半导体工艺与设备-2 晶圆制备与加工

晶圆是集成电路、半导体分立器件和功率器件生产的主要原材料。90%以上的集成电路都是在高纯度、优质的晶圆上进行制作的。

晶圆制备设备是指将纯净的多晶硅材料制成一定直径和长度的硅单晶棒材料，然后将硅单晶棒材料通过一系列的机械加工、化学处理等工序，

制成满足一定几何精度要求和表面质量要求的硅片或外延硅片，为芯片制造提供所需硅衬底的设备。

对于直径为200mm以下的硅片制备的典型工艺流程为：

单晶生长→截断→外径滚磨→切片→倒角→研磨→刻蚀→吸杂→抛光→清洗→外延→包装等。

对于直径300mm的硅片制备的主要工艺流程为：

单晶生长→截断→外径滚磨→切片→倒角→表面磨削→刻蚀→边缘抛光→双面抛光→单面抛光→最终清洗→外延/退火→包装等。

一 硅材料

硅是一种半导体材料，因为它有4个价电子，与其他元素一起位于元素周期表中的IVA族。

硅中价层电子的数目使它正好位于优质导体（1个价电子）和绝缘体（8个价电子）的中间。

自然界中找不到纯硅，必须通过提炼和提纯使硅成为制造需要的纯硅。它通常存在于硅土（氧化硅或SiO2）和其他硅酸盐中。

其他形式的SiO2有玻璃、无色水晶、石英、玛瑙和猫眼石等。

20世纪40年代和50年代早期，第一个用作半导体材料的是锗，但是它很快就被硅取代了。

硅被选为主要的半导体材料主要有以下4个理由：

• 硅材料的丰裕度：硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%。

• 硅材料更高的熔点允许更宽的工艺容限：硅1412℃的熔点远高于锗材料937℃的熔点，更高的熔点使得硅可以承受高温工艺。

• 硅材料更宽的工作温度范围；

• 氧化硅（SiO2）的自然生长：SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部污染。电学上的稳定对于避免集成电路中相邻导体之间漏电是很重要的。生长稳定的薄层SiO2材料的能力是制造高性能金属—氧化物半导体（MOS-FET）器件的根本。SiO2具有与硅类似的机械特性，允许高温工艺而不会产生过度的硅片翘曲。

 

二 晶圆制备

半导体晶圆是从大块半导体材料上切割而来的。这种半导体材料称为晶棒，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料上生长得来的。

把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的晶向和适量的N型或P型掺杂，称为晶体生长。

现在生产用于硅片制备的单晶硅锭的最普遍的技术是直拉法和区熔法。

2.1 直拉法与直拉单晶炉

直拉法又称Czochralski（CZ）法，指的是把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成N型或P型的固体单晶硅硅锭。

