₂/BCL₃/N₂ ...

魯氏邦浦/爪式邦浦 上下電極

操作控制裝置 射頻產生器 匹配網路器

壓力訊號傳輸 溫度訊號傳輸 氣體釋放元件

圖1-4 蝕刻機台供應與反應室系統元件【3】

5. 離子植入製程

離子佈植區是晶圓結束微影製程後的唯一目的地，離子佈植機與快速加熱退火系統 都在此區，前者是在半導體基片中加入摻雜物以改變其導電率的一種添加過程；後者是 一種加熱過程，其在高溫下不需要以移除或增加晶圓表面材料的方式來修復晶格結構的 損害。離子佈植機台通常是半導體廠中最大也最重的製程機台，它也有許多安全上的隱 憂，如高壓電(高達100 千瓦)、很強的磁場(可能影響心律調整器)，以及會產生強烈X 光 輻射的高能量離子束。離子佈植機也使用毒性、易燃性的氣體，如砷化氫(AsH3)、磷化 氫，和有毒的固態材料，如硼(B)、磷(P)、銻(Sb)，以及具有腐蝕性的三氟化硼(BF3)。

而離子佈植機台作用原理主要是注入雜質，利用成氣態的硼磷砷等雜質，藉電弧放 電予以離子化。而經電場加速後藉由磁場的質量分析器篩選雜離子。再進一步針對選擇 的離子做加速打入晶圓表面。最後經由離子束的照射，利用相關之移動機械元件掃描及 移動晶圓，如圖1-5所示【3】。

圖 1-5 離子佈值機台結構及元件【3】

離子束掃 描磁管 磁準直儀

晶舟承載區

另外一種快速熱製程設備目的是利用熱擴散、將添加於矽中的雜質滲入內部與含有

硼磷等熔點較低的矽酸玻璃予以溶解藉以獲得平坦表面。並且使佈值離子雜質活性化, 及恢復遭毀損的矽結晶也就是退火(Anneal)製程。

6. 薄膜製程

薄膜製程區是沉積介電層或金屬層的地方，介電層和金屬薄膜沉積是主要的製程，

是一種添加製程。化學氣相沉積法常被應用到介電質薄膜沉積方面，由於介電質層在作 多層連線應用時，需要較低的成長溫度，故電漿增強型化學氣相沉積法也受到廣泛的使 用。以臭氧(O3)、四乙氧基矽烷(tetra-ethyl-oxy-silane, TEOS)、Si(OC2H5)4 為材料的化學 氣相沉積製程具有極佳的填充空隙能力，故也被廣泛的用來沉積矽玻璃。其製程將各式 的氣體原料置於反應室內，利用化學觸媒反應使堆積並形成薄膜，如圖1-6所示【3】。

圖1-6 反應室內SiO2薄膜形成示意【3】

用來連接多數積體電路晶片內之電晶體的金屬為鋁銅合金(Al．Cu)、鎢(W)、鈦(Ti)、

銅(Cu)等。而金屬薄膜沉積中，物理氣相沉積機台可以沉積出鋁銅合金、鈦、氮化鈦、

鉭、氮化鉭及銅的種子層(Seed Layer)；而化學氣相沉積機台則廣泛用來沉積鎢金屬。常 使用的化學品或氣體為四乙氧基矽烷(TEOS)、矽甲烷、氧氣、臭氧、一氧化二氮(N2O)。

而清洗介電質反應室則普遍使用三氟化氮(NF3)或是氟碳氣體；鎢製程則使用了六氟化 鎢(WF6)，其具有腐蝕性，且當它和水反應時會產生氟化氫(HF)。

而溅射裝置基本原理係使反應室(Chamber)內通入惰性氣體(Ar)，再利用直流電將惰 性氣體解離為(Ar+)離子。而解離後的惰性氣體因正負電場之特性自動轟擊靶材，而將靶 材的材料(Ti)打出來沉積在晶圓上方，如圖1-7所示【3】。

圖1-7 PVD 溅鍍反應基本原理【3】

7. 化學機械研磨製程

化學機械研磨製程區是一種移除步驟，此步驟組合機械研磨和濕式化學反應，其機 台內部結構，如圖1-8 所示【3】。將材料從晶圓表面剝除，包含了二氧化矽、鎢金屬 及銅金屬的移除。而細微的粒子在化學機械研磨製程中扮演了重要的角色，如矽玻璃研 磨漿中的二氧化矽或二氧化鈰(CeO2)，以及金屬研磨漿中的氧化鋁等。半導體廠內通常 將化學機械研磨製程區與其他製程區隔離開來，以避免微物質交叉污染。

圖1-8 化學機械研磨流程【3】

而上述七種製程使用許多危險性、危害性能量以及有害性的氣體和化學物質，如表 1–1所示【4】。而一旦有腐蝕性、毒性、氧化性或易燃性等氣體或化學品外洩，輕則影 響產品良率、造成人員虛驚，嚴重則導致人員傷害與毀損公司資產及商譽。

表1-1 半導體廠各區域使用之氣體/化學品具有的潛在危害分類【4】

1 Nh(Health Hazard, 健康危害)：係藉由接觸、吸入或是食入某種物質而致急性暴露引起直接或間接，暫 時性或永久性的傷害。

2 Nf (Flammability Hazards, 燃燒危害性)：危害程度係根據物質燃燒的程度而定。

3 Nr (Instability or Reactivity Hazards, 不穩定性或是反應性危害)：危害程度係根據反應釋放的能量而定。

4 NFPA704 危害排序(Hazard Rating)：0 表示極微小的(minimal)、1 表示輕微的(slight)、2 表示中等的 (moderate)、3 表示嚴重的(serious)。4 表示極度的(extreme)。