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半导体制程简介


半導體製程簡介
部 門 報告人 ASI / EOL Saint Huang

)

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◆1

)

半導體製造流程

Front-End 晶圓製造 晶圓針測

Back-End 封裝 測試

晶粒(Die)

成品

)

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半導體製程分類
晶圓製造 ◆ II.晶圓處理 ◆ III.晶圓針測 ◆ IV.半導體構裝 ◆ V.半導體測試
◆ I.

)

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I.晶圓製造

)

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晶圓製造流程

晶圓材料

多晶矽 原料製造

單晶 生長

晶圓 成形

)

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晶圓材料
◆ 分類:

?元素半導體 : 矽,鍺 ?化合物半導體 : 碳化矽(SiC),砷化鎵(GaAs)
◆ 矽的優缺點

:

?優點:存量豐富,無毒,穩定之氧化鈍態層,製 造成本低 ?缺點:電子流動率低,間接能階之結構

)

多晶矽原料製造(西門子法)
矽砂+碳 (SiO2) 低純度矽 (冶金級矽, 98%) 氯矽化合物 (SiHCl3….) 無水氯化氫

高溫電弧爐還原

蒸 餾 純 化
SiHCl3

3-7cm塊狀矽塊 (99.9…9%)
敲碎

多晶矽棒

氫氣還原及CVD法

)

單晶生長技術
◆ 柴氏長晶法

: 82.4% ◆ 磊晶法 : 14.0%
◆ 浮融帶長晶法

: 3.3%

◆ 其它

: 0.2%

(1993年市場佔有率)

)

長晶程序(柴式長晶法)
?矽金屬及摻雜質的融化 (Meltdown) ?頸部成長(Neck Growth) ?晶冠成長(Crown Growth) ?晶體成長(Body Growth) ?尾部成長(Tail Growth)
尾部 頸部

晶冠

晶體

)

柴氏長晶法示意圖
上拉

充入鈍氣
旋轉 晶種 晶冠 晶體 熔融矽 加熱 線圈 坩堝 頸部

)

單晶成長流程圖
抽真空測漏氣 率 (1 hr) 坩堝加熱融化多 晶矽塊(7hrs) 等待穩定平 衡(2 hrs)

晶體成長 (30 hrs) 尾部成長 (5 hrs)

晶冠成長 (2 hrs)

頸部成長 (1 hr)

冷卻(4 hrs)

)

晶柱後處理流程
長晶 外徑研磨與平邊 切片

化學蝕刻

晶圓研磨

晶邊研磨

拋光

清洗

檢驗

)

晶圓切片(Slicing)

Single crystal rod

Wafer

)

晶圓切片流程
◆ 晶棒黏著
◆ 切片

◆ 晶圓清洗
◆ 規格檢驗

內徑切割機

)

晶邊圓磨(Edge contouring)
◆ 目的

?防止晶圓邊緣碎裂 ?防止熱應力之集中 ?增加光阻層在邊緣之平坦度
? 方式

?輪磨 ?化學蝕刻 ?晶面抹磨

)

輪磨示意圖
晶圓

鑽石砂輪

真空吸盤

)

晶面研磨(Lapping)
◆ 去除鋸痕與破壞層 ◆ 平坦化(降低粗糙度)

)

化學蝕刻(Etching)
◆ 目的:

去除加工應力所造成之損 傷層,以提供更潔淨平滑表面 ◆ 蝕刻液種類
?酸系: 氫氟酸,硝酸,醋酸混合 ?鹼系: 氫氧化鈉,氫氧化鉀

)

晶圓拋光(Polishing)
◆ 以研磨劑中之NaOH,KOH,NH4OH腐

蝕最表層,由機械磨擦進行拋光 ◆ 邊緣拋光
?降低微粒附著 ?增加機械強度
◆ 表面拋光

晶圓

?去除微缺陷 ?平坦化

)

晶圓清潔(Cleaning)(一)
◆ SC-1(RCA

standard clean 1)

?化學品:NH4OH,H2O2,H2O ?目的:清除微粒子
◆ SC-2(RCA

standard clean 2)

?化學品:HCl, H2O2,H2O ?目的:清除金屬粒子

)

晶圓清潔(Cleaning)(二)
◆ SPM(Piranha

Clean)

?化學品:H2SO4,H2O2 ?目的:清除有機物質
◆ DHF(Dilute

HF Clean)

?化學品:HF,H2O ?目的:清除表層氧化物

)

II.晶圓處理

)

晶圓處理流程
氧化反應 薄膜沉積 微影製程

金屬化 製程

摻雜

蝕刻

)

氧化反應(Oxidation)
◆ 目的:獲得SiO2層(如場氧化層)做

為元件絕緣體材料 ◆ 方法:
?乾式氧化法
?

