半導(dǎo)體工藝晶圓片的制備過(guò)程

本文講述晶圓片的制備過(guò)程。 ? ?

從砂子變成可以在上面雕刻線路的硅片，需要一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的工藝過(guò)程。本文主要講述以下過(guò)程：硅提純、拉晶、切割、拋光，到制成可用的硅片，以及主流程中的一些細(xì)節(jié)。主要內(nèi)容是工藝介紹、工藝目標(biāo)，和設(shè)備構(gòu)造。 ? 先看一些晶圓的基本信息，和工藝路線。 ? 晶圓主要尺寸有4吋，6吋硅片，目前對(duì)8吋，12吋硅片的應(yīng)用在不斷擴(kuò)大。這些直徑分別為100mm、150mm、200mm、300mm。硅片直徑的增大可降低單個(gè)芯片的制造成本。 ?

? 但是，伴隨著硅片直徑的增大，對(duì)晶圓表面局部平整度、表面附著的微量雜質(zhì)、內(nèi)部缺陷、氧含量等關(guān)鍵參數(shù)的要求也在不斷提高，這就對(duì)晶圓的制造技術(shù)提出了更高的要求。 ? 晶圓制備設(shè)備是指將純凈的多晶硅材料制成一定直徑和長(zhǎng)度的硅單晶棒材料，然后將硅單晶棒材料通過(guò)一系列的機(jī)械加工、化學(xué)處理等工序，制成滿足一定幾何精度要求和表面質(zhì)量要求的硅片或外延硅片，為芯片制造提供所需硅襯底的設(shè)備。 ? 對(duì)于直徑為200mm以下的硅片制備的典型工藝流程為： ? 單晶生長(zhǎng)→截?cái)唷鈴綕L磨→切片→倒角→研磨→刻蝕→吸雜→拋光→清洗→外延→包裝； ? 一、硅材料的特點(diǎn) ? 硅是一種半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗?個(gè)價(jià)電子，與其他元素一起位于元素周期表中的IVA族。 ? 硅中價(jià)層電子的數(shù)目使它正好位于優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)價(jià)電子）和絕緣體（8個(gè)價(jià)電子）的中間。 ? 硅被選為主要的半導(dǎo)體材料主要有以下4個(gè)理由： ?

存量大：硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%。 ?

高熔點(diǎn)允許更寬的工藝容限：硅1412℃的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鍺材料937℃的熔點(diǎn)，更高的熔點(diǎn)使得硅可以承受高溫工藝。 ? ?

硅材料更寬的工作溫度范圍； ?

氧化硅（SiO2）的自然生長(zhǎng)：SiO2是一種高質(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料，而且能充當(dāng)優(yōu)質(zhì)的化學(xué)阻擋層以保護(hù)硅不受外部污染。電學(xué)上的穩(wěn)定對(duì)于避免集成電路中相鄰導(dǎo)體之間漏電是很重要的。生長(zhǎng)穩(wěn)定的薄層SiO2材料的能力是制造高性能金屬—氧化物半導(dǎo)體（MOS-FET）器件的根本。SiO2具有與硅類似的機(jī)械特性，允許高溫工藝而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的硅片翹曲。 ? ?

二、硅的純化： ? 自然界中找不到純硅，必須通過(guò)提煉和提純使硅成為制造需要的純硅。它通常存在于硅土（氧化硅或SiO2）和其他硅酸鹽中。 ? 硅必須提純，才有可能用來(lái)制造芯片。 ? 硅的提純主要有以下兩個(gè)步驟 ? 冶金級(jí)純化：主要是加入碳，以氧化還原的方式，獲得 98%以上純度的多晶硅。大部分金屬提煉也是采用這種方法獲得的。 ? 電子級(jí)純化：采用西門(mén)子制程（Siemens Process）將冶金級(jí)硅（Metallurgical Grade Silicon,MG）進(jìn)一步提純，獲得更高純度多晶硅。半導(dǎo)體級(jí)硅（Semiconductor Grade Silicon）：99.99999%以上純度（7N~11N），相當(dāng)于5000噸多晶硅總雜質(zhì)含量?jī)H一枚1元硬幣重量。其中，太陽(yáng)能級(jí)多晶硅（Multi Grade）純度為99.99999%~99.999999%(7N~8N)。太陽(yáng)能級(jí)單晶硅（Mono Grade）純度為9N~10N。電子級(jí)多晶硅（Electronic Grade，EG）純度為10N~11N。多晶硅純度取決于反應(yīng)物三氯硅烷（SiHCl3, TCS）蒸餾程度及多晶硅塊表面雜質(zhì)是否被蝕刻掉。 ? 化學(xué)反應(yīng)方程式為： ? SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g) ? Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g) ? SiHCl3 (g) + H2(g) = Si (s) + 3HCl (g) ?

