張致吉 / 工研院產科所
半導體的製程非常繁瑣，從準備好的一片矽晶圓到封裝、測試完成，期間歷經將近上千道工序，且每一道製程都是關鍵，不但設備是關鍵、製程技術是關鍵、連材料功能、規格與特性的選用都是關鍵。但是要完美地完成一顆IC，最重要的還是材料，正所謂「巧婦難為無米之炊」，半導體製程中到底需要哪些化學材料，且讓我們深探其製造工序並細說全程。本文從矽基半導體前段製程解題，歸納六大關鍵製程，並從其功能與規格的選用一一拆解。
【內文精選】
半導體標準製程
本文所談論的半導體晶圓製造或稱IC製造主要以矽晶圓為基底材料。
一顆IC的生成除了要先從晶棒切割下來後需事先經過拋光與打磨，後續要透過薄膜製程進行氧化擴散、鍍膜、沉積；接著是結合光罩經光阻塗布後，進行曝光、顯像、蝕刻（Etching），以及去除光阻等多道重複性程序，遇到功能複雜的IC往往須歷經上千道製程手續與工作站，最終才能完成晶片元件（IC）的製作，且愈複雜的線路所需經過的重複性愈高。從矽基半導體標準的製程來看（圖一），要完成這樣精緻細微的線路，除了要仰賴精密設備與搭配適合於設備操作規格之特殊材料（例如光阻）外，其他所有包括有機與無機的耗材，都必須是高純度製程材料，才能滿足其製程的需求。
圖一 矽基半導體製造流程
IC製造關鍵技術說明
半導體晶圓前段製程技術主要有六個，分別是：
①薄膜生成（Thin Film Deposition）：主要是利用化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）或原子層沉積（ALD），在晶圓表面沉積導體、半導體或絕緣介電層。在半導體製造中，薄膜生成所使用的材料依據「生成的薄膜種類」與「沉積方式」而有顯著差異。
②黃光微影（Photolithography）：在先進半導體製程中最關鍵且最昂貴的步驟，係透過曝光機（如ASML的DUV或EUV極紫外光）將光罩上的微小電路圖形轉印到光阻上。
③蝕刻（Etching）：使用等離子體（乾蝕刻）或化學藥劑（濕蝕刻），精準咬蝕掉沒有光阻保護的區域，留下所需的微型電路結構。
④離子植入（Ion Implantation）：將特定化學元素（如硼、磷、砷）加速注入矽晶圓中，改變局部半導體的導電類型（P型或N型），以形成電晶體的源極與汲極。
⑤化學機械研磨（CMP）：在層與層之間進行平坦化（Planarization），確保後續微影曝光時焦距精準，是多層金屬連線的關鍵技術。
⑥金屬化（Metallization）：沉積銅（Cu）或鎢（W）金屬線路，連接各電晶體單元（BEOL階段）；現今製程亦大量採用金屬鈷（Co）或釕（Ru）。
各關鍵製程所需材料
1. 薄膜生成需要的材料
薄膜生成需要的材料可分為前驅物與靶材（形成薄膜主體），以及輔助氣體兩大類，如下所列。
（1）核心前驅物與靶材（依薄膜功能分類）
①介電層/絕緣膜（Dielectrics）：主要用於電晶體的閘極絕緣層、層間介電膜（ILD/IMD）或保護層，常用的第一種是二氧化矽（SiO2），其常用氣體前驅物有矽烷（SiH4）、正矽酸乙酯（TEOS, Si（OC2H5）4）；第二種是氮化矽（Si3N4），其常用作硬光罩（Hardmask）或絕緣層，作為絕緣層或介電層，其前驅物的材料有：矽烷或二氯矽烷（SiH2Cl2）搭配氨氣（NH3）；以及第三種是高介電常數材料（High-k Materials），目前用於（7 nm以下）先進製程之閘極介電層，目的是防止漏電，其所用的金屬有機前驅物有：鉿前驅物（如TEMAHf）、鋯前驅物（如TEMAZr），用來沉積氧化鉿（HfO2）或氧化鋯（ZrO2）。
②金屬導線與連接層（Interconnects & Contacts）：用於將晶圓上的電晶體連接起來（BEOL階段）。第一種是銅，也是現行主流導線材料。常用於物理氣相沉積的高 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》479期，更多資料請見下方附檔。