半導體入門・單元 9

爐管：用高溫氧化與退火

在很多製程裡，電晶體閘極底下那層很薄的絕緣層，是在爐管裡用高溫長出來的；植入的原子也要靠加熱才開始導電。可是每加熱一次，前面做好的東西就再跑一點，所以熱要從頭算到尾。

學到什麼

說明熱氧化為什麼要高溫、新的氧化層長在哪裡，以及乾氧和濕氧各用在哪。
說明退火怎麼讓植入的原子開始導電，溫度和時間給得多或少各會怎樣，以及為什麼有些退火改成只加熱幾秒。
說得出爐管怎麼讓上百片受熱一樣（分段加熱、擋片）、怎麼確認（監控片），以及熱預算為什麼要從頭排到尾。

爐管示意圖：直立的石英管外面包著一圈加熱器，晶圓一格一片排在晶舟上，整支從下面升進管子，通入氧氣或水蒸氣，溫度多半在 800 到 1200 度。右邊是熱氧化：氧鑽過氧化層，在跟矽的交界處長出新的二氧化矽；100 奈米的氧化層裡，約 44 奈米原本是矽。 — 爐管一次烤上百片（示意）。熱氧化長出來的二氧化矽，有將近一半是「吃進」晶圓裡的。

一步一步

進爐管前，先把晶圓洗得很完整。
為什麼表面的金屬和有機物，會被高溫一起烤進去。
不這樣會怎樣長出來的氧化層品質差；金屬鑽進矽裡，電晶體容易漏電。
插上晶舟：兩端擺擋片，產品放中間，上中下夾監控片。
為什麼晶舟最上、最下的溫度和氣流，跟中間不一樣。
不這樣會怎樣產品擺到兩端，長出來就跟中間的不一樣。
這是遊戲 fab24hr 裡的畫面，機台、批號、人物都是虛構的。到遊戲裡玩這一段 →
晶舟慢慢升進管子，慢慢升溫。
為什麼升溫太快，晶圓受熱不均，邊緣和中間膨脹得不一樣。
不這樣會怎樣矽的排列被扯得錯開，邊緣留下一條一條的滑移線。
到了溫度，做這一爐的事：熱氧化長出絕緣層，或在離子植入之後退火。
為什麼加熱讓氧鑽過已長好的氧化層往下長；退火讓撞亂的原子排回去。
不這樣會怎樣沒有退火，打進去的原子卡在縫裡，幫不上導電的忙。
出爐量上中下的監控片：氧化看厚度，退火看片電阻。
為什麼溫度差一點，長出來就不一樣；站上崗位的原子越多，片電阻越低。
不這樣會怎樣不量，就不知道這一爐上下長得一不一樣，一爐出事就是整批。
每一次加熱都記進熱預算（一片晶圓這一生受熱的總帳），從頭排到尾。
為什麼每加熱一次，前面打進去的原子就再跑一點，做好的形狀慢慢變糊。
不這樣會怎樣沒從頭排好，到後面才發現熱用超了，前面做好的形狀已經糊掉，用掉的收不回來。

調什麼、怕什麼

爐溫
改變什麼溫度高一點，氧化就長快一點；退火時也有更多原子站上崗位。
調錯會怎樣溫度差一點，長出來就不一樣：管子上下溫度不一樣，同一爐上下的片子就長得不一樣厚；溫度越高，熱預算也記得越重。
在高溫裡的時間
改變什麼待得越久，氧化層長得越厚，退火也越到位。
調錯會怎樣熱得越久，打進去的原子越往旁邊跑，做好的形狀變糊，熱預算也收不回來。
乾氧或濕氧
改變什麼乾氧長得慢、比較緻密；濕氧快很多，適合要長厚的層。
調錯會怎樣爐子裡多出一點水氣，氧化就變快，長得比預期厚。
升溫、降溫的速度
改變什麼慢慢升、慢慢降，晶圓的邊緣和中間受熱比較一致。
調錯會怎樣太快，邊緣和中間膨脹得不一樣，邊緣留下滑移線。
退火的作法（爐管整批，或一片快速加熱）
改變什麼爐管一次做一整批，一爐要好幾個小時；快速加熱一次一片、只熱幾秒，打進去的原子比較沒時間往旁邊跑。
調錯會怎樣結構越小越經不起熱得久：還在爐管裡慢慢烤，原子只跑一點點，形狀就看得出糊了；只熱幾秒，也得烤得夠，原子才站得上崗位。

