晶圆制备

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

1²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。

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

<100>晶面液体掩盖直拉法

<111>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