1

劉漢文

IC製程技術—Introduction& Thermal Process

微電子實驗

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導論

First Transistor(電晶體), AT&T Bell Labs, 1947First Single Crystal Germanium(單晶鍺), 1952First Single Crystal Silicon(單晶矽), 1954First IC device, TI, 1958First IC product, Fairchild Camera, 1961

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First Transistor, Bell Lab, 1947

Photo courtesy: AT&T Archive

4

First Silicon IC Chip Made by Robert Noyce of Fairchild Camera in 1961

Photo courtesy: Fairchild Semiconductor International

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矽晶圓尺寸的歷史演進過程

晶圓面積

晶片(C

hip)

面積

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特徵尺寸的縮小並增加電路密度的優點

就晶片效率而言，可以增加電路速度

密度的改善亦可減少晶片或電路所需的電能

有較高的經濟效益，同樣大的晶圓卻有較高的晶片數

7

良率與晶粒尺寸關係

Y = 28/32 = 87.5% Y = 2/6 = 33.3%

Killer Defects(殺手缺陷)

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IC Design: CMOS Inverter

N-channel active region •N-channel Vt•N-channel LDD•N-channel S/D

P-channel active region •P-channel Vt•P-channel LDD•P-channel S/D

Metal 1, AlCu

P-EpiP-Wafer

N-WellP-Well

PMD

p + p +n +n +

W

Metal 1 ContactP-well N-wellPolycide gate and local

interconnection

Shallow trench isolation (STI)

Vss

Vdd

NMOS PMOS

Vin

Vout

STI

(b)

(a)

(c)

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Mask 3, shallow trench isolation Mask 5, 8, 10, P-Vt, LDD, S/D

Mask 6, gate/local interconnection Mask 11, contact Mask 12, metal 1

CMOS inverter layout Mask 1, N-well Mask 2, P-well

Mask 4, 7, 9, N-Vt, LDD, S/D

IC Design: Layout and Masks of CMOS Inverter

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晶圓製程造流程圖

Materials

Design

Masks

IC Fab

Test

Packaging

Final Test

Thermal Processes

Photo-lithography

Etch PR strip

Implant PR strip

Metallization CMP Dielectric deposition

Wafers

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無塵室(Clean Room)

一個低微粒數目的人造環境

起始於過去外科手術的感染預防

微粒造成晶片缺陷

IC 製造須在無塵室中進行

12

無塵室等級

Class X 簡要的指出在工廠中每立方英尺的空間裡，大於0.5 μm 的微粒數量總共要少於X顆Class 10 定義為在每立方英尺中，大於0.5 μm 的微粒數量要小於10顆Class 1 定義為在每立方英尺，大於0.5 μm 的微粒數量要小於1顆0.18 μm device 需要高於Class 1 等級的無塵室中製造

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微粒在光罩上的影響

Particles on Mask

Stump on pos. PR

Hole on neg. PR

Film Film

Substrate Substrate

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無塵室的結構

Process Area

Equipment AreaClass 1000

Equipment AreaClass 1000

Raised Floor with Grid Panels

Return Air

HEPA Filter

Fans

Pump, RF and etc.

Process Tool

Process Tool

Makeup Air Makeup Air

Class 1

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迷你環境 (Mini-environment)

Class 1000 等級的無塵室，較低的成本Boardroom arrangement， 沒有牆隔離製程與設備

比class 1 等級高的環境，環繞在晶圓和製程工具四周

各製程工具間具自動化的晶圓移轉

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迷你環境的無塵室概圖

Class 1000

Class 1000

Raised Floor with Grid Panels

Return Air

HEPA Filter

Fans

Pump, RF and etc.

Process Tool

Makeup Air Makeup Air

Process Tool

HEPA Filter

< Class 1

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為什麼要用矽?

