來源：功率半導(dǎo)體那些事兒 作者: Disciples

導(dǎo)語：目前，高密度和大尺寸芯片需要大直徑的晶圓，同時(shí)更大直徑晶圓能夠不斷降低芯片成本，更大直徑的晶圓對于整個(gè)整備過程和晶體結(jié)構(gòu)、電性能一致性等提出了更高的要求。今天我們來聊聊從自然界的沙石到變成半導(dǎo)體級別的硅，再轉(zhuǎn)變?yōu)榫w和晶圓。

01晶體材料

半導(dǎo)體材料硅的制備

半導(dǎo)體器件或者電路實(shí)在半導(dǎo)體材料晶圓表層形成的，用量最廣的還是半導(dǎo)體硅，這些晶圓的雜質(zhì)含量必須很低，必須是指定的晶體結(jié)構(gòu)，必須是光學(xué)表面，并達(dá)到指定的電氣性能和對應(yīng)的相應(yīng)規(guī)格要求。 我們都知道Si在自然界中大量的存在，半導(dǎo)體制造的第一階段便是從沙石中選取和提純半導(dǎo)體材料的原料。將沙石轉(zhuǎn)化為硅化物，如四氯化硅或者三氯硅烷，再與氫反應(yīng)形成半導(dǎo)體級的硅原料，這一便達(dá)到純度高達(dá)99.9999999%的硅，它是一種我們稱為多晶或者多晶硅（polysilicon）的晶體結(jié)構(gòu)。

氫氣還原三氯硅烷反應(yīng)方程式晶體和非晶體

材料中原子的組織結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致材料不同的一種方式，有些材料，例如硅和鍺，原子在整個(gè)材料里重復(fù)排列或者非常固定的結(jié)構(gòu)，我們將此類材料稱為晶體（crystal）。原子沒有固定周期性排列的材料稱之為非晶體或者無定形（amorphous），塑料局勢無定型材料。 對于晶體材料實(shí)際上可能有兩個(gè)級別的原子組織結(jié)構(gòu)，第一個(gè)是單個(gè)原子的組織結(jié)構(gòu)，晶體里的原子排列為晶胞（unit cell）結(jié)構(gòu)，晶胞結(jié)構(gòu)在晶體里到處重復(fù)。另一個(gè)涉及晶胞結(jié)構(gòu)的術(shù)語是晶格（lattice），晶體材料具有特定的晶格結(jié)構(gòu)，并且原子位于晶格結(jié)構(gòu)的特定點(diǎn)。在晶胞里原子數(shù)量、相對位置和原子間的結(jié)合能可以帶來材料的許多特性，每個(gè)晶體材料具有獨(dú)一無二的晶胞。 硅晶胞具有16個(gè)原子排列成金剛石結(jié)構(gòu)：

砷化鎵晶體具有18個(gè)原子的閃鋅礦結(jié)構(gòu)：

多晶和單晶

在本征半導(dǎo)體中，晶胞間不是規(guī)則排列的，好似方塊雜亂無章地堆起來一樣，每個(gè)方塊代表一個(gè)晶胞，我們稱之為多晶結(jié)構(gòu)；當(dāng)晶胞整潔而有規(guī)則地排列時(shí)，我們稱其具有單晶結(jié)構(gòu)。

單晶結(jié)構(gòu)的材料相對于多晶結(jié)構(gòu)來說具有更一致和更可預(yù)測的性質(zhì)，單晶結(jié)構(gòu)允許在半導(dǎo)體里一致和可預(yù)測性的電子流動(dòng)，所以單晶結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體器件所需的。

晶體定向

對于一個(gè)晶圓，除了要單晶結(jié)構(gòu)，還需要有特定的晶向（crystal orientation）。在垂直平面或者角對角切割可以得到不同的平面，不同的原子數(shù)以及不同的原子間結(jié)合能，每個(gè)平面具有不同的化學(xué)、電學(xué)和物理特性。晶面一般通過一系列稱為密勒指數(shù)的三個(gè)數(shù)字組合來表示，在硅晶圓中常使用的晶向《100》和《111》：

