半導體工藝晶圓片的制備過程

本文講述晶圓片的制備過程。 ? ?

從砂子變成可以在上面雕刻線路的硅片，需要一個復雜而漫長的工藝過程。本文主要講述以下過程：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節。主要內容是工藝介紹、工藝目標，和設備構造。 ? 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8吋，12吋硅片的應用在不斷擴大。這些直徑分別為100mm、150mm、200mm、300mm。硅片直徑的增大可降低單個芯片的制造成本。 ?

? 但是，伴隨著硅片直徑的增大，對晶圓表面局部平整度、表面附著的微量雜質、內部缺陷、氧含量等關鍵參數的要求也在不斷提高，這就對晶圓的制造技術提出了更高的要求。 ? 晶圓制備設備是指將純凈的多晶硅材料制成一定直徑和長度的硅單晶棒材料，然后將硅單晶棒材料通過一系列的機械加工、化學處理等工序，制成滿足一定幾何精度要求和表面質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備。 ? 對于直徑為200mm以下的硅片制備的典型工藝流程為： ? 單晶生長→截斷→外徑滾磨→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 ? 硅是一種半導體材料，因為它有4個價電子，與其他元素一起位于元素周期表中的IVA族。 ? 硅中價層電子的數目使它正好位于優質導體（1個價電子）和絕緣體（8個價電子）的中間。 ? 硅被選為主要的半導體材料主要有以下4個理由： ?

存量大：硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%。 ?

高熔點允許更寬的工藝容限：硅1412℃的熔點遠高于鍺材料937℃的熔點，更高的熔點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：SiO2是一種高質量、穩定的電絕緣材料，而且能充當優質的化學阻擋層以保護硅不受外部污染。電學上的穩定對于避免集成電路中相鄰導體之間漏電是很重要的。生長穩定的薄層SiO2材料的能力是制造高性能金屬—氧化物半導體（MOS-FET）器件的根本。SiO2具有與硅類似的機械特性，允許高溫工藝而不會產生過度的硅片翹曲。 ? ?

二、硅的純化： ? 自然界中找不到純硅，必須通過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，才有可能用來制造芯片。 ? 硅的提純主要有以下兩個步驟 ? 冶金級純化：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。 ? 電子級純化：采用西門子制程（Siemens Process）將冶金級硅（Metallurgical Grade Silicon,MG）進一步提純，獲得更高純度多晶硅。半導體級硅（Semiconductor Grade Silicon）：99.99999%以上純度（7N~11N），相當于5000噸多晶硅總雜質含量僅一枚1元硬幣重量。其中，太陽能級多晶硅（Multi Grade）純度為99.99999%~99.999999%(7N~8N)。太陽能級單晶硅（Mono Grade）純度為9N~10N。電子級多晶硅（Electronic Grade，EG）純度為10N~11N。多晶硅純度取決于反應物三氯硅烷（SiHCl3, TCS）蒸餾程度及多晶硅塊表面雜質是否被蝕刻掉。 ? 化學反應方程式為： ? 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）和區熔法(FZ)。目前，大部分半導體硅片采用直拉法生產。金屬單晶的直拉CZ 法 (Czochralski )，由切克勞爾斯基于1916年發明。單晶硅直拉法包含了熔料、熔接、引細頸、放肩、轉肩、等徑生長和收尾步驟，整個過程如下。? ?

? 將多晶硅和摻雜劑放入石英坩堝中，通過外圍環繞的石墨加熱器，將溫度升高至1420℃以上，獲得熔融狀態的多晶硅。 ? 待熔融多晶硅溫度穩定一段時間后，將籽晶（直徑約0.5 cm,長約10 cm）降下至液面3~5 mm 預熱，再插入熔晶表面進行熔接。 ? 轉動籽晶并緩慢向上提升，將石英坩堝反轉，采用Dash技術（無位錯單晶生長）引細縮頸消除位錯。因為當籽晶插入熔晶時，受籽晶與熔晶的溫度差所造成的熱應力和表面張力作用會產生位錯。 ? 當細頸生長至足夠長度，則通過降低拉速進行放肩。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。 ? 當晶體生長從直徑放大到等徑生長階段，需進行轉肩。目前，采用提高拉速的快轉肩工藝。 ? 轉肩完成后，調整拉速和溫度，控制晶體等徑生長和維持無位錯生長狀態。 ? 晶體等徑生長完成后，必須將晶體直徑緩慢縮小，直至接近一尖點才與熔晶液面分離。如果晶體立馬脫離熔液，熱應力將產生位錯排和滑移線，收尾的作用是防止位錯反延。 ?