重點講解

爐管在做什麼：一次加熱上百片

爐管是晶圓廠的高溫爐：上百片晶圓插在石英架子上，送進溫度多半在攝氏八百到一千兩百度之間的長管子裡。它最常做兩件事。熱氧化，讓矽和氧在高溫下長出一層不導電的二氧化矽；在很多製程裡，最要緊的是電晶體閘極底下那層很薄的絕緣層（較新的製程常改成一片一片快速長，最先進的還會用原子層沉積鋪上別種絕緣材料，見薄膜單元）。退火，讓植入時撞亂的原子排回去，打進去的原子才開始導電。有些薄膜也在爐管裡長。一爐從升溫、做完到降溫要好幾個小時，長的接近一天，所以一次放很多片才划算；代價是一爐出事，整批都出事。

氧要鑽過已經長好的那一層，所以要加熱

矽放在空氣裡，表面本來就會長一層很薄的二氧化矽，像鐵生鏽，只是這層「鏽」是透明的玻璃。室溫下它長到一、兩奈米就停了：氧要穿過已經長好的那一層才碰得到矽，沒有足夠的能量。加熱之後氧鑽得過去，新的二氧化矽在底下和矽的交界處一直長，用掉的是晶圓本身的矽。氧有兩種給法：乾氧通純氧，長得慢、比較緻密，用在最薄、最要緊的層；濕氧通水蒸氣，快很多，用在要長厚的地方。所以爐子裡連一點點多出來的水氣都要管住，不然就長得比預期厚。

退火：讓打進去的原子站上崗位

矽的原子本來排得像一箱整齊的橘子。離子植入把別種原子高速打進去，排列被撞亂，打進去的原子也多半卡在縫裡，幫不上導電的忙。加熱之後，撞亂的地方慢慢排回去，打進去的原子坐進矽原子的位置，才開始導電，這叫活化。有沒有到位，常看片電阻：站上崗位的原子越多，越好導電，片電阻越低。退火也是兩難：溫度越高、時間越長，越多原子站上崗位；可是熱得越久，原子也往旁邊跑，把做好的形狀弄糊。所以有些退火還在爐管裡一次做一整批，有些改用一次一片、只加熱幾秒的快速作法。

爐管裡一步一步：從裝晶舟到出爐

進爐管之前，晶圓要先洗得很完整，因為表面的金屬和有機物會被高溫一起烤進去。接著一格一片插上叫晶舟的石英架：晶舟最上、最下的溫度和氣流跟中間不一樣，兩端就擺幾片不出貨的擋片，產品放中間，上、中、下再夾監控片（不出貨、專門檢查機台的晶圓）。晶舟從下面慢慢升進管子、慢慢升溫：升得太快，晶圓受熱不均，邊緣和中間膨脹得不一樣，邊緣會留下一條一條的滑移線。到了溫度再通氣體，例如氧化通氧氣，停一段時間，最後慢慢降溫。每一步的溫度、氣體、時間，都寫在同一份 Recipe（機台照著跑的設定）裡。

這一爐對不對：看上、中、下的監控片

氧化長得多快，跟溫度很有關係：溫度高一點，就長得快一點。一爐上百片排成一長條，要是上面比下面熱，上面的片子就長得比下面厚。所以爐管把加熱分成好幾段，每一段有自己的加熱器和溫度計（熱電偶），各自調。出爐後，量上、中、下那幾片監控片長了多厚，透明的氧化層用光就量得出來；上下差得比平常多，就要查是溫度還是氣流出了問題。退火有沒有到位，就量片電阻。這些數字畫在管制圖上，看有沒有慢慢偏。

熱預算：每一次加熱都記帳，從頭排到尾

原子在高溫裡會慢慢移動，像一滴墨水在熱水裡散得比冷水快。前面打進矽裡的原子，位置和深度都是算好的；後面每一次加熱，不管是氧化、退火還是長膜，都會讓它們再跑一點，形狀慢慢變糊。所以工程師算一筆熱預算：一片晶圓這一生在高溫裡待了多熱、多久的總帳，用掉就收不回來。這筆帳要從頭排到尾，前面一步的條件，要先把後面所有的加熱算進去；結構越小，帳就越緊。等上面做了金屬導線，就再也不能進上千度的爐管，只能用幾百度。

常見誤解

常聽到氧化層是從晶圓表面往上鋪上去的。: 其實熱氧化是氧鑽過已經長好的那一層，在底下和矽的交界處生成新的二氧化矽，用掉的是晶圓本身的矽：長出一百奈米，大約有四十四奈米原本是矽。從外面把材料送來、鋪在最上面的是沉積，多半在薄膜區做；爐管也能用氣體這樣鋪一層氮化矽或多晶矽。
常聽到退火的溫度越高、烤得越久越好。: 其實溫度高、時間長，原子比較容易站上崗位；可是熱得越久，打進去的原子也會往旁邊跑，把做好的形狀弄糊，而且每一次加熱都記在熱預算裡，用掉收不回來。所以退火要烤得夠，又不能烤太久，有些改用一次一片、只加熱幾秒的快速作法。