# 半導體材料與元件物理 W2

📅 2024-02-29
instructor: 陳瑞山 老師

## 半導體製程上半
1) Cleaning (清洗)
2) Diffusion (擴散)
3) Oxidation (氧化)
4) Photolithography (光微顯影術)
5) Etching (蝕刻)
6) Metalization (金屬化)
7) Thin film deposition (薄膜沈積) ➡️ 最重要
8) Wafer thinning (晶圓薄化)

## 1.1 Cleaning (清洗): 清除晶圓上的【微粒】
* SC-1: 雙氧水 + 氨水
* SC-2: 去除【金屬雜質】(e.g. 電漿): 雙氧水 + 鹽酸
e.g. 電漿
這種比較少碰到 (沒有電漿製程, 就不太會有金屬雜質的汙染)
光是幾個 ppm 的金屬雜質，舉例而言: 就可能會讓半導體從 N 型變成 P 型
* SPM: 清除【有機物】: 雙氧水 + 硫酸
e.g. 香水、口沫等
* HF: 清除矽晶圓表面自然生成的【氧化層】: 氫氟酸 (要裝在塑膠桶裡)

## 1.2 Diffusion (擴散): 摻雜 (N型、P型)
* 銅 + 鎳
最基本的製程: 矽基板【鍍上銅】，加熱 ➡️ 沉浸到【晶格】裡面
* 硼(B)擴散（p型摻雜）
* 磷(P)擴散（n型摻雜）
* 銅、鎳遇到高溫不會揮發，硼、磷遇到高溫會揮發
因此，硼不能直接鍍上去


必須先用【溴化硼】(BBr3)
4 BBr3 + 3O2 → 2 B2O3 + 6 Br2
沉積後，中間的 SiO2 反應
2 B2O3 + 3 Si → 4 B + 3 SiO2
之後，中間的 SiO2 下方會產生硼
* 越上面（靠近基板）濃度越高

### 擴散 VS 離子植入
離子植入
- 用離子束控制
- 好處: 更精準
- 壞處: 會把晶格打亂，從原本單晶結構破壞成多晶結構
- 離子退火法: 離子植入之後，試圖恢復成單晶結構的 solution
> 離子退火法:
> 由於離子被射入晶圓後會集中在某個深度，而且還會破壞矽的結晶架構，所以還要進行下一步驟──退火。
> 只要加熱晶圓到某個溫度，晶圓裡的矽原子和雜質就會乖乖排隊。 這個過程就叫退火。

### 摻雜的目的 p34
不同能階的元素摻雜後的半導體，扮演不同角色

## 1.3 Oxidation (氧化)
### MOSFET (p41)
閘極氧化曾: 開關 (on: 給電壓 / off: 不給電壓)

### 熱氧化的氧化層 vs. CVD 氧化層
熱氧化: 成本低, 表面需要是 Si
CVD: 成本高, 可精準控制, 彈性較高 (可用在各種基板上)

主流的方法是 CVD

## 1.4 Photolithography (光微影術)
* 光阻劑（photoresist）
* EUV
* 目的: 刻出特定的 pattern
* 光阻的種類
正光阻: 照到紫外線光的部分被移除 (見光死)
負光阻: 照到紫外線光的部分被保留

## 1.5 Etching (蝕刻)
濕蝕刻: 酸 (化學蝕刻), 等向性, 成本低、仍好用
乾蝕刻: 電漿 (比較精準), 非等向性, 但成本較高

離子蝕刻 (ion etching):
物理方式蝕刻
常用到 RF (射頻) 技術 // AC, 非 DC

反應離子蝕刻 (reactive ion etching, RIE ⭐):
物理方式蝕刻+化學物質, 讓表面有經化學反應的光阻以氣體狀態揮發

* Step 1. 上膠 (光阻塗佈): 【光阻塗佈機】負責讓膠狀的光阻均勻分布
* Step 2. 軟烤: 讓光阻【固化】
* Step 3. 曝光: 【光罩 (一塊玻璃)】負責蓋住不要被光照的區域，再用紫外線【曝光機】製作 pattern
* Step 4. 顯影: 把光阻洗掉
* Step 5. 硬烤
* Step 6. 蝕刻或離子注入（Optional）
* Step 7. 光阻的去除

UV => DUV => EUV
波長越小，線寬越細 (高階製程)

## Reference
* [離子佈植](https://homepage.ntu.edu.tw/~nlw001/handouts/semi-TK/TKchap8-%E9%9B%A2%E5%AD%90%E4%BD%88%E6%A4%8D.pdf)
* CVD 氧化層
* [半導體製程學習筆記](https://hackmd.io/@hby/Sk2oVJDa5)