半导体洁净车间管理制度

半导体洁净车间管理制度

半导体洁净车间的环境与生产要求

一、氧化（炉）（Oxidation）

对硅半导体而言，只要在高于或等于1050℃的炉管中，通入氧气或水汽，自然可以将硅晶的表面予以氧化，生长所谓干氧层(dryz/gate oxide)或湿氧层(wet/field oxide)，当作电子组件电性绝缘或制程掩膜之用。氧化是半导体制程中，最干净、单纯的一种；这也是硅晶材料能够取得优势的特性之一（他种半导体，如砷化镓GaAs，便无法用此法成长绝缘层，因为在550℃左右，砷化镓已解离释放出砷）硅氧化层耐得住850℃~1050℃的后续制程环境，系因为该氧化层是在前述更高的温度成长；不过每生长出1微米厚的氧化层，硅晶表面也要消耗掉0.44微米的厚度。

以下是氧化制程的一些要点：

（1）氧化层的成长速率不是一直维持恒定的趋势，制程时间与成长厚度之重复性是较为重要之考量。

（2）后长的氧化层会穿透先前长的氧化层而堆积于上；换言之，氧化所需之氧或水汽，势必也要穿透先前成长的氧化层到硅质层。故要生长更厚的氧化层，遇到的阻碍也越大。一般而言，很少成长2微米以上之氧化层。

（3）干氧层主要用于制作金氧半（MOS）晶体管的载子信道（channel）；而湿氧层则用于其它较不严格讲究的电性阻绝或制程罩幕（masking）。前者厚度远小于后者，1000~1500埃已然足够。

（4）对不同晶面走向的晶圆而言，氧化速率有异：通常在相同成长温度、条件、及时间下，{111}厚度≥{110}厚度＞{100}厚度。

（5）导电性佳的硅晶氧化速率较快。

（6）适度加入氯化氢（HCl）氧化层质地较佳；但因容易腐蚀管路，已渐少用。

（7）氧化层厚度的量测，可分破坏性与非破坏性两类。破坏性量测是在光阻定义阻绝下，泡入缓冲过的氢氟酸（BOE，Buffered Oxide Etch，系HF与NH4F以1：6的比例混合而成的腐蚀剂）将显露出来的氧化层去除，露出不沾水的硅晶表面，然后去掉光阻，利用表面深浅量测仪，得到有无氧化层之高度差，即其厚度。

（8）非破坏性的测厚法，以

椭偏仪(ellipsometer)或

是毫微仪（nano-spec）最为

普遍及准确，前者能同时输出

折射率(refractive index；

用以评估薄膜品质之好坏)及

起始厚度b与跳阶厚度a(总

厚度t=ma+b)，实际厚度

(需确定m之整数值)，仍需与

制程经验配合以判读之。后者

则还必须事先知道折射率来

反推厚度值。

（9）不同厚度的氧化层会显现不同的颜色，且有2000埃左右厚度即循环一次的特性。有经验者也可单凭颜色而判断出大约的氧化层厚度。不过若超过1.5微米以上的厚度时，氧化层颜色便渐不明显。

二、扩散（炉）（diffusion）

1、扩散搀杂

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）、以至于集成电路（IC）世界之基础。而扩散是完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)皆是自然的三种已知现象。杂质扩散即属于质量传输之一种，唯需要在850摄氏度以上的高温环境下，效应才够明显。

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，其对应之扩散步骤称为「前扩散」，即我们一般了解的扩散制程；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的氮化硼芯片，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」，即一般的高温退火程序；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，但在扩散区域边缘，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。

三、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition；CVD)

到目前为止，只谈到以高温炉管来进行二氧化硅层之成长。至于其它如多晶硅(poly-silicon)、氮化硅(silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？

基本上仍是采用高温炉管，只是沿着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。