一般《100》晶向的晶圓被用來制造MOS器件，而《111》晶向的晶圓被用來制造雙極型器件。

02晶體生長

半導(dǎo)體晶圓是從晶棒上切割得來，而晶棒是從大塊具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜的本征半導(dǎo)體生長得來。設(shè)定正確的定向和適量的N型或者P型摻雜，將多晶塊轉(zhuǎn)變成一個(gè)大單晶的過程我們稱之為晶體生長。

晶體生長的方法大致有：直拉法和區(qū)熔法。

直拉法（CZ） 設(shè)備主體為一個(gè)石英坩堝，由帶射頻波的線圈環(huán)繞來加熱，或者由電流加熱器加熱。首先將多晶和摻雜物加熱到液態(tài)，接著將籽晶安置到剛接觸到液面，籽晶是具有和所需晶體相同晶向的小晶體，可由化學(xué)氣相的技術(shù)制造，實(shí)際應(yīng)用中可拿之前生長的單晶重復(fù)使用。

當(dāng)籽晶從熔融物中慢慢上升時(shí)，晶體生長開始了，籽晶和熔融物間的表面張力致使一層熔融物的薄膜附著到籽晶上然后冷卻。在冷卻過程中，在熔化的半導(dǎo)體材料的原子定向到籽晶一樣的晶體結(jié)構(gòu)，籽晶的定向在生長的晶體中傳播。在熔融物中的摻雜原子進(jìn)入生長的晶體中，生成N型或者P型晶體。 為了實(shí)現(xiàn)均勻摻雜、完美晶體和直徑控制，籽晶和坩堝在整個(gè)晶體生長過程中以相反的方向旋轉(zhuǎn)，工藝控制需要一套復(fù)雜的反饋系統(tǒng)，綜合轉(zhuǎn)速、拉速及熔融物溫度參數(shù)。 拉晶分為三個(gè)階段，開始形成一薄層頭部、接著等徑生長、最后收尾，直拉法能夠生長出幾英尺長和直徑達(dá)到12英寸或者更大的晶棒。 液體掩蓋直拉法（LEC）：其和上述的直拉法一樣，只不過其是用來生長砷化鎵晶體。由于熔融物中的砷具有揮發(fā)性，在晶體生長過程中揮發(fā)出的砷會(huì)造成不均勻的晶體。有兩種解決辦法，一個(gè)是給單晶爐加壓來抑制砷的揮發(fā)，另一個(gè)就是在熔融物表面加上一層氧化硼（B2O3）來抑制砷的揮發(fā)。

區(qū)熔法

區(qū)熔法晶體生長是早期發(fā)展起來的幾種工藝之一，仍在一些特殊需求中使用。直拉法的一個(gè)缺點(diǎn)是坩堝中的氧進(jìn)入到晶體中，對于有些器件高濃度的氧是不能接受的，此時(shí)可以用區(qū)熔法來獲得低的氧含量。

區(qū)熔法晶體生長需要一根多晶棒和澆鑄在模具中的摻雜物。籽晶融合到棒的一端，夾持器裝在單晶爐中，當(dāng)高頻線圈加熱多晶棒和籽晶的界面時(shí)，多晶到單晶的轉(zhuǎn)變開始了。線圈沿著多晶棒的軸移動(dòng)，將多晶棒加熱到液相，在每一個(gè)熔融區(qū)，原子排列成末端籽晶的方向，這樣整個(gè)棒以開始籽晶的定向轉(zhuǎn)變成一個(gè)單晶。

03晶體缺陷

晶體是不完美的，我們一般稱之為晶體缺陷，在半導(dǎo)體器件中，晶體缺陷會(huì)引起有害的漏電流，可能會(huì)阻止器件的正常工作。晶體缺陷大致分為點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)和原生缺陷。

點(diǎn)缺陷

來源有兩類，一類來源是由晶體中雜質(zhì)原子擠壓晶體結(jié)構(gòu)引起應(yīng)力所致；一類來源于空位，在這種情況下，有某個(gè)原子在晶體結(jié)構(gòu)的位置上缺失了。 位錯(cuò) 位錯(cuò)是在單晶中一組晶胞排錯(cuò)位置；位錯(cuò)在晶圓中發(fā)生是由于晶體生長條件和晶體內(nèi)的晶格應(yīng)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(yīng)力的交點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一條位錯(cuò)線，隨著后面的高溫工藝擴(kuò)展到晶圓內(nèi)部。位錯(cuò)可以通過一種特殊腐蝕手段顯示出來，典型的晶圓具有200~1000的位錯(cuò)密度。