? 三、拉單晶 ? 多晶硅拉制成單晶硅工藝主要分為直拉法（CZ）和區(qū)熔法(FZ)。目前，大部分半導(dǎo)體硅片采用直拉法生產(chǎn)。金屬單晶的直拉CZ 法 (Czochralski )，由切克勞爾斯基于1916年發(fā)明。單晶硅直拉法包含了熔料、熔接、引細(xì)頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長(zhǎng)和收尾步驟，整個(gè)過(guò)程如下。? ?

? 將多晶硅和摻雜劑放入石英坩堝中，通過(guò)外圍環(huán)繞的石墨加熱器，將溫度升高至1420℃以上，獲得熔融狀態(tài)的多晶硅。 ? 待熔融多晶硅溫度穩(wěn)定一段時(shí)間后，將籽晶（直徑約0.5 cm,長(zhǎng)約10 cm）降下至液面3~5 mm 預(yù)熱，再插入熔晶表面進(jìn)行熔接。 ? 轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶并緩慢向上提升，將石英坩堝反轉(zhuǎn)，采用Dash技術(shù)（無(wú)位錯(cuò)單晶生長(zhǎng)）引細(xì)縮頸消除位錯(cuò)。因?yàn)楫?dāng)籽晶插入熔晶時(shí)，受籽晶與熔晶的溫度差所造成的熱應(yīng)力和表面張力作用會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)。 ? 當(dāng)細(xì)頸生長(zhǎng)至足夠長(zhǎng)度，則通過(guò)降低拉速進(jìn)行放肩。目前，拉晶工藝多采用平放肩工藝（肩部夾角接近180°），減少單晶硅錠頭部的原料損失。 ? 當(dāng)晶體生長(zhǎng)從直徑放大到等徑生長(zhǎng)階段，需進(jìn)行轉(zhuǎn)肩。目前，采用提高拉速的快轉(zhuǎn)肩工藝。 ? 轉(zhuǎn)肩完成后，調(diào)整拉速和溫度，控制晶體等徑生長(zhǎng)和維持無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)狀態(tài)。 ? 晶體等徑生長(zhǎng)完成后，必須將晶體直徑緩慢縮小，直至接近一尖點(diǎn)才與熔晶液面分離。如果晶體立馬脫離熔液，熱應(yīng)力將產(chǎn)生位錯(cuò)排和滑移線，收尾的作用是防止位錯(cuò)反延。 ?

(1)?直拉法與直拉單晶爐

直拉法又稱Czochralski（CZ）法，指的是把熔化了的半導(dǎo)體級(jí)硅液體變?yōu)橛姓_晶向并且被摻雜成N型或P型的固體單晶硅硅錠。 ? 目前85%以上的單晶硅是采用直拉法生長(zhǎng)出來(lái)的。 ?