Si + O2 Si + 2H2O

SiO2 SiO2 + 2H2

?濕式氧化法
?

)

薄膜沉積(Deposition)
◆ 物理氣相沉積(PVD)

?主要應用範圍: 金屬材料
◆ 化學氣相沉積(CVD)

?主要應用範圍: 介電材料,導體材料, 半導體材料

)

物理氣相沉積 -- 蒸鍍(Evaporation)
晶片與晶座
蒸鍍室 蒸鍍源 坩堝加熱

接真空系統

A

)

物理氣相沉積 -- 濺鍍(Sputtering)
正電極
晶片

電漿
濺鍍機 濺鍍源 負電極

)

化學氣相沉積
(a)氣體擴散 (e)未參與 物抽離 主氣流

介面邊界層

(b)反應物 被吸附 (c)化學反 應與沉積

(d)未參與 物脫離

)

微影製程(Photolithography)
去水烘烤 光阻塗佈 軟烤 曝光

去除光阻

硬烤

顯影

曝光後烘烤

)

光阻
◆ 光阻材料及作用

?樹脂: 黏合劑 ?感光材料: 光活性強之化合物 ?溶劑: 使光阻以液體方式存在
◆ 分類:

?正光阻:遇光溶於顯影劑 ?負光阻:產生鏈結,使結構增強, 不溶於顯影劑

)

光阻塗佈

)

曝光
光罩
◆ 接觸式曝光:

?解析度好,但光罩易被污染
◆ 近接式曝光:

?光罩不被污染,但解析度降低
◆ 投影式曝光:

?解析度佳,且光罩不被污染,目 前工業所用

)

曝光概念圖
鏡子 光源

過濾器
聚集鏡片 光罩 晶片 晶座

光罩

縮影鏡片 晶片

接觸式

投影式

)

蝕刻(Etching)
◆ 目的:

除去微影製程中沒 被光阻覆蓋部份的薄膜 ◆ 蝕刻技術: 光阻
?乾式蝕刻 ?濕式蝕刻
薄膜

底材

)

摻雜(Doping)
◆ 目的:

增加導電性

離子植入法示意圖 離子束 晶片

?如N型半導體加入砷 離子,P型半導體加入 硼離子
◆ 常用方法

離子植入機

?擴散法 ?離子植入法

加速器

)

IC製程簡圖(一)
(A) 薄膜 (Si3N4)
(B) 光阻 (Photoresist) 光 罩

二氧化矽 (SiO2)

晶圓
氧化反應,薄膜沉積 及光阻塗佈

晶圓
曝光

)

IC製程簡圖(二)
(C)
薄膜 二氧化矽 已顯影光阻

(E)

晶圓 顯影 (F) 晶圓 蝕刻

參雜物

晶圓 離子植入

(D)

晶圓 去除光阻

)

IC製程簡圖(三)
(G)
金屬層

(I)

晶圓 金屬沉積 (H) 晶圓 微影製程 (J)

晶圓 金屬蝕刻

晶圓 去除光阻

)

III.晶圓針測

)

晶圓針測示意圖

探針卡

針測機

)

晶圓針測流程圖
晶圓生產 Wafer processing 晶圓針測 Circuit Probing 1

雷射修補 Laser Repair
封裝 Packaging 晶圓針測 Circuit Probing 2

)

IV.半導體構裝

)

訊號

構裝之目的
◆ 電能傳遞
◆ 訊號傳遞

電能

訊號 電能

散熱

◆ 散熱
◆ 結構保護與支持

散熱

)