原生缺陷

在晶體生長中，一定的條件會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷，有一種缺陷叫滑移，即沿著晶體平面產(chǎn)生的晶體滑移；另一種叫孿晶，即同一界面生長出兩種不同方向晶體的情形。這兩種缺陷都是造成晶體報(bào)廢的主要原因。 04晶圓處理 截?cái)?晶體從單晶爐里出來之后，第一步就是截掉頭尾。

直徑滾磨

在晶體生長過程中，整個(gè)晶體長度中是有偏差的，晶圓制造過程中有各種各樣的晶圓固定器和自動(dòng)設(shè)備，需要嚴(yán)格的直徑控制以減少晶圓翹曲和破碎。直徑滾磨是在一個(gè)無中心的滾磨機(jī)上進(jìn)行的機(jī)械操作。 晶體定向、電導(dǎo)率和電阻率檢查 要確保晶體是否達(dá)到定向和電阻率的規(guī)格要求。晶體定向是由X射線衍射或者平行光衍射來確定的，晶體的一端被腐蝕或拋光來去除損傷層，再將晶體安放到衍射儀上，X涉嫌或平行光反射晶體表面到成像板上，從而可以看到晶體的晶向。晶棒黏放在一個(gè)切割塊上來保證晶圓從晶體正確的晶向切割。 由于晶體是經(jīng)過摻雜的，一個(gè)重要的電學(xué)性能檢查是導(dǎo)電類型（N型或者P型），以保證使用了正確的摻雜物。而進(jìn)入晶體的摻雜物數(shù)量由電阻率測量來確定。

滾磨定向

一旦晶體在切割塊上定好晶向，就沿著軸滾磨出一個(gè)參考面，這個(gè)參考面將會(huì)在每個(gè)晶圓上出現(xiàn)，稱之為主參考面。對于更大直徑的晶圓，在晶體上磨出一個(gè)槽用來標(biāo)識晶圓的晶向，有些情況下在晶體上磨出一個(gè)簡單的凹槽來作為生產(chǎn)晶向的定位。

切片

用有金剛石涂層的內(nèi)圓刀片把晶圓從晶棒上切下來，這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。對于大直徑的晶圓使用線切割可以保證小錐度的平整表面和最少量的刀口損失。

磨片

半導(dǎo)體晶圓的表面要規(guī)則沒有切割損傷，并且要平整，平整度是小尺寸圖片絕對必須的條件，先進(jìn)的光刻工藝把所需的圖案投影到晶圓表面，如果表面不平整，將會(huì)發(fā)生扭曲。 為了保證晶圓的平整度，一般分為磨片和化學(xué)機(jī)械拋光，磨片的主要目的是為了去除切片工藝殘留的表面損傷?；瘜W(xué)機(jī)械拋光是以堿性拋光液在晶圓表面形成一層薄的二氧化硅，拋光墊以持續(xù)的機(jī)械摩擦來去除氧化物，這樣晶圓表面的高點(diǎn)被除掉，直到獲得特別平整的表面。

背面處理

在許多情況下，晶圓的正面經(jīng)過充分的化學(xué)機(jī)械拋光，而背面留下粗糙或者腐蝕到光亮的外觀。對于某些器件的使用，背面可能會(huì)收到特殊的處理而導(dǎo)致缺陷，我們稱之為背損傷，背損傷產(chǎn)生位錯(cuò)的生長輻射進(jìn)入晶圓，這些位錯(cuò)現(xiàn)象屬于陷阱，會(huì)俘獲制造工藝中引入的可移動(dòng)金屬離子污染，我們將俘獲的過程叫吸雜。一般背面處理技術(shù)有背面噴沙，背面多晶層或氮化硅的沉淀等。 邊緣倒角和拋光 邊緣倒角是使晶圓邊緣圓滑的機(jī)械工藝，應(yīng)用化學(xué)拋光進(jìn)一步加工邊緣，盡可能減少制造中的邊緣崩邊和損傷，邊緣崩邊和損傷會(huì)導(dǎo)致碎片或成為位錯(cuò)線的核心。 晶圓在包裝之前，還需要進(jìn)行最終的評估，然后進(jìn)行表層氧化防止運(yùn)輸過程中的損傷和污染，最后進(jìn)行包裝。 