半導體前端製程-1

SK Hynix 提供了一系列包含六個章節的文章，從本文的「電腦和電晶體的起源」開始，後續包括「製程和氧化」、「光刻技術」、「蝕刻」、「沉積」和「金屬布線」，以解釋半導體的特性和製程。通過閱讀這一系列，除了科普知識，您還能對各種技術之間的相互關係有一個基本了解。現在讓我們從第一篇文章開始摘錄幾個重點：

電腦的出現

1871年的Charles Babbage's Analytical Engine，是一台以蒸汽為動力的電腦；配備了現代電腦的所有組件：使用punched cards 類似今天的記憶體。這台電腦按照特定的指令運算，並且可以列印出計算結果。這代表古人根本就知道電腦的基本結構和運作方式。那麼，為什麼電子電路成為現代電腦的核心呢？ 電控電腦：電子電路為什麼勝過使用蒸汽、人力或液壓動力的設備? 從蒸汽、人力或水力，演化到電子電路，電子電路的優勢在哪裡? 電子電路中的訊號控制快速而高效。相比之下，因為蒸汽要一段時間才到達目的地，讓蒸汽設備反應慢、效率低。且蒸汽還需要厚厚的管道，降低整體效率。舉"自動門"為例：當拉動繩子時，門會開啟或關閉。蒸汽需要打開閥門並等待高壓蒸汽推動門關閉。若使用電力，則只需要一個按鈕和一個馬達。自動門設備則可以設計得更小、更節能、反應速度更快。但是蒸汽門只能執行打開和關閉門等簡單任務，而電腦可以執行更複雜的任務，例如同時用一根繩子打開兩扇門，或者在門下有人時不關門的安全門。於是有了電控電腦的出現。

ENIAC電控電腦:

發明之後，由電力驅動的ENIAC（電子數值積分器與計算機）誕生。ENIAC 是使用類燈泡的真空管建造的。真空管是當時工程師的最佳選擇。以電力運作，不像高壓鍋爐那樣有爆炸風險，且操作速度明顯比蒸汽引擎快。與使用蒸汽的分析引擎不同，ENIAC使用真空管和電子電路。ENIAC是一台巨大的電腦，佔據整個房間並使用大量的電力。雖然他真的比以前的機器快很多，它使用了超過17萬個真空管而不是運動緩慢的齒輪。ENIAC是一個里程碑，但它在效率和尺寸上多重限制。 為了克服這些限制，電晶體出現了。

電晶體的出現

1947年電晶體發明，它能夠以極小的電流來調節大電流的流動。透過使用兩種半導體材料，能夠輕鬆地on/off。它的結構雖然複雜，但操作本質上與拉繩子來控制蒸汽運動相同。同年，BJT（雙極接面電晶體）誕生。電晶體的問世完全改變了電腦與一切電子設備的發展方向。

人人需要半導體：MOSFET革命與其製造技術

MOSFET是什麼? MOSFET（金屬氧化物半導體場效應電晶體）(參考圖5) 在1959年，在矽片上堆疊了兩種不同的半導體材料，並在頂部加上金屬，形成了扁平的晶體管。雖然MOSFET的工作原理略有不同，但它的應用與之前的電晶體相似。然而，MOSFET卓越的生產力使其與眾不同。

MOSFET相比BJT具有哪些優勢：

MOSFET的扁平設計讓在矽片上加入更多電晶體。MOSFET製造過程能夠在矽晶圓上同時製造多個晶體管，因此在同樣大小的晶圓上可以生產更多的MOSFET，並且一組已連接的MOSFET也可以同時製造。相比使用BJT（雙極電晶體）做出來的CPU需要焊接數億個BJT並將它們連接到電路板。

意思是因為MOSFET可以一起製造並已連接，省去了大量焊接和連接的步驟，提高了生產效率。

電子設備的組成

電子設備由零件組成，如晶體管、電池、儲能電池和線圈，這些零件被焊接印刷電路板（PCB）上。因此製造電子設備前，要先做出獨立的零件，然後再將它們連接在一起。現在我們已經了解了電子設備的組成，在製造半導體也是一樣的，將 MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）放在silicon wafers的上方(...MOSFET that is placed on top of a silicon wafer)。

半導體製造過程

以下這兩個製程的結合就是稱為前段製程的晶圓製造程序(wafer manufacturing procedure called the front-end process)。在半導體製造中，氧化、光刻和蝕刻等製程方法用於創作出精細圖案，而沉積、金屬化、測試和封裝等製程則用於連接和保護半導體器件。 FEOL (Front End Of Line)：晶圓製造的第一步是製作各種類型的離散器件(Discrete devices)，實際上是將它們刻在晶圓表面上，這個過程稱為前段製程（FEOL）。抓幾個重點：

• 製程位置：silicon wafers的前段製程
• 主要功能：在silicon wafers表面刻印離散器件
• 焊接需求：不需要實際焊接
• 製程步驟：製造MOSFET、製造器件組件(Component assemblies)
• 製程工藝：包括氧化、光刻、蝕刻等步驟。
• 主要目的：做出細緻的圖案(fine patterns)

BEOL (Back End Of Line)：類似焊接，當然不是焊接！因為這麼小的元件無法直接焊接。因此，使用類似於前段製程的技術來製造連接數十億個半導體器件的細線，這個過程稱為後段製程（BEOL）。

• 製程位置：silicon wafers的後段製程
• 主要功能：做出微小的金屬線連接半導體器件
• 焊接需求：不需要實際焊接
• 製程步驟：製造金屬線、連接FEOL元件
• 製程工藝：沉積、金屬化、測試和封裝等步驟。
• 主要目的：做出出連接半導體器件的金屬線(來連接和組裝離散元件)

氧化：用玻璃塗層保護silicon wafers(矽與氧反應，生成二氧化矽或者說是玻璃)

氧化過程是什麼？在silicon wafers上形成玻璃薄膜來保護silicon wafers的過程。在追求半導體的均勻高質量薄膜方面扮演著重要角色，尤其是隨著半導體的微小化趨勢。 氧化薄膜作用：作為保護層，阻止其他物質進入，同時在離子注入過程中起到重要作用。氧化薄膜還可以用於阻止電流流動，特別是在MOSFET的閘極結構中。 這三種氧化過程的類型簡述：氧化過程可以分為濕氧化、乾氧化和自由基氧化三種類型。

• 濕氧化(Wet)：通過將高溫蒸汽（水）與silicon wafers反應進行的，生成氧化薄膜速度較快但均勻性較差。
• 乾氧化(Dry)：直接將高溫氧氣送到silicon wafers上，生成致密且均勻的氧化薄膜。
• 自由基氧化(Radical)：通過在高溫下將氧原子與氫分子混合形成高反應性的自由基氣體，與silicon wafers反應生成高品質的氧化薄膜。自由基氧化能夠在三維結構中形成均勻的氧化薄膜，並解決了乾氧化和濕氧化在不同方向上的形成速度差異的問題。

氧化設備：氣體與晶片進行反應

氧化設備包括進氣口和反應室，將氣體注入並通過加熱與晶圓反應。 設備中還插入一些dummy wafers，用於填充設備兩端晶片反應速度差異的問題，這是由設備結構造成的。 因為數十個wafers同時進入氧化設備，所以氧化過程被認為是相對快速的(比起其他的半導體製造過程)。

參考資料：

https://m.facebook.com/groups/1657991981199578/permalink/2013097159022390/?mibextid=Nif5oz

https://m.facebook.com/groups/1657991981199578/permalink/2015569935441779/?mibextid=Nif5oz