半導體技術

tags：`電子化企業概論`

Process：

多晶矽熔解（培養矽晶體） → 晶柱切片 → 研磨 → 切割成晶圓 → IC設計 → 光罩製作 → 薄膜（CVD、PVD）
光阻 → 微影 → 蝕刻 → 光阻去除 → 離子植入（摻雜） → 化學機械研磨 → 晶圓檢測 → 切割 → 封裝 → 測試

1. 化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）

目的：產出特定、高純度的化學材料 → 人工鑽石合成、薄膜生成

步驟：
反應氣體導入反應器 → 氣體與晶圓表面反應 → 反應物沉積在晶圓表面並形成連續薄膜 → 抽出副產物

化學反應式：
(1) SiH4 + O2 → SiO2 + 2 H2
(2) SiH4 → Si + 2H2
(3) 3 SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2

常壓化學氣相沉積法（APCVD）：在一般大氣壓力下沉積大面積粗部的沉積薄膜。

優點：沉積速率高、低溫、沉積面積大。
缺點：容易產生微粒，使沉積的薄膜被污染。

低壓化學氣相沉積法（LPCVD）：在低壓環境（0.1~10torr）中成長薄膜。

優點：純度高、較均勻、階梯覆蓋率佳。
缺點：高溫、沉積速率低。

電漿輔助化學氣相沉積（Plasma-enhanced CVD）：利用高密度電漿進行學沉積反應。

優點：低溫低壓、薄膜附著力高、薄膜密度高、速率快。

2. 物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition）

種類：
(1) 蒸鍍 → 利用電子束或電阻加熱薄膜材料，使其氣化而被晶圓表面吸附形成薄膜
(2) 濺鍍 → 利用高能將離子撞出，而後吸附在晶圓上形成薄膜（可對不規則形狀基材有均勻鍍膜）

物理氣相沉積	化學氣相沉積
薄膜純度較好	薄膜純度較差
導電性較高	導電性較低
易沉積合金	難沉積合金
薄膜非等向性成長	薄膜等向性成長

3. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）

於高真空或超高真空的環境進行。

優點：
無化學反應，低沉積率、薄膜厚度控制精確。

缺點：
薄膜生長速度慢，不適合大量生產。

4. 微影

暫時塗佈光阻在晶圓的表面，再將設計好的圖案轉印到光阻上。

控制條件：
(1) 低缺陷密度。
(2) 高解析度、高感光度。
(3) 精確性（對準性、參數控制製程）。

步驟：
光阻塗佈（滴入光阻劑 → 旋乾） → 烘烤 → 對準 → 曝光 → 烘烤 → 顯影（滴入顯影液 → 旋乾） → 烘烤 → 檢驗

正光阻	負光阻
不溶於顯影液	溶於顯影液
留下未曝光部分的圖案	留下光照部分形成的圖案
解析度較佳	成本低
圖案精細度要求高	產量高

光罩：
(1) 倍縮光罩（Reticle）：光罩上圖形縮小4~10倍後透射在晶圓表面。
(2) 光罩（Mask）：當鉻膜玻璃上圖像能覆蓋整個晶圓。

曝光（光源經由透鏡曝光）：
(1) 接觸式曝光（Contact Printing）。
(2) 接近式曝光（Proximity Printing）。
(3) 投影式曝光（Projection Printing)

顯影：
(1) 去除剩餘之溶劑及水氣。
(2) 保護線路圖案更加堅韌及牢固。

EUV 極紫外光微影技術	DUV 深紫外光微影技術
反射	折射
減少晶片生產步驟及光罩層數	量產晶片的主力
7nm以下的工藝需用EUV光刻機	浸潤式和乾式微影技術