目前85%以上的单晶硅是采用直拉法生长出来的。

直拉单晶炉是指将高纯度的多晶硅材料在封闭的高真空或稀有气体（或惰性气体）保护环境下，通过加热熔化成液态，然后再结晶，形成具有一定外形尺寸的单晶硅材料的工艺装备。

单晶炉的工作原理是多晶硅材料在液态状态下再结晶成单晶硅材料的物理过程。

直拉单晶炉可分为四大部分：炉体、机械传动系统、加热温控系统，以及气体传送系统。

炉体包括炉腔、籽晶轴、石英坩埚、掺杂勺、籽晶罩、观察窗几个部分。

炉腔是为了保证炉内温度均匀分布并且能够很好地散热；籽晶轴的作用是带动籽晶上下移动和旋转；掺杂勺内放有需要掺入的杂质；

籽晶罩是为了保护籽晶不受污染。机械传动系统主要是控制籽晶和坩埚的运动。

为了保证硅溶液不被氧化，对炉内的真空度要求很高，一般在5Torr以下，加入的惰性气体纯度需在99.9999%以上。

 一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的硅锭就像是籽晶的复制品。

在熔化了的硅液和单晶硅籽晶的接触面的条件需要精确控制。这些条件保证薄层硅能够精确地复制籽晶结构，并最后生长成一个大的单晶硅锭。

2.2 区熔法与区熔单晶炉

区熔法（Float Zone，FZ），它所生产的单晶硅锭的含氧量非常少。区熔法是20世纪50年代发展起来的，并且能生产出目前为止最纯的单晶硅。

区熔单晶炉是指利用区熔法原理，在高真空或稀石英管有气体保护的环境下，通过多晶棒炉体一个高温的狭窄封闭区，使多晶棒局部产生一个狭窄的熔化区，

移动多晶棒或炉体加热体，使熔化区移动而逐步结晶成单晶棒的工艺设备。

区熔法制备单晶棒的特点在于可以使多晶棒在结晶成单晶棒的过程中提升纯度，棒料掺杂生长比较均匀。

区熔单晶炉的类型可分为依靠表面张力的悬浮区熔单晶炉和水平区熔单晶炉两种。在实际应用中，区熔单晶炉一般采用是浮区熔炼形式。

区熔单晶炉可制备高纯度的低氧单晶硅，不需要坩埚，主要用于制备高电阻率（＞20kΩ·cm）单晶硅和区熔硅的提纯，这些产品主要用于分立功率器件的制造。

区熔单晶炉由炉室、上轴与下轴（机械传动部分）、晶棒夹头、籽晶夹头、加热线圈（高频发生器）、气口（抽真空口、进气口、上出气口）等组成。

在炉室结构中，内设有冷却水循环。单晶炉上轴的下端为晶棒夹头，用于夹持一根多晶棒；下轴的顶端为籽晶夹头，用于夹持籽晶。

加热线圈通入高频电源，从多晶棒下端开始，使多晶棒形成一个狭窄的熔区同时通过上轴与下轴的旋转和下降，使熔区结晶成单晶。

区熔单晶炉的优点是不仅可以提升制备单晶的纯度，棒料掺杂生长比较均匀，而且可对单晶棒料进行多次工艺提纯。

区熔单晶炉的缺点是工艺成本较高，制备的单晶直径较小，目前能制备的单晶直径最大为200mm。

区熔单晶炉设备的总高度较高，上轴与下轴的行程较长，可生长出较长的单晶棒料。

 

三 晶圆加工及设备

晶棒还需要经过一系列加工，才能形成符合半导体制造要求的硅衬底，即晶圆。加工的基本流程为：

滚磨、切断、切片、硅片退火、倒角、研磨、抛光，及清洗与包装等。

3.1 硅片退火

在制造多晶硅和直拉单晶硅的过程中，单晶硅中含有氧，在一定的温度下，单晶硅中的氧会贡献出电子，从而氧就会转化为氧施主，这些电子会与硅片中的杂质结合，影响硅片的电阻率。

退火炉：是指在氢气或氩气环境下，将炉内温度升到1000～1200℃，通过保温、降温，将抛光硅片表面附近的氧从其表面挥发脱除，使氧沉淀分层，

溶解掉硅片表面的微缺陷，减少硅片表面附近的杂质数量，减少缺陷，在硅片表层形成相对洁净区域的工艺设备。

因退火炉的炉管温度较高，所以也称之为高温炉。行业内也将硅片退火工艺称为吸杂。

硅片退火炉分为：

• 水平式退火炉；
• 立式退火炉；
• 快速退火炉。

水平式退火炉与立式退火炉的主要区别是反应室的布局方向不同。

水平式退火炉的反应室呈水平结构布局，可以将一批硅片同时装入退火炉反应室内进行退火处理。通常退火时间为20～30min，但反应室需要较长的加热时间才能达到退火工艺要求的温度。

立式退火炉的工艺过程也是采用一批硅片同时装入退火炉反应室内进行退火处理的方式，其反应室为垂直结构布局，可使硅片以水平状态放置在石英舟中。

同时由于石英舟在反应室内可以整体转动，使得反应室的退火温度均匀，硅片上的温度分布均匀，具备优良的退火均匀性特点，但立式退火炉的工艺成本比水平式退火炉的工艺成本要高。

快速退火炉采用卤钨灯直接对硅片进行加热，可以实现1～250℃/s大范围的快速升温或降温，比传统退火炉升温或降温速率要快，反应室温度加热到1100℃以上仅需数秒的时间。