大量，便宜

二氧化矽(Silicon dioxide)是一種強而穩定的介電質(dielectric)，及容易在熱氧化步驟中成長

有較大能隙，能承受較高操作溫度範圍 (與鍺Ge比較)

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Wafer之判別

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From Sand to Wafer

石英砂(Quartz sand)：二氧化矽(silicon dioxide)砂變成冶金級矽(metallic grade silicon MGS)冶金級矽粉末與氯化氫(HCl)反應形成三氯矽烷(SiHCl3 , TCS)經蒸發作用(vaporization)及冷凝(condensation)得到高純度三氯矽烷

三氯矽烷(TCS)與氫(H2)反應形成電子矽級材料(EGS)熔化電子級矽材料(EGS)並拉出單晶矽晶棒

20

From Sand to Wafer (cont.)

切除,研磨,磨出缺口(notch)或平邊(flat)鋸切(Saw)晶棒成晶圓邊緣磨圓,拋光(lap),溼式蝕刻(wet etch),及化學機械研磨製程(CMP)雷射刻劃

磊晶成長(Epitaxy deposition)

21

(Heat 2000o C)

SiO2 + C → Si + CO2

Sand Carbon MGS Carbon Dioxide

From Sand to Wafer (cont.)

22

Silicon Purification I

Pure TCS with 99.9999999%

Si + HCl

→ TCS Silicon Powder

Hydrochloride

FiltersCondenser

Purifier

Reactor, 300 °C

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Polysilicon Deposition, EGS

Heat (1100o C)

SiHCl 3 + H 2 → Si + 3HCl

TCS Hydrogen EGS Hydrochloride

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Silicon Purification II

Liquid TCS

H2

Carrier gas bubbles

H2 and TCS

Process Chamber

TCS+H2→EGS+HCl

EGS

25

Electronic Grade Silicon

26

Crystal Pulling: CZ method

Graphite Crucible

Single Crystal silicon Ingot

Single Crystal Silicon Seed

Quartz Crucible

Heating Coils1415 °C

Molten Silicon

27

CZ Crystal Pulling

28

Floating Zone Method

Heating Coils

Poly Si Rod

Single Crystal Silicon

Seed Crystal

Heating Coils Movement

Molten Silicon

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Comparison of the Two Methods

查克洛斯基法(CZ method) 較普遍價格便宜

可做出較大晶圓(300 mm)原料可多次使用

會經由坩鍋污染材料

懸浮帶區法(Floating Zone)可得高純度的矽,不需坩堝(crucible)但成本很高，且做出較小晶圓(150 mm)主要製造需要高電阻原始材料的分離式功率元件

容易成長高電阻率(resistivity)，及低氧材料需使用多晶矽作為種晶材料

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Wafer Sawing

Orientation Notch

Crystal Ingot

Saw Blade

Diamond Coating

Coolant

Ingot Movement

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Wafer Edge Rounding

Wafer Wafer movement

Wafer Before Edge Rounding

Wafer After Edge Rounding

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200 mm Wafer Thickness and Surface Roughness Changes

Virtually Defect Free

76 μm914 μm

After Wafer Sawing

After Edge Rounding

76 μm914 μm

12.5 μm814 μm

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Wafer clean

有機物的清洗：

(1)前段製程(no metal on surface)：1.Acid(usually H2SO4)+strong

oxidant(usually H2O2) → CO2+H2O 2.Oxygen plasma → CO2+H2O

(2)後段製程(metal on the surface)1.Oxygen plasma →CO2+H2O

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RCA--Wafer標準清潔程序RCA標準清潔程序包含兩種程序SC-1與SC-2

SC-1：High-pH溶液(5H2O：1H2O2：1NH4OH) 置於70~80 ℃的SC-1溶液10分鐘，主要是用來氧化有機薄膜與IB,IIB族( Au, Ag, Cr, Cu....)之化合物；其方式為先緩慢的溶解原生氧化層再形成新的氧化層；結合了蝕刻與再氧化的作用可以幫助去除wafer上的顆粒

NH4OH會使wafer表面產生微粗糙面，近年來已經漸漸將用量減少

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SC-2：Low-pH溶液(6H2O：1H2O2：1HCl)