? 直拉單晶爐是指將高純度的多晶硅材料在封閉的高真空或稀有氣體（或惰性氣體）保護(hù)環(huán)境下，通過(guò)加熱熔化成液態(tài)，然后再結(jié)晶，形成具有一定外形尺寸的單晶硅材料的工藝裝備。 ? 單晶爐的工作原理是多晶硅材料在液態(tài)狀態(tài)下再結(jié)晶成單晶硅材料的物理過(guò)程。直拉單晶爐可分為四大部分：爐體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)，以及氣體傳送系統(tǒng)。 ? 爐體包括爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個(gè)部分。 ? 爐腔是為了保證爐內(nèi)溫度均勻分布并且能夠很好地散熱；籽晶軸的作用是帶動(dòng)籽晶上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)；摻雜勺內(nèi)放有需要摻入的雜質(zhì)； ? 籽晶罩是為了保護(hù)籽晶不受污染。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要是控制籽晶和坩堝的運(yùn)動(dòng)。 ? 為了保證硅溶液不被氧化，對(duì)爐內(nèi)的真空度要求很高，一般在5Torr以下，加入的惰性氣體純度需在99.9999%以上。 ?

? 一塊具有所需要晶向的單晶硅作為籽晶來(lái)生長(zhǎng)硅錠，生長(zhǎng)的硅錠就像是籽晶的復(fù)制品。 ? 在熔化了的硅液和單晶硅籽晶的接觸面的條件需要精確控制。這些條件保證薄層硅能夠精確地復(fù)制籽晶結(jié)構(gòu)，并最后生長(zhǎng)成一個(gè)大的單晶硅錠。 ?

(2) 區(qū)熔法與區(qū)熔單晶爐

區(qū)熔法（Float Zone，F(xiàn)Z），它所生產(chǎn)的單晶硅錠的含氧量非常少。區(qū)熔法是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的，并且能生產(chǎn)出目前為止最純的單晶硅。 ? 區(qū)熔單晶爐是指利用區(qū)熔法原理，在高真空或稀石英管有氣體保護(hù)的環(huán)境下，通過(guò)多晶棒爐體一個(gè)高溫的狹窄封閉區(qū)，使多晶棒局部產(chǎn)生一個(gè)狹窄的熔化區(qū)， ?

? 移動(dòng)多晶棒或爐體加熱體，使熔化區(qū)移動(dòng)而逐步結(jié)晶成單晶棒的工藝設(shè)備。 ? 區(qū)熔法制備單晶棒的特點(diǎn)在于可以使多晶棒在結(jié)晶成單晶棒的過(guò)程中提升純度，棒料摻雜生長(zhǎng)比較均勻。 ? 區(qū)熔單晶爐的類型可分為依靠表面張力的懸浮區(qū)熔單晶爐和水平區(qū)熔單晶爐兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，區(qū)熔單晶爐一般采用浮區(qū)熔煉形式。 ? 區(qū)熔單晶爐可制備高純度的低氧單晶硅，不需要坩堝，主要用于制備高電阻率（＞20kΩ·cm）單晶硅和區(qū)熔硅的提純，這些產(chǎn)品主要用于分立功率器件的制造。 ?

? 區(qū)熔單晶爐由爐室、上軸與下軸（機(jī)械傳動(dòng)部分）、晶棒夾頭、籽晶夾頭、加熱線圈（高頻發(fā)生器）、氣口（抽真空口、進(jìn)氣口、上出氣口）等組成。 ? 在爐室結(jié)構(gòu)中，內(nèi)設(shè)有冷卻水循環(huán)。單晶爐上軸的下端為晶棒夾頭，用于夾持一根多晶棒；下軸的頂端為籽晶夾頭，用于夾持籽晶。 ? 加熱線圈通入高頻電源，從多晶棒下端開(kāi)始，使多晶棒形成一個(gè)狹窄的熔區(qū)同時(shí)通過(guò)上軸與下軸的旋轉(zhuǎn)和下降，使熔區(qū)結(jié)晶成單晶。 ? 區(qū)熔單晶爐的優(yōu)點(diǎn)是不僅可以提升制備單晶的純度，棒料摻雜生長(zhǎng)比較均勻，而且可對(duì)單晶棒料進(jìn)行多次工藝提純。 ? 區(qū)熔單晶爐的缺點(diǎn)是工藝成本較高，制備的單晶直徑較小，目前能制備的單晶直徑最大為200mm。 ? 區(qū)熔單晶爐設(shè)備的總高度較高，上軸與下軸的行程較長(zhǎng)，可生長(zhǎng)出較長(zhǎng)的單晶棒料。 ? 在制造多晶硅和直拉單晶硅的過(guò)程中，單晶硅中含有氧，在一定的溫度下，單晶硅中的氧會(huì)貢獻(xiàn)出電子，從而氧就會(huì)轉(zhuǎn)化為電子施主，這些電子會(huì)與硅片中的雜質(zhì)結(jié)合，影響硅片的電阻率。 ? 退火爐的功效：是指在氫氣或氬氣環(huán)境下，將爐內(nèi)溫度升到1000～1200℃，通過(guò)保溫、降溫，將拋光硅片表面附近的氧從其表面揮發(fā)脫除，使氧沉淀分層，溶解掉硅片表面的微缺陷，減少硅片表面附近的雜質(zhì)數(shù)量，減少缺陷，在硅片表層形成相對(duì)潔凈區(qū)域的工藝設(shè)備。 ? 因退火爐的爐管溫度較高，所以也稱之為高溫爐。行業(yè)內(nèi)也將硅片退火工藝稱為吸雜。 ? 硅片退火爐分為： ?

