1、半导体晶圆制备详解-芯片晶圆制备详解漫谈晶圆制备-讲述沙子转变成晶体及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步骤介绍高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆。在上世纪 60 年代开始使用的是1直径的晶圆，而现在业界根据 90 年代的工艺要求生产 200 毫米直径的晶圆。300 毫米直径的晶圆也已经投入生产线了，而根据 SIA 的技术路线图，到 2007 年，300 毫米将成为标准尺寸。以后预期会是 400 毫米或 450 毫米直径的晶圆。大直径的晶圆是由不断降低芯片成本的要求驱动的。然而，这对晶圆制备的挑战是巨大的。大直径意味着高重量，这就需要更多坚固的工艺设备。在晶体生长中，晶体结构上和电学性能
2、一致性及污染的问题是一个挑战，这些挑战和几乎每一个参数更紧的工艺规格要求共存。与挑战并进和提供更大直径晶圆是芯片制造不断进步的关键。半导体硅制备半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平，必须是指定的晶体结构，必须是光学的平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。制造 IC 级的硅晶圆分四个阶段进行：晶圆制备阶段*矿石到高纯气体的转变 *气体到多晶的转变 *多晶到单晶，掺杂晶棒的转变 *晶棒到晶圆的制备半导体制造的第一个阶段是从泥土里选取和提纯半导体材料的原料。提纯从化学反应开始。对于硅，化学反应是从矿石到硅化物气
3、体，例如四氯化硅或三氯硅烷。杂质，例如其他金属，留在矿石残渣里。硅化物再和氢反应（图 3.1）生成半导体级的硅。这样的硅的纯度达 99.9999999%，是地球上最纯的物质之一。 1 它有一种称为多晶或多晶硅（polysilicon）的晶体结构。晶体材料材料中原子的组织结构是导致材料不同的一种方式。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（crystals）。 原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（amorphous）。塑料是无定形材料的例子。晶胞对于晶体材料实际上可能有两个级别的原子组织结构。第一个是单个原子的组织结构。晶体里的原子排列在称为
4、晶胞（unit cell）的结构的特定点。晶胞是晶体结构的第一个级别。晶胞结构在晶体里到处重复。 另一个涉及晶胞结构的术语是晶格（lattice）。晶体材料具有特定的晶格结构，并且原子位于晶格结构的特定点。 在晶胞里原子的数量、相对位置及原子间的结合能会引发材料的许多特性。每个晶体材料具有独一无二的晶胞。硅晶胞具有 16 个原子排列成金刚石结构（图 3.2）。砷化镓晶体具有 18 个原子的晶胞结构称为闪锌矿结构（图 3.3）。多晶和单晶晶体结构的第二个级别和晶胞的构成有关。在本征半导体中，晶胞间不是规则的排列。这种情形和方糖杂乱无章的堆起来相似，每个方糖代表一个晶胞。这样排列的材料具有多晶结构
5、。 当晶胞间整洁而有规则的排列时第二个级别的结构发生了（图 3.4）。那样排列的材料具有单晶结构。 单晶材料比多晶材料具有更一致和更可预测的特性。单晶结构允许在半导体里一致和可预测的电子流动。在晶圆制造工艺的结尾，晶体的一致性对于分割晶圆成无粗糙边缘的晶元是至关重要的（见 18 章）。晶圆是制造 IC 的基本原料硅是由沙子所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将这些纯硅制成长硅晶棒，成为制造积体电路的石英半导体的材料，经过照相制版，研磨，抛光，切片等程序，将多晶硅融解拉出单晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圆。我们会听到几寸的晶圆厂，如果硅晶圆的直径越大，代表著这座晶