浸潤式微影：
讓曝光光源照射到光阻前穿透一層水 → 水的折射率比空氣大，光聚焦更細小的區域，線寬縮小

艾司摩爾科技(ASML) → 獨家EUV設備供應商

無光罩微影 → 快速進行原型設計，高度客製化但生產速度慢（目前無法量產）

5. 蝕刻

把微影製程所沉積的薄膜中，沒有被光阻覆蓋及保護的部分，以化學反應或物理作用的方式加以去除，以完成轉移光罩圖案到薄膜的目的。

濕式蝕刻：
等向性蝕刻，利用化學溶液溶解晶圓表面上的物質。

優點：
(1) 高選擇性。
(2) 製成單純。
(3) 儀器成本低。
(4) 批式，產量高。

缺點：
(1) 等向性蝕刻。
(2) 不能處理小於 3µm 的圖案。
(3) 高操作成本（化學品之使用）。

介面活性劑及緩衝溶液：
為了讓蝕刻的速率穩定並延長化學品使用時間。

乾式蝕刻：
以電漿進行蝕刻。

物理性蝕刻：
非等向性蝕刻，又稱離子轟擊蝕刻，電漿中的正離子因為電位差會被帶陰極的電擊板吸引，而加速往晶片衝撞過去，達到蝕刻的效果。

優點：非等向性蝕刻。

缺點：
(1) 擊出的產物易再度沉積在晶片表面上。
(2) 蝕刻效率、選擇性低（蝕刻材料之選擇性差）。

純化學性蝕刻：
藉由電漿中的自由基離子團擴散到蝕刻表面進反應，反應完會變成易揮發的產物，再由真空裝置把這些產物抽掉。

優點：選擇性高。
缺點：等向性蝕刻、無法運用在次微米製程上。

反應式離子蝕刻：
兼具了物理性蝕刻的非等向性，及化學性蝕刻的高選擇性的優點。

選擇性：
不同材料間的蝕刻速率比（薄膜與光阻之蝕刻速率比），選擇性越高代表蝕刻大部分對薄膜進行，對光阻影響較小，薄膜重現圖案之準確率越高。

6. 離子佈植

半導體摻雜的方式之一。以高電壓對離子化的摻雜物質原子作加速動作，利用電場加速離子運動速度及磁場改變運動方向，使離子化雜質直接打入矽晶片內。

參雜：增加半導體導電性的方法，其方式是在本質晶體內加入一些雜質原子而改變其電特性。在半導體中摻入雜質原子，使雜質分散在矽原料中，以形成p型或n型半導體區域。

步驟：
導入氣體 → 離子源（電漿） → 離子萃取（第一段加速） → 分析磁鐵 → 第二段加速 → 掃描 → 參雜

(1) 導入氣體：三氟化硼（有毒性，需以SDS封裝技術封裝）。
(2) 離子源：氣體放電，形成電漿。
(3) 離子萃取：利用負電位萃取電極萃取出電弧室中之正離子，後形成離子束前往下一階段。
(4) 分析磁鐵：使粒子作圓周運動，因不同重量（質荷比）的粒子有不同迴轉半徑，藉由調整磁場大小，將所要參雜的粒子篩選出來。
(5) 第二段加／減速：製造一個平行離子運動方向的電場，來增加或減少離子行進的速度。
(6) 掃描：離子束投影。
(7) 參雜：將被加速並篩選過的離子，直接撞進晶圓內部完成整個離子佈植。

7. 化學機械研磨（Chemical-Mechanical Planarization）

用化學腐蝕及機械力對晶圓全面平坦化之技術。

將晶圓放在承載體（Carrier）與表面鋪有拋光墊（Pad）的旋轉工作檯之間，延著一條輸送管，不斷噴出化學助劑（Reagent）。在化學蝕刻與機械磨削相互作用下，將晶片上突出的沉積層加以去除。

研磨液（slurry）：
因晶圓表面的沉積層材質未必一致，單採物理磨削會造成表面凹凸不平，故加入研磨液以減少不同耗材之間研磨的速率差距。

拋光墊（CMP pad）：
晶圓進行研磨時，與拋光墊密合。主要作用為幫助研磨液均勻接觸到晶圓表面，故拋光墊溝槽的設計對CMP製程有重大影響。

步驟：
粗磨（快速移除大量沉積物） → 細磨（精確研磨直到露出導線） → 拋光（移除表面殘留物及拋光晶圓表面） → 清潔（利用PVA rush與化學劑料進行晶圓清潔）

馬達電流：
接近研磨終點時，晶圓的材料變化導致摩擦力跟著變化，此時機台提供的電流也會變化。

光學偵測：
通常利用紅光或白光照射晶圓，由於晶圓上不同物質的反射速率不同，故可利用反射回來的光線強度變化作偵測。

渦電流：
機台給晶圓一個磁場(B)，並反饋一個感應電流(I)，當接近終點時，晶圓材質改變，伴隨電流改變即可找到研磨終點。

重要性：
(1) 影響晶圓的良率，從而影響到公司獲利。
(2) 半導體發展快速，晶圓從8吋到12吋、線寬朝13奈米製程發展。若晶圓表面凹凸變動範圍過大，則會對解析度和焦點深度造成影響。

8. 3D晶片堆疊

傳統的二維晶片把所有的模塊放在平面層相比，三維晶片允許多層堆疊，廣泛應用於SiP（System in Package）領域。

因物理製程到極限，無法再縮小，故改為改良封裝技術。

步驟：
矽穿孔（TSV） → 放入導體 → 晶圓堆疊

矽穿孔（TSV）：達到無凸起的鍵合結構，可以把很多不同性質的臨近晶片整合在一起。

2.5D技術：用於高速傳輸設計。

3D技術：增加更多的Pin數量，同時基板上可以堆疊更多不同的晶片。

優點：
縮短電流傳遞路徑、降低功耗。

挑戰：
控制散熱。

9. 封裝內部接合技術

封裝：使用外殼將數個晶粒封裝為一體。抗衝擊、防劃傷並協助散熱。

WB：利用金屬線材將晶片及導線架連接起來，使微小晶片得以與外面的電路做溝通。

	FC（Flip Chip）	WB（Wire Bonding）
連接主材料	焊錫凸塊	金線／銅線／銀線
I/O數	較多	較少
適用場所	高速元件、縮小封裝面積	大量生產
物理性質上的優點	阻抗匹配較佳、較小的反射損耗、接觸的路徑較短、頻寬表現較佳	技術成熟
缺點	技術不成熟、技術複雜度高	頻寬表現差、反射損耗較高

	金線	銅線
優點	不易氧化、良好的導電性和延展性	成本低、電阻較低、機械強度高
缺點	成本高昂	易氧化