半導體 | 晶體生長和晶圓制備

2024-05-31 09:38:51 166閱讀次數

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晶體生長和晶圓制備是半導體制造中的基礎環節。晶體生長通常采用直拉法、液體掩蓋直拉法和區熔法，生長出具有特定晶向和高純度的單晶硅。隨后，這些單晶硅被切割成晶圓，晶圓經過精密的拋光和化學處理，形成表面平整、無缺陷的硅片，這些硅片是制造集成電路和各種半導體器件的基礎材料。晶圓的質量直接影響到最終產品的性能和可靠性，因此，晶體生長和晶圓制備的每一個細節都至關重要。

半導體硅制備

半導體器件和電路在半導體材料晶圓的表層形成，半導體材料通常是硅。這些晶圓的雜質含量必須非常低，摻雜到指定的電阻率水平，必須是特定的晶體結構，要呈光學平面狀態，并達到指定的電氣性能和對應的相應規格要求。

制造集成電路級硅晶圓分4個階段進行：

礦石到高純度氣體的轉變;
氣體到多晶的轉變;
多晶到單晶、摻雜晶棒的轉變;
晶棒到晶圓的制備。

晶體生長

半導體晶圓是從大塊的半導體材料切割而來的。這種半導體材料，或稱為硅錠，是從大塊的具有多晶結構和未摻雜本征材料生長得來的。把多晶轉變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，叫做晶體生長。使用三種不同的方法來生長單晶：直拉法、液體掩蓋直拉法和區熔法。

1. 直拉法(Czochralski)

直拉法(Czochralski)是制備半導體單晶最常用的技術。其大概流程為：將經過提純后的原料置于坩堝中，而坩堝則置于適當的熱場中。在加熱過程中，原料在坩堝中逐漸熔化。此后，提拉預先放置的籽晶，并以一定的速度旋轉，進而生長出符合條件的單晶。具體過程如下圖所示：

總的來說，這種工藝的優點包括：

(1) 可以較快速度獲得大直徑的單晶；

(2) 可采用“回熔”和“縮頸”工藝來控制成本和效率；

(3) 可觀察到晶體的生長情況，進而有效地控制晶體的生長。

而其缺點主要為：該工藝采用坩堝作為容器，在晶體生長過程中，高溫可能導致坩堝中的原子擴散至熔體中，進而導致不同程度的污染。

2. 液體掩蓋提拉法(LEC)

該方法中會使用透明、惰性的液體層(一般是B₂O₃)浮于熔體表面進而起到密封作用。這一液體層的存在保證使用熔體生長技術可以生長具有較高蒸汽壓的材料，此外，液體層還能阻止熔體與坩堝和保護氣等發生反應。不過，B₂O₃存在被污染的風險，而且其在溫度低于1000℃時太過粘稠，會影響熔體的流動。

3. 區熔法(Floating zone)

主要采用感應線圈加熱，熔區自下而上移動或晶體向下移動，逐漸完成整個結晶過程。

這種工藝的優點在于：

(1) 特別適宜那些在熔點溫度時具有非常強的溶解能力（或反應活性）的材料；

(2)可生長熔點極高的材料，如高熔點的氧化物單晶、碳化物單晶以及難熔金屬單晶等。

但這種工藝也存在熔體混合不良、晶體徑向均勻性差以及對設備要求較嚴格等缺點。

半導體器件需要高度完美的晶體。但是即使使用了最成熟的技術，完美的晶體還是得不到的，不完美，就稱為晶體缺陷，會產生不均勻的二氧化硅膜生長、差的外延膜沉積、晶圓里不均勻的摻雜層，以及其他問題而導致工藝問題。在完成的器件中，晶體缺陷會引起有害的電流漏出，可能阻止器件在正常電壓下工作。有四類重要的晶體缺陷：

1）點缺陷

①脫位原子一般進入其他空位或者逐漸遷移至晶界或表面，這樣的空位通常稱為肖脫基空位或肖脫基缺陷。

②晶體中的原子有可能擠入結點的間隙，則形成另一種類型的點缺陷——間隙原子，同時原來的結點位置也空缺了，產生另一個空位，通常把這一對點缺陷（空位和間隙原子）稱為弗蘭克爾缺陷。