置放在70~80℃的SC-2溶液10分鐘，主要是用來移除從SC-1反映後所剩下的鹼金族離子與一些陽離子(Al3+, Fe3+, Mg2+…)

RCA--Wafer標準清潔程序

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H2SO4/H2O21:1 to 4:1120-150 ℃

10min

H2O/HF10:1 to 50:1

DI H20 rinse

NH4OH/H202/H201:1:5 to 0.05:1:5

SC-180-90 ℃10min

DI H20 rinse

HCl/H2O2/H2O1:1:6SC-2

80-90 ℃10min

DI H20 rinse

Strips chemical

oxide

Strips organics

metal and particles

Strips alkali ions and metal

RCA--Wafer標準清潔程序

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Thermal Process : 定義

加熱製程，指在大於鋁熔點(660oC)的高溫下所作之製程

使用在 front-end 半導體製程，通常在稱作擴散爐的高溫爐中進行

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水平式高溫爐的佈局圖

Exhaust

Gas Deliver System

Process Tubes

Loading System

Control System

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氧化

乾氧化、濕氧化

水蒸氣來源

氣泡式

沖洗式

H2 + O2 → H2O氯來源，減低在閘極氧化層中的移動離子

無水氯化氫HClTrichloroethylene (TCE), Trichloroethane (TCA)

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擴散

P-type摻雜物B2H6，帶燒焦的巧克力和太甜的味道有毒的、可燃的、爆炸性的

N-type摻雜物PH3，腐爛魚的味道AsH3，大蒜味有毒的、可燃的、爆炸性的

淨化氣體

N2

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排放系統

移除掉具有危險性的氣體

有毒的、易燃的、爆炸性的、腐蝕性的氣體

燃燒箱 (Burn box)消除大部分之有毒的、易燃的、爆炸性的氣體

洗滌器 (Scrubber)以水消除熱氧化物及腐蝕性氣體

處理後之氣體排放至大氣中

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晶圓裝載，水平式系統

To Exhaust

Process Tube Wafer BoatPaddle

Process gases

Wafers

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水平式高溫爐

Center Zone

Flat Zone

Heating Coils

Quartz Tube

Distance

Temperature

Gas flow

Wafers

44

晶圓裝載，垂直式系統

Wafers

TowerSusceptor

45

垂直式高溫爐

Heaters

Process Chamber

Wafers

TowerSuscepter

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垂直式高溫爐(Vertical Furnaces )

佔地面積小

較佳的污染物控制

較佳的晶圓處理

低維修成本

放置製程爐管呈垂直方向

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溫度控制的方法

加熱斜率

在較低溫下緩慢地裝載晶圓 (閒置溫度， ~ 600 °C)加熱溫度到製程溫度

緩慢的裝載

1 inch/min200片六吋晶圓的高熱容量可以降低溫度至多到50 °C

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氧化作用

Silicon Dioxide

Silicon

O2 O2

O2 O2O2O2

O2

O2

O2 O2

Original Silicon Surface

45%55%

O2O2

O2

O2

O2

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氧化之應用

擴散的遮蔽層 (Diffusion Masking Layer)表面的鈍化

屏蔽氧化層 (screen oxide) 襯墊氧化層 (pad oxide) 阻擋氧化層 (barrier oxide)犧牲氧化層 (sacrificial Oxide)

隔離

場區氧化 (Field oxide) 和矽的局部氧化(LOCOS)閘極氧化

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擴散遮蔽

摻雜原子硼 (B)和磷 (P)在二氧化矽的擴散速度遠低於在單晶矽中

SiO2 能當做擴散的遮蔽層使用

Si

Dopant

SiO2 SiO2

51

表面鈍化

Si

SiO2

襯墊氧化層 屏蔽氧化層

犧牲氧化層 阻擋氧化層

通常薄氧化層 (~150Å) 去預防因污染及過度應力引起的矽缺陷

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屏蔽氧化層

Photoresist Photoresist

Si Substrate

Dopant Ions

Screen Oxide

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襯墊氧化層

Silicon nitride

Silicon Substrate

Pad Oxide

減緩因氮化物的強大拉應力

預防因應力引起的矽缺陷

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元件隔離

相鄰元件的電性絕緣

全區覆蓋式氧化物 (Blanket field oxide)