構裝的分類(一)
◆ 依IC晶片數目:
?SCP(Single

Chip Packages) ?MCM (Multi-chip Chip Mudule)
◆ 依密封材質:
?塑膠(Plastic

Packages) ?陶瓷(Cermic Packages)

)

構裝的分類(二)
◆ 與電路板接合方式:
?引角插入型(Pin-Through-Hole) ?表面粘著型(Surface

Mount Technology)
ZIP

◆ 依引腳分布型態:
?單邊引腳:交叉引腳式ZIP ?雙邊引腳:雙列式DIP ?四邊引腳:四邊扁平構裝QFP ?底部引腳:針格式PGB
PGA

DIP

QFP

)

構裝的名稱與應用
構裝型態 Single In-Line Package Dual In-Line Package 構裝名稱 (SIP) (DIP) 常見應用產品 Power Transistor RAM, ROM, EPROM,EEPROM, Microcontroller DRAM, SRAM Linear, Logic, DRAM, SRAM 256K DRAM, ROM, SRAM, EEPROM, EEPROM,FLASH DRAM, SRAM, EPROM,

Zig-Zag In-Line Package Small Outline Package Plastic Leaded Chip Carrier Microcontroller Small Outline Package Quad Flat Package Pin Grid Array

(ZIP) (SOP) (PLCC) (SOJ)

(QFP) (PGA)

Microprocessor Microprocessor

)

構裝之演化及趨勢
薄型、小型、輕量化
DIP SOP SOJ SSOP TSOP

ZIP

QFP TQFP STZIP

高密度 模組

高 引 腳 數

SK-DIP Sh-DIP

多晶片 組合 晶片型 構裝

PGA

BGA

高功能

)

塑膠構裝打線接合製程(一)
?晶片切割(Die Saw) ?黏晶(Die Bond) ?銲線(Wire Bond)

)

塑膠構裝打線接合製程(二)
?封膠(Mold) ?剪切(Trim) ?成形(Form) ?印字(Mark)

)

電路連線技術
◆ 打線接合(Wire

Bonding) ◆ 捲帶自動接合(Tape Automated Bonding, TAB) ◆ 覆晶接合(Flip Chip, FC)

)

打線接合技術

導線架

)

捲帶自動接合技術
晶片 外引腳 內引腳 外引腳孔

高分子捲帶

傳動孔

捲帶之基本架構

)

覆晶接合技術
晶片

銲錫凸塊

基板

)

各連線技術之應用範圍
連 線 技 術
Flip Chip
16,000

TAB

600

打線接合
1 10 100

257
1,000 10,000 100,000

晶片I/O數

)

V.半導體測試

)

半導體測試流程
封裝 FT1 電性 抽測 Burn In FT2

Scan

Mark

電性 抽測 烘烤

FT3

電性 抽測

彎腳調整

包裝

)

半導體測試簡介(一)
◆ FT1(Final

Test 1):

?目的:找出封裝不良品 ?內容:簡單電性測試(O/S),部份程式 測試
測試機
Advantest 5336

)

半導體測試簡介(二)
?炙燒(Burn In):
?目的:使IC處於高溫(125度C),高電壓

(1.5倍正常操作電壓)環境下,使潛在元 件中的缺陷提早顯現
失 敗 率
早夭期 有效壽命期 衰老期

Without Burn-In With Burn-In
102
103

浴缸曲線 (Bathtub Curve)
105

104

106

工作時間(Hours)

)

半導體測試簡介(三)
◆ 炙燒方式:

?靜態炙燒: 高電壓,高溫 ?動態炙燒: 高電壓,高溫及寫入 ?監控炙燒: 高電壓,高溫,寫入及讀出 ?TDBI: Test During Burn In
◆ 炙燒時限檢查

)

半導體測試簡介(四)
◆ FT2(Final

Test 2):

?目的:
?找出不良品

?測試產品的速度並分級

?內容:
?DC,AC測試及找出晶體缺陷之測試程


◆ 電性抽測(QC)

)

半導體測試簡介(五)
◆ 蓋印(Mark)
◆ 檢腳(Scan)

◆ 彎腳調整
◆ 烘烤(Baking)

◆ 包裝(Packing)

)


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