6、圆厂有较好的技术。另外还有scaling 技术可以将电晶体与导线的尺寸缩小，这两种方式都可以在一片晶圆上，制作出更多的硅晶粒，提高品质与降低成本。所以这代表 6 寸、 8 寸、12 寸晶圆当中，12 寸晶圆有较高的产能。当然，生产晶圆的过程当中，良品率是很重要的条件。晶圆是指硅半导体积体电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆；在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之 IC 产品。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达 0.99999999999。晶圆制造厂再将此多晶
7、硅融解，再于融液内掺入一小粒的硅晶体晶种，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗小晶粒在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶” 。硅晶棒再经过研磨，抛光，切片后，即成为积体电路工厂的基本原料硅晶圆片，这就是“晶圆”。一，晶圆制备关键术语和概念晶体 籽晶 晶胞 熔融物 多晶 晶体生长 单晶 直拉法 晶体定向 区熔法 晶面 液体掩盖直拉法 晶面 晶圆参考面 点缺陷 晶圆参考面代码 晶体位错 化学机械抛光 原生缺陷 背损伤 边缘倒角 切片 滑移 空位晶圆术语1. 器件或叫芯片（Chip, die, device, microchip, bar）： 这个名词指的是在晶圆表
8、面占大部分面积的微芯片掩膜。 2. 街区或锯切线（Scribe lines, saw lines, streets, avenues）：在晶圆上用来分隔不同芯片之间的街区。街区通常是空白的, 但有些公司在街区内放置对准靶, 或测试的结构（见 Photomasking 一章）。 3. 工程试验芯片（Engineering die, test die）：这些芯片与正式器件（或称电路芯片）不同。它包括特殊的器件和电路模块用于对晶圆生产工艺的电性测试。 4. 边缘芯片（ Edge die）：在晶圆的边缘上的一些掩膜残缺不全的芯片而产生面积损耗。由于单个芯片尺寸增大而造成的更多边缘浪费会由采用更大直径晶
9、圆所弥补。推动半导体工业向更大直径晶圆发展的动力之一就是为了减少边缘芯片所占的面积。 5. 晶园的晶面 ( Wafer Crystal Plans)：图中的剖面标示了器件下面的晶格构造。此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向是确定的。 6. 晶圆切面/凹槽( Wafer flats/notches)：例如图示的晶圆有主切面和副切面，表示这是一个 P 型晶向的晶圆（见第三章的切面代码）。300 毫米晶圆都是用凹槽作为晶格导向的标识。二，晶体生长方式分类半导体晶圆是从大块半导体材料切割而来的。那些半导体材料，或叫做晶棒，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，给予
10、正确的定向和适量的 N 型或 P 型掺杂，叫做晶体生长。 使用三种不同的方法来生长单晶：直拉法、液体掩盖直拉法、区溶法。1.直拉法（CZ） 晶体生长方式概述大部分的单晶是通过直拉法生长的. 设备有一个石英坩埚，由负载高频波的环绕线圈来加热，或由电流加热器来加热。坩埚装载半导体材料多晶块和少量掺杂物。选择掺杂材料来产生 N 型或 P 型材料。开始在 1415C 把多晶和搀杂物加热到液体状态，接下来籽晶安置到刚接触到液面（叫做熔融物）。籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，籽晶可由化学气相的技术制造。在实际应用中，它们是一片片以前生长的单晶并重复使用。 当籽晶从熔融物中慢慢上升时，晶体生长开始了。
11、籽晶和熔融物间的表面张力致使一层熔融物的薄膜附着到籽晶上然后冷却。在冷却过程中，在熔化的半导体材料的原子定向到籽晶一样的晶体结构。实际结果是籽晶的定向在生长的晶体中传播。在熔融物中的搀杂原子进入生长的晶体中，生成 N 型或 P 型晶体。 为了实现均匀掺杂、完美晶体和直径控制，籽晶和坩埚（伴随着拉速）在整个晶体生长过程中是以相反的方向旋转的。工艺控制需要一套复杂的反馈系统，综合转速、拉速及熔融物温度参数。 拉晶分三段，开始放肩形成一薄层头部，接着是等径生长，最后是收尾。直拉法能够生成几英尺长和直径大到十二英寸或更多的晶体。200 毫米晶圆的晶体将会重达 450 磅，需要花费三天时间生长。2.液体