矽之局部氧化Local oxidation of silicon(LOCOS)

厚的氧化層，usually 3,000 to 10,000 Å

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全區覆蓋式氧化物隔離

Silicon

Silicon

Silicon

Silicon Dioxide

Field Oxide

Wafer Clean

Field Oxidation

Oxide Etch

Activation Area

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LOCOS 製程

Silicon nitride

P-type substrate

P-type substrate

Silicon nitride

p+p+ p+Isolation Doping

P-type substrate p+p+ p+Isolation Doping

SiO2

Pad Oxide

Pad oxidation, nitride deposition and patterning

LOCOS oxidation

Nitride and pad oxide strip

Bird’s Beak

SiO2

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LOCOS優缺點

與全區覆蓋式氧化物 的比較較佳的隔離效果

較低的台階高度

Less steep sidewall缺點

粗糙的表面

鳥嘴 (Bird’s beak)

由淺溝槽絕緣 shallow trench isolation (STI)所取代

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在STI 製程下的襯墊氧化層和阻擋氧化層

USG

SiliconPad Oxide

Nitride

SiliconPad Oxide

Nitride

Silicon

USGBarrier Oxide

Trench Etch

Trench Fill

USG CMP; USG Anneal; Nitride and Pad Oxide Strip

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犧牲氧化層

N-WellP-WellSTI USG

N-WellP-WellSTI USG

N-WellP-WellSTI USG

Sacrificial Oxidation

Strip Sacrificial Oxide

Gate Oxidation

Sacrificial Oxide

Gate Oxide

移除矽表面的缺陷

60

元件介電質

閘極氧化: 最薄及最重要的一層電容器的介電質

Poly Si

Si Substrate

n+

Gate

Thin oxide

Source Drainp-Si

n+

VD > 0

Electrons

VG

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氧化作用:乾氧

Si + O2 SiO2氧氣由空氣取得

矽由基底取得

氧氣擴散穿越已存在的二氧化矽層與矽反應

越厚的薄膜，則越低的成長速率

62

氧化速率

Oxi

de T

hick

ness

Oxidation Time

Linear Growth RegimeBA

X = t

Diffusion-limited Regime

X = √ B t

63

Si + 2H2O SiO2 + 2H2

在高溫下H2O 分離成 H and H-O

H-O 在 SiO2 擴散比 O2 快速

濕氧化比乾氧化的成長率還高

氧化作用:濕氧

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氧化速率

溫度

化學，濕氧化或乾氧化

厚度

壓力

晶圓方向 ( vs. )矽的摻雜物

65

氧化速率對於溫度十分敏感(呈指數關係)

較高的溫度具較快的氧化速率

愈高的溫度下，矽和氧的化學反應速率愈快以及愈高的氧擴散率在二氧化矽中

氧化速率--溫度

66

氧化速率--晶圓方向

表面比 表面具高的氧化速率

具更多的矽原子在表面上

67

氧化: 摻雜物堆積效應與空乏效應(Pile-up and Depletion Effects)

N-type 摻雜物 (P, As, Sb) 在Si比在 SiO2 具更高的可溶性，當 SiO2 成長，他們移向Si，這便稱為堆積效應或鏟雪機效應

P-type 摻雜物硼(B)，趨向移至 SiO2，這稱為空乏效應

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堆積效應與空乏效應

Si-SiO2 interface

SiO2 Si

Dop

antC

once

ntra

tion

Si-SiO2 interface

SiO2D

opan

tCon

cent

ratio

nSi

P-type Dopant Depletion N-type Dopant Pile-up

Original Si Surface Original Si Surface

Original Distribution

69

氧化速率-- 摻雜氧化 (HCl)