(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體級硅液體變為有正確晶向并且被摻雜成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出來的。 ?

? 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）保護環境下，通過加熱熔化成液態，然后再結晶，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狀態下再結晶成單晶硅材料的物理過程。直拉單晶爐可分為四大部分：爐體、機械傳動系統、加熱溫控系統，以及氣體傳送系統。 ? 爐體包括爐腔、籽晶軸、石英坩堝、摻雜勺、籽晶罩、觀察窗幾個部分。 ? 爐腔是為了保證爐內溫度均勻分布并且能夠很好地散熱；籽晶軸的作用是帶動籽晶上下移動和旋轉；摻雜勺內放有需要摻入的雜質； ? 籽晶罩是為了保護籽晶不受污染。機械傳動系統主要是控制籽晶和坩堝的運動。 ? 為了保證硅溶液不被氧化，對爐內的真空度要求很高，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生長硅錠，生長的硅錠就像是籽晶的復制品。 ? 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制籽晶結構，并最后生長成一個大的單晶硅錠。 ?

(2) 區熔法與區熔單晶爐

區熔法（Float Zone，FZ），它所生產的單晶硅錠的含氧量非常少。區熔法是20世紀50年代發展起來的，并且能生產出目前為止最純的單晶硅。 ? 區熔單晶爐是指利用區熔法原理，在高真空或稀石英管有氣體保護的環境下，通過多晶棒爐體一個高溫的狹窄封閉區，使多晶棒局部產生一個狹窄的熔化區， ?

? 移動多晶棒或爐體加熱體，使熔化區移動而逐步結晶成單晶棒的工藝設備。 ? 區熔法制備單晶棒的特點在于可以使多晶棒在結晶成單晶棒的過程中提升純度，棒料摻雜生長比較均勻。 ? 區熔單晶爐的類型可分為依靠表面張力的懸浮區熔單晶爐和水平區熔單晶爐兩種。在實際應用中，區熔單晶爐一般采用浮區熔煉形式。 ? 區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）單晶硅和區熔硅的提純，這些產品主要用于分立功率器件的制造。 ?

? 區熔單晶爐由爐室、上軸與下軸（機械傳動部分）、晶棒夾頭、籽晶夾頭、加熱線圈（高頻發生器）、氣口（抽真空口、進氣口、上出氣口）等組成。 ? 在爐室結構中，內設有冷卻水循環。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，從多晶棒下端開始，使多晶棒形成一個狹窄的熔區同時通過上軸與下軸的旋轉和下降，使熔區結晶成單晶。 ? 區熔單晶爐的優點是不僅可以提升制備單晶的純度，棒料摻雜生長比較均勻，而且可對單晶棒料進行多次工藝提純。 ? 區熔單晶爐的缺點是工藝成本較高，制備的單晶直徑較小，目前能制備的單晶直徑最大為200mm。 ? 區熔單晶爐設備的總高度較高，上軸與下軸的行程較長，可生長出較長的單晶棒料。 ? 在制造多晶硅和直拉單晶硅的過程中，單晶硅中含有氧，在一定的溫度下，單晶硅中的氧會貢獻出電子，從而氧就會轉化為電子施主，這些電子會與硅片中的雜質結合，影響硅片的電阻率。 ? 退火爐的功效：是指在氫氣或氬氣環境下，將爐內溫度升到1000～1200℃，通過保溫、降溫，將拋光硅片表面附近的氧從其表面揮發脫除，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數量，減少缺陷，在硅片表層形成相對潔凈區域的工藝設備。 ? 因退火爐的爐管溫度較高，所以也稱之為高溫爐。行業內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別是反應室的布局方向不同。 ? 水平式退火爐的反應室呈水平結構布局，可以將一批硅片同時裝入退火爐反應室內進行退火處理。通常退火時間為20～30min，但反應室需要較長的加熱時間才能達到退火工藝要求的溫度。 ?