水平式退火爐； ? ?

立式退火爐； ? ?

快速退火爐。 ?

水平式退火爐與立式退火爐的主要區(qū)別是反應(yīng)室的布局方向不同。 ? 水平式退火爐的反應(yīng)室呈水平結(jié)構(gòu)布局，可以將一批硅片同時(shí)裝入退火爐反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行退火處理。通常退火時(shí)間為20～30min，但反應(yīng)室需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間才能達(dá)到退火工藝要求的溫度。 ?

? 立式退火爐的工藝過(guò)程也是采用一批硅片同時(shí)裝入退火爐反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行退火處理的方式，其反應(yīng)室為垂直結(jié)構(gòu)布局，可使硅片以水平狀態(tài)放置在石英舟中。 ? 同時(shí)由于石英舟在反應(yīng)室內(nèi)可以整體轉(zhuǎn)動(dòng)，使得反應(yīng)室的退火溫度均勻，硅片上的溫度分布均勻，具備優(yōu)良的退火均勻性特點(diǎn)，但立式退火爐的工藝成本比水平式退火爐的工藝成本要高。 ?

? 快速退火爐采用鹵鎢燈直接對(duì)硅片進(jìn)行加熱，可以實(shí)現(xiàn)1～250℃/s大范圍的快速升溫或降溫，比傳統(tǒng)退火爐升溫或降溫速率要快，反應(yīng)室溫度加熱到1100℃以上僅需數(shù)秒的時(shí)間。 ?

? 五、硅錠切片 ? 將硅錠的頭尾部切除，并對(duì)尺寸進(jìn)行檢測(cè)（確定后續(xù)加工的工藝參數(shù)）。 ? 單晶硅錠生長(zhǎng)過(guò)程中，外徑尺寸和圓度存在偏差，且外圓柱面也凹凸不平，需對(duì)硅錠的外徑進(jìn)行修整與研磨，使其尺寸和形狀符合規(guī)范。另外，硅錠側(cè)面會(huì)切割出一個(gè)平角或圓形小口（Flat/Notch）。8吋以下硅錠是Flat（平槽），8吋（含）以上硅錠是Notch（V槽）。Flat/Notch作用是定位及標(biāo)明晶向。如12吋晶圓規(guī)格要求Notch 方向?yàn)榫?<110>±1°。 ? 將硅錠逐塊切割后，需再切割成500~700 um厚度的晶圓片。 ? 硅片切割要有嚴(yán)格的工藝要求。 ? 1)斷面完整性好，消除拉絲和印痕跡。 ? 2)切割精度要高，表面平行度高，厚度誤差小。 ? 3)提高成品率，縮小切割縫隙，減少材料損失。　　 4)提高切割速度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)智能控制，自動(dòng)進(jìn)行切割。 ? 因?yàn)楣栌捕确浅４螅嫌捕葹?），需采用環(huán)狀、其內(nèi)徑邊緣嵌有鉆石顆粒的薄鋸片進(jìn)行切割?；蛘哂娩摼€進(jìn)行線切。 ?