③離子晶體中點缺陷要求保持局部電中性，常見的兩種點缺陷：

肖脫基缺陷：等量的正離子空位和負離子空位。

弗蘭克爾缺陷：等量的間隙原子、空位。

④點缺陷源于原子的熱振動，故其平衡濃度隨著溫度升高指數增加。

點缺陷數量明顯超過平衡值時叫過飽和點缺陷，產生原因為淬火、輻照、冷塑性變形。

2）位錯

位錯是在單晶里一組晶胞排錯位置。這可以想象成在一堆整齊排列的方糖中有一塊方糖排列和其他方糖的排列發生了微小的偏差。位錯在晶圓里的發生，是由于晶體生長條件和晶體內的晶格應力，也可能是由于制造過程中的物理損壞。碎片或崩邊成為晶格應力的交點會產生一條位錯線，隨著后面的高溫工藝擴展到晶圓內部。位錯能通過表面的一種特殊腐蝕顯示出來。

3）原生缺陷

在晶體生長中,一定的條件會導致結構缺陷。有一種叫滑移(slip)，是沿著晶體平面產生的晶體滑移。另一個問題是孿晶(twinning)，這是一個從同一界面生長出兩種不同方向晶體的情形。這兩種缺陷都是晶體報廢的主要原因。

4）雜質

除了來自材料和處理中的有害雜質外，CZ過程本身增加了兩種晶體雜質。一是來自石英坩堝的氧氣。二是來自熱溫區域石墨中的碳。氧是在得到的晶片和電路的電活性。碳可以促進氧沉淀。

晶圓制備

晶體從單晶爐里出來以后，到最終的晶圓會經歷一系列的步驟。

第一步是用鋸子截掉頭尾，在晶體生長過程中，整個晶體長度中直徑是有偏差的。晶圓制造過程有各種各樣的晶圓固定器和自動設備，需要嚴格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。

第二步：直徑滾磨，是在一個無中心的滾磨機上進行的機械操作。機器滾磨晶體到合適的直徑，無須用一個固定的中心點夾持晶體在車床型的滾磨機上操作。在晶體提交到下一步晶體準備前，必須要確定晶體是否達到定向和電阻率的規格要求。

第三步：切片，用有金剛石涂層的內圓刀片把晶圓從晶體上切下來。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。圓孔的內緣是切割邊緣，用金剛石涂層。內圓刀片有硬度，但不用非常厚這些因素可減少刀口尺寸，也就減少了一定數量的晶體被切割工藝所浪費。對于較大直徑的晶圓(大于300mm)，使用線切割來保證小錐度的平整表面和最小量的刀口損失。

第四步：晶圓刻號，就像我們生產好的高鐵軌道一樣，每一段上都要刻好工號，以對應相應的生產人，這樣來保證產品的可追溯性。同樣的，大面積的晶圓在晶圓制造工藝中有很高的價值，為了保持精確的可追溯性，區別它們和防止誤操作是必須的。因而使用條形碼和數字矩陣碼的激光刻號來區分它們。對300mm的晶圓，使用激光點是一致認同的方法。

第五步：磨片，半導體晶圓的表面要規則，且沒有切割損傷，并要完全平整。第一個要求來自于很小的尺度制造器件的表面和次表面層。它們的尺寸在0.5~2um之間。平整度是小尺寸圖案絕對必要的條件。先進的光刻工藝把所需的圖案投影到晶圓表面，如果表面不平，投影將會扭曲，就像電影圖像在不平的熒幕上無法聚焦一樣。

平整和拋光的工藝分兩步：磨片和化學機械拋光。磨片是一個傳統的磨料研磨工藝，精調到半導體使用的要求。磨片的主要目的是去除切片工藝殘留的表面損傷。

化學機械拋光

最終的拋光步驟是一個化學腐蝕和機械摩擦的結合,被稱為化學機械拋光(CMP)。晶圓裝在旋轉的拋光頭上，下降到拋光墊的表面以相反的方向旋轉。拋光墊材料通常是有填充物的聚亞安酯鑄件切片或聚氨酯涂層的無紡布。二氧化硅拋光液懸浮在適度含氫氧化鉀或氨水的腐蝕液中，滴到拋光墊上。

堿性拋光液在晶圓表面生成一薄層二氧化硅。拋光墊以持續的機械摩擦作用去除氧化物晶圓表面的高點被去除掉，直到獲得特別平整的表面。如果一個半導體晶圓的表面擴大到10000英尺(3048m--飛機場跑道的長度)，在總長度中將會有正負2英寸的平整度偏差。獲得極好平整度需要規定和控制拋光時間、晶圓和拋光墊上的壓力、旋轉速度、拋光液顆粒尺寸、拋光液流速、拋光液的pH值、拋光墊材料和條件。

化學機械拋光是制造大直徑晶圓的技術之一。在晶圓制造工藝中，新層的建立會產生不平的表面，使用CMP以平整晶體表面。

在包裝之前，需要根據用戶指定的一些參數對晶圓(或樣品)進行檢查。主要的考慮因素是表面問題，如顆粒、污染和霧。這些問題能夠用強光或自動檢查設備來檢測出。