晶圆工艺过程

漫谈晶圆---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，量水平必须非常低，必须掺杂到指定的电阻率水平, 平面，并达到许多机械及清洁度的规格要求。制造

半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含必须是指定的晶体结构，必须是光学的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。

料里重复排列成非常固定的结构，这种材料称为晶体（原子没有固定的周期性排列的材料称为非晶或无定形（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。有些材料，例如硅和锗，原子在整个材crystals）。

amorphous ）。塑料是无定形材料的

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一一硅晶圆片，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＜100＞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1415 °C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。籽晶和熔融物间的表面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