? 立式退火爐的工藝過程也是采用一批硅片同時裝入退火爐反應室內進行退火處理的方式，其反應室為垂直結構布局，可使硅片以水平狀態放置在石英舟中。 ? 同時由于石英舟在反應室內可以整體轉動，使得反應室的退火溫度均勻，硅片上的溫度分布均勻，具備優良的退火均勻性特點，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硅片進行加熱，可以實現1～250℃/s大范圍的快速升溫或降溫，比傳統退火爐升溫或降溫速率要快，反應室溫度加熱到1100℃以上僅需數秒的時間。 ?

? 五、硅錠切片 ? 將硅錠的頭尾部切除，并對尺寸進行檢測（確定后續加工的工藝參數）。 ? 單晶硅錠生長過程中，外徑尺寸和圓度存在偏差，且外圓柱面也凹凸不平，需對硅錠的外徑進行修整與研磨，使其尺寸和形狀符合規范。另外，硅錠側面會切割出一個平角或圓形小口（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作用是定位及標明晶向。如12吋晶圓規格要求Notch 方向為晶向 <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，提高生產效率，實現智能控制，自動進行切割。 ? 因為硅硬度非常大（莫氏硬度為7），需采用環狀、其內徑邊緣嵌有鉆石顆粒的薄鋸片進行切割。或者用鋼線進行線切。 ?

? 目前更常用的方法是多線切割，效率更高，切割質量更好 ?

? 多線切割是一種通過金屬絲的高速往復運動，把磨料帶入半導體加工區域進行研磨，將半導體等硬脆材料一次同時切割為數百片薄片的一種新型切割加工方法。數控多線切割機已逐漸取代了傳統的內圓切割，成為硅片切割加工的主要方式。硅片多線切割技術原理是通過一根高速運動的鋼線帶動附著在鋼絲上的切割刃料對硅棒進行摩擦，從而達到切割效果。在整個過程中，鋼線通過十幾個導線輪的引導，在主線輥上形成一張線網，而待加工工件通過工作臺的下降實現工件的進給。硅片多線切割技術與其他技術相比有：效率高，產能高，精度高等優點。是采用最廣泛的硅片切割技術。 ?

? 六、?圓邊和磨面 ? 晶錠切割成晶圓會形成銳利邊緣，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度、破壞晶圓表面光潔及對后工序帶來污染顆粒，需修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。 ? 通過研磨工序去掉切割時在晶片表面產生的鋸痕和破損，使晶圓表面達到規格要求的光潔度。 ?

? 七、蝕刻 ? 通過化學溶液蝕刻掉晶圓表面因加工壓力而產生的損傷層。 ? 八、拋光 ? 晶圓拋光采用超細漿料（顆粒直徑10~100 nm ，由Al2O3、SiO2或CeO2組成），結合壓力、侵蝕、機械和化學方法，對兩個旋轉墊片之間的晶圓表面進行拋光處理，獲得極佳的表面平整度。 ? 拋光工藝(以下簡稱拋光法)根據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.機械拋光法 ? 機械拋光法的原理與磨片工藝相同,但所用到的磨料會更加細?經機械拋光法拋光的硅片一般表面平坦度都相對較高,但是機械作用帶來的損傷較為嚴重,損傷層較深(相當于顆粒的幾倍)?若采用極細的磨料，則會致使拋光的速度變得很慢,目前在工業上機械拋光法一般已經不再被采用了? ? 2.化學拋光法 ? 硅片的化學拋光常用HN03-HF(硝酸,氫氟酸)腐蝕液進行?經過化學拋光的硅片表面可以做到幾乎沒有損傷,拋光的速度也相對較高,但平坦度較差,因此在工業生產中化學拋光通常只作為拋光前的預處理,而不單獨作為拋光工藝使用? ? 3.化學機械拋光法(CMP) ? 前兩種拋光法都有自己獨特的優點,若將這兩種方法結合起來,則可在工藝上達到優缺互補的效果?化學機械拋光法利用拋光液對硅片表面的機械研磨和化學腐蝕的雙重作用,兼有機械拋光和化學拋光兩種拋光方法的優點?CMP是業界發展起來的制造大直徑晶圓的技術之一,是現代半導體制造工業中應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),而不使用硬度過高的材料? ?