12、掩盖直拉法（LEC ）液体掩盖直拉法 2 用来生长砷化镓晶体。实质上它和标准的直拉法（CZ ）一样，但为砷化镓做了重要改进。由于熔融物里砷的挥发性，改进是必须的。在晶体生长的温度条件下，镓和砷起反应，砷会挥发出来造成不均匀的晶体。 对这个问题有两个解决办法。一个是给单晶炉加压来抑制砷的挥发，另一个是液体掩盖直拉法工艺（图 3.9）。液体掩盖直拉法使用一层氧化硼（ B2O3）漂浮在熔融物上面来抑制砷的挥发。在这个方法中，单晶炉里需要大约一个大气压。3.区熔法 晶体生长方式概述区熔法晶体生长 2 是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工艺之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一个缺点是坩埚中的
13、氧进入到晶体中，对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。对于这些特殊情况，晶体必须用区熔法技术来生长以获得低氧含量晶体。 区熔法晶体生长（图 3.10）需要一根多晶棒和浇铸在模子里的掺杂物。籽晶熔合到棒的一端。夹持器装在单晶炉里。当高频线圈加热多晶棒和籽晶的界面时，多晶到单晶的转变开始了。线圈沿着多晶棒的轴移动，一点点把多晶棒加热到液相点。在每一个熔化的区域，原子排列成末端籽晶的方向。这样整个棒以开始籽晶的定向转变成一个单晶。 区熔法晶体生长不能够象直拉法那样生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，但不需用石英坩埚会生长出低氧含量的高纯晶体。低氧晶体可以使用在高功率的晶闸管和整流器。三，单晶
14、硅棒加工成单晶硅抛光硅片工艺流程加工流程 单晶生长切断外径滚磨平边或 V 型槽处理切片 倒角研磨 腐蚀- 抛光清洗包装 晶棒成长工序：它又可细分为： 1）、融化（Melt Down）：将块状的高纯度复晶硅置于石英坩锅内，加热到其熔点1420C 以上，使其完全融化。2）、颈部成长（Neck Growth）：待硅融浆的温度稳定之后，将1.0.0方向的晶种慢慢插入其中，接着将晶种慢慢往上提升，使其直径缩小到一定尺寸（一般约 6mm 左右），维持此直径并拉长 100-200mm，以消除晶种内的晶粒排列取向差异。 3）、晶冠成长（Crown Growth）：颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈部
15、直径逐渐加大到所需尺寸（如 5、6、8 、12 吋等）。 4）、晶体成长（Body Growth）：不断调整提升速度和融炼温度，维持固定的晶棒直径，只到晶棒长度达到预定值。 5）、尾部成长（Tail Growth）：当晶棒长度达到预定值后再逐渐加快提升速度并提高融炼温度，使晶棒直径逐渐变小，以避免因热应力造成排差和滑移等现象产生，最终使晶棒与液面完全分离。到此即得到一根完整的晶棒。1. 切断：目的是切除单晶硅棒的头部、尾部及超出客户规格的部分，将单晶硅棒分段成切片设备可以处理的长度，切取试片测量单晶硅棒的电阻率含氧量。 切断的设备：内园切割机或外园切割机 切断用主要进口材料：刀片 2. 外径磨
16、削：由于单晶硅棒的外径表面并不平整且直径也比最终抛光晶片所规定的直径规格大，通过外径滚磨可以获得较为精确的直径。在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径有偏差（图 3.14）。晶圆制造过程有各种各样的晶圆固定器和自动设备，需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎。 直径滚磨是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作。机器滚磨晶体到合适的直径，无需用一个固定的中心点夹持晶体在车床型的滚磨机上。外径滚磨的设备：磨床 晶体定向，电导率和电阻率检查在晶体提交到下一步晶体准备前，必须要确定晶体是否达到定向和电阻率的规格要求。晶体定向（图 3.15）是由 X 射线衍射或平行光衍射来确定的。在两种方法中，晶体的一端都