HCl 使用來減低移動離子污染

廣泛使用在閘極氧化製程

增加1至5%的成長速率

70

閘極氧化步驟

閒置狀態通入吹除淨化氮氣流

閒置狀態通入製程氮氣流

在製程氮氣流下將晶舟推入

在製程氮氣流下升高溫度

在製程氮氣流下穩定溫度

通入O2、 HCl ，關閉氮氣流，進行氧化

71

閘極氧化步驟(續)

通入製程氮氣，關閉氧氣進行氧化物退火

製程氮氣流下冷卻溫度

製程氮氣流下晶舟推出

閒置下通入製程氮氣流

下一個晶舟，重複上述動作

閒置下通入吹除淨化氮氣流

72

濕氧氧化--水蒸氣來源

煮沸式 (Boiler)

氣泡式 (Bubbler)

沖水式 (Flush)

燃燒式 (Pyrogenic)

73

MFC Process Tube

WaterHeater

Heated Gas line Heated Fore line

Exhaust

Vapor Bubbles

煮沸式系統

74

氣泡式系統

Heater

MFC Process Tube

ExhaustHeated Gas Line

N2

N2 Bubbles

N2 + H2O

Water

75

沖水式系統

MFC Process Tube

Water

N2

Hot Plate

Heater

76

燃燒蒸氣式系統

H2

O2

Thermal Couple

To Exhaust

Hydrogen Flame, 2 H2 + O2 → 2 H2O

Process Tube Wafer BoatPaddle

77

燃燒蒸氣式系統

優點全氣體系統

精確控制流率

缺點爆炸性氣體-氫

典型 H2:O2 比率介於 1.8 : 1 to 1.9 : 1 (讓氫氣完全燃燒掉)

78

快速高溫氧化

用至次微米元件閘極氧化

非常薄的氧化薄膜， < 30 Å需要非常好的溫度均勻性，WIW and WTWRTO 使用來達到元件需求目的：在高溫短時間內得到高品質的薄氧化層

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RTP 製程圖示

Time

Ramp up 1& 2

Cool down

RTALoad wafer

Unload wafer

RTO

O2 flow

N2 flow

HCl flow

Temperature

80

合金熱處理 (Alloy Annealing)

一種在不同原子間彼此結合化學鍵形成金屬合金的熱處理過程

廣泛使用在矽化物的形成

自我對準金屬矽化物(Self aligned silicide ，salicide)

鈦矽化物，TiSi2鈷矽化物，CoSi2

高溫爐和快速加熱製程 (RTP)

81

矽化物

比多晶矽具較低電阻率

Used as gate and local interconnection使用做電容器的電極

改善元件速度和減低熱產生

TiSi2、WSi2 是最常用的矽化物CoSi2、MoSi2 也被使用

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再流動 (Reflow)流動的表面會更平滑

更容易作微影及金屬化製程

越高溫，越好的流動結果

再流動的時間及溫度取決於熱積存

越高的摻雜物濃度需要較低的溫度

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摻磷的矽玻璃 (PSG)再流動圖示

P-type substrate

p+p+N-well

SiO2n+n+ p+ p+LOCOSPSG

P-type substrate

p+p+ N-well

SiO2n+n+ p+ p+LOCOSPSG

As Deposit

After Reflow

84

再流動

未摻雜矽玻璃 Undoped silicate glass (USG) 在很高溫下軟化 T > 1500 °C， 由於表面張力而流動

PSG 和 BPSG 在特定較低溫下軟化 (< 1100 °C down to 850 °C)磷也可以捕捉鈉

PSG 和 BPSG 一般使用做 pre-metal dielectric (PMD)

85

What is CVD

氣體化學反應在基底表面，並形成由固化的副產物所沉積在表面的薄膜

化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition)

另外副產物是由表面離開的氣體

廣泛使用在IC製造，介電質和矽薄膜的沉積

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矽烷製程的溫度關係

在單晶矽基底

矽烷是氣體來源

T > 900 °C 沉積單晶矽900 °C > T > 550 °C 沉積多晶矽T < 550 °C 沉積非晶態矽

87

矽烷製程的溫度及晶格結構

T 900 °C Single Crystal Si

550 °C