? 目前更常用的方法是多線切割，效率更高，切割質(zhì)量更好 ?

? 多線切割是一種通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨，將半導(dǎo)體等硬脆材料一次同時(shí)切割為數(shù)百片薄片的一種新型切割加工方法。數(shù)控多線切割機(jī)已逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割，成為硅片切割加工的主要方式。硅片多線切割技術(shù)原理是通過(guò)一根高速運(yùn)動(dòng)的鋼線帶動(dòng)附著在鋼絲上的切割刃料對(duì)硅棒進(jìn)行摩擦，從而達(dá)到切割效果。在整個(gè)過(guò)程中，鋼線通過(guò)十幾個(gè)導(dǎo)線輪的引導(dǎo)，在主線輥上形成一張線網(wǎng)，而待加工工件通過(guò)工作臺(tái)的下降實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)給。硅片多線切割技術(shù)與其他技術(shù)相比有：效率高，產(chǎn)能高，精度高等優(yōu)點(diǎn)。是采用最廣泛的硅片切割技術(shù)。 ?

? 六、?圓邊和磨面 ? 晶錠切割成晶圓會(huì)形成銳利邊緣，有棱角、毛刺、崩邊，小裂縫或其它缺陷。為避免邊角崩裂影響晶圓強(qiáng)度、破壞晶圓表面光潔及對(duì)后工序帶來(lái)污染顆粒，需修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。 ? 通過(guò)研磨工序去掉切割時(shí)在晶片表面產(chǎn)生的鋸痕和破損，使晶圓表面達(dá)到規(guī)格要求的光潔度。 ?

? 七、蝕刻 ? 通過(guò)化學(xué)溶液蝕刻掉晶圓表面因加工壓力而產(chǎn)生的損傷層。 ? 八、拋光 ? 晶圓拋光采用超細(xì)漿料（顆粒直徑10~100 nm ，由Al2O3、SiO2或CeO2組成），結(jié)合壓力、侵蝕、機(jī)械和化學(xué)方法，對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)墊片之間的晶圓表面進(jìn)行拋光處理，獲得極佳的表面平整度。 ? 拋光工藝(以下簡(jiǎn)稱拋光法)根據(jù)拋光液和硅片表面間的作用在原理上可分為以下3大類? ? 1.機(jī)械拋光法 ? 機(jī)械拋光法的原理與磨片工藝相同,但所用到的磨料會(huì)更加細(xì)?經(jīng)機(jī)械拋光法拋光的硅片一般表面平坦度都相對(duì)較高,但是機(jī)械作用帶來(lái)的損傷較為嚴(yán)重,損傷層較深(相當(dāng)于顆粒的幾倍)?若采用極細(xì)的磨料，則會(huì)致使拋光的速度變得很慢,目前在工業(yè)上機(jī)械拋光法一般已經(jīng)不再被采用了? ? 2.化學(xué)拋光法 ? 硅片的化學(xué)拋光常用HN03-HF(硝酸,氫氟酸)腐蝕液進(jìn)行?經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光的硅片表面可以做到幾乎沒(méi)有損傷,拋光的速度也相對(duì)較高,但平坦度較差,因此在工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)拋光通常只作為拋光前的預(yù)處理,而不單獨(dú)作為拋光工藝使用? ? 3.化學(xué)機(jī)械拋光法(CMP) ? 前兩種拋光法都有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),若將這兩種方法結(jié)合起來(lái),則可在工藝上達(dá)到優(yōu)缺互補(bǔ)的效果?化學(xué)機(jī)械拋光法利用拋光液對(duì)硅片表面的機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕的雙重作用,兼有機(jī)械拋光和化學(xué)拋光兩種拋光方法的優(yōu)點(diǎn)?CMP是業(yè)界發(fā)展起來(lái)的制造大直徑晶圓的技術(shù)之一,是現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工業(yè)中應(yīng)用最為普遍的拋光方法? ? CMP所采用的拋光液是由拋光粉和氫氧化鈉溶被配制而成的膠體狀溶液,其中拋光粉通常使用Si02或Zr02(氧化鋯),而不使用硬度過(guò)高的材料? ?