17、要被腐蚀或抛光以去除损伤层。下一步晶体被安放在衍射仪上，X 射线或平行光反射晶体表面到成像板（X 射线）或成像屏（平行光）。在成像板或成像屏上的图案显示晶体的晶面（晶向）。在图 3.15 显示的图案代表晶向。 许多晶体生长时有意偏离重要的和晶面一点角度。这些偏晶向在晶圆制造过程中会带来很多好处，特别是在离子注入工艺中，原因会在工艺应用章中涉及到。 晶棒粘放在一个切割块上来保证晶圆从晶体正确的晶向切割。 由于晶体是经过掺杂的，一个重要的电学性能检查是导电类型（N 或 P）来保证使用了正确的掺杂物。热点探测仪连接到极性仪用来在晶体中产生空穴或电子（和类型相关），在极性仪上显示导电类型。 进入晶体的
18、掺杂物的数量由电阻率测量来确定，使用四探针仪。见 13 章此测量技术的描述。在第 2 章（图 2.7）讲到的曲线表示了电阻率和 N 型 P 型硅掺杂含量的关系。 由于在晶体生长工艺中掺杂量的变异，电阻率要延着晶体的轴向测量。这种变异导致晶圆进入几个电阻率规格范围。在后面的工序，晶圆将根据电阻率范围分组来达到客户的规格要求。3. 平边或 V 型槽处理：即滚磨定向指示 一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出一个参考面（图 3.16）。这个参考面将会在每个晶圆上出现，叫做主参考面。参考面的位置延着一个重要的晶面，这是通过晶体定向检查来确定的。 在制造工艺中，参考面对晶向起可见的参考作用。它用来放
19、置第一步的光刻图案掩膜版，所以芯片的晶向总是沿着一个重要的晶面。 在许多晶体中，在边缘有第二个较小的参考面。第二个参考面对于主参考面的位置是一种代码，它不仅用来区别晶圆晶向而且区别导电类型。这种代码在图 3.17 中显示。 对于大直径的晶圆，在晶体上滚磨出一个缺口来指示晶向。 指方位及指定加工，用以单晶硅捧上的特定结晶方向平边或 V 型。 处理的设备：磨床及 XRAY 绕射仪。 4. 切片：指将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄晶片。 用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来（图 3.18）。这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片。圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。内圆刀片有硬度，但不用非常厚。这
20、些因素减少刀口（切割宽度）尺寸，也就减少一定数量的晶体被切割工艺所浪费。 对于 300 毫米直径的晶圆，使用线切割来保证小锥度的平整表面和最少量的刀口损失。 切片的设备：内园切割机或线切割机 晶圆刻号大面积的晶圆代在晶圆制造工艺中有高价值，区别它们是防止误操作所必需的，并且可以保持精确的可追溯性。使用条形码和数字矩阵码（图 3.19）的激光刻号被采用了。3对 300 毫米的晶圆，激光点是一致认同的方法。5. 倒角或圆边（Edge Profiling）：指将切割成的晶片税利边修整成圆弧形，防止晶片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。 倒角的主要设备：倒角机 6. 研磨：指通过研磨
21、能除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。 半导体晶圆的表面要规则，且没有切割损伤，并要完全平整。第一个要求来自于很小尺度的制造器件的表面和次表面层。它们的尺度在 0.5 到 2 微米之间。为了获得半导体器件相对尺寸的概念，想象图3.20 的剖面和房子一样高，大概 8 英尺，在那个范围内，在晶圆的工作层都存在顶部一到二英寸或更小的区域。 平整度是小尺寸图案是绝对的必要条件（见 11 章）。先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面，如果表面不平，投影将会扭曲就象电影图像在不平的银幕上没法聚焦一样。研磨的设备：研磨机（双面研磨） 主要原料：研磨浆料（主要成份为氧化铝，铬砂，水），滑浮液。 7. 腐蚀：指经切片及研磨等机械加工后，晶片表面受加工应力而形成的损伤层，通常采用化学腐蚀去除。 腐蚀的方式： （A）酸性腐蚀，是最普遍被采用的。酸性腐蚀液由硝酸（HNO3），氢氟酸（HF），及一些缓冲酸（CH3COCH，H3PO4）组成。 （B）碱性腐蚀，碱性腐蚀液由 KOH 或 NaOH 加纯水组成。
