本文講述半導(dǎo)體單晶生長和成形所需的常用技術(shù)。

內(nèi)容框架：

晶體生長基本流程

單晶硅的生長

更高純度的單晶硅的生長

晶圓成形：切割、研磨、拋光

晶體缺陷

1.晶體生長基本流程

下圖為從原材料到拋光晶圓的基本工藝流程：

2.單晶硅的生長

從液態(tài)的熔融硅中生長單晶硅的及基本技術(shù)稱為直拉法（Czochralski）。半導(dǎo)體工業(yè)中超過90%的單晶硅都是采用這種方法制備的。

在晶體生長過程中，多晶硅被放置到坩堝中，熔爐加熱到超過硅的熔點，將一個適當(dāng)晶向的籽晶放置在籽晶夾具中，懸于坩堝之上。將籽晶插入熔融液中，雖然籽晶將會部分熔化，但未熔化的籽晶頂部將會接觸熔融液的表面。接著將籽晶慢慢拉起，熔融液在固體﹣液體的表面逐漸冷卻，從而產(chǎn)生一個很大的單晶錠。

標(biāo)準(zhǔn)的拉晶速率是每分鐘數(shù)毫米。如果要拉制一個較大直徑的單晶硅錠，可在基本直拉法拉晶機(jī)上外加磁場。外加磁場的目的是減少缺陷、雜質(zhì)，降低氧含量。由直拉法生長的單晶硅錠如圖所示：

摻雜：

在晶體生長時，可將一定數(shù)量的雜質(zhì)原子加入熔融液，以獲得所需的摻雜濃度。對硅而言，硼和磷分別是形成P型和N型半導(dǎo)體最常用的摻雜材料。

要想使晶錠獲得均勻的摻雜分布，可提高拉晶速率和降低旋轉(zhuǎn)速率。另一種方法是在單晶生長過程中持續(xù)不斷地向熔融液中添加高純度的多晶硅，使得熔融液的初始的摻雜濃度維持不變。

3.更高純度的單晶硅的生長

區(qū)熔工藝可以生長純度更高的單晶硅。裝置如下:

一根底部帶有籽晶的高純度多晶硅棒保持在垂直方向并且旋轉(zhuǎn)。此多晶硅棒被密封在充滿惰性氣體（如氬氣）的石英管中。

在操作過程中，利用射頻加熱器使多晶硅棒的一小段區(qū)域（大約幾厘米長）熔融，沿多晶硅棒軸向方向從部的向上移動射加熱器，使懸浮熔融帶(float-zone）向上移動，并掃過整個多晶硅棒。已懸浮區(qū)熔的硅以正在熔融的硅和再結(jié)晶的固體硅之間的表面張力為支撐。當(dāng)懸浮熔融帶上移時，后退端再結(jié)晶，生長出與籽晶晶向一致的單晶。

使用區(qū)熔法可生長出更高阻率的單晶材料。所以，目前區(qū)熔法生產(chǎn)出的單晶主要用于制造高功率、高壓器件等。這種生長技術(shù)還可以用來去除雜質(zhì)，稱為區(qū)熔提純技術(shù)，可用于提供極其純凈的原材料。

4.晶圓成形：切割、研磨、拋光

晶體生長完成后，第一道成形的操作是切除晶錠包含籽晶的頭部和最后凝固的尾端。接著磨光表面以確定晶圓的直徑。然后沿晶錠軸向磨出一個或數(shù)個平面。這些平面用來指示晶向和導(dǎo)電類型。最大的平面稱為主磨面，參照該面可使自動工藝設(shè)備中的機(jī)械定向器自動固定晶圓的位置并確定器件相對于晶體的取向。另外一些較小的面稱為次磨面，用于指示晶向和導(dǎo)電類型。

接著晶錠被金剛石刀片切成晶圓。切割決定四個晶圓參數(shù)：①晶面結(jié)晶方向，如＜111＞或＜100>;②晶圓厚度，如0.5~0.7 mm，由晶圓直徑?jīng)Q定；③晶面傾斜度，指從晶圓一端到另一端的厚度差異；④晶圓彎曲度，指從晶圓中心到晶圓邊緣的彎曲程度。

切割完成以后，晶圓的兩面要用氧化鋁（Al2O3）和甘油的混合物來研磨，一般可研磨到2um的平坦度。這道研磨操作通常會造成晶圓表面和邊緣的損傷和污染，損傷和污染的區(qū)域可用化學(xué)刻蝕的方法來消除。

晶圓成形的最后一道工序是拋光，其目的是為后面的光刻工藝提供具有高度平坦化、高度潔凈表面的晶圓。

5.晶體特性

缺陷：

實際的晶體總會存在缺陷，從而影響半導(dǎo)體的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械特性。

點缺陷在氧化和雜質(zhì)擴(kuò)散工藝研究中特別重要。

點缺陷

線缺陷：半導(dǎo)體器件應(yīng)盡量避免線缺陷，因為金屬雜質(zhì)容易在線缺陷處沉淀，從而降低器件性能。

線缺陷

面缺陷：存在面缺陷的的晶體不能用于制造集成電路，只能廢棄。

面缺陷

材料特性對比：

硅材料的特性和制造ULSI（超大規(guī)模集成電路）對晶圓的要求的對比：

特性測量方法：

電阻率可用四探針法測量。

對于少量雜質(zhì)，如硅中的氧和碳雜質(zhì)，可用二次離子質(zhì)譜分析法測定。

審核編輯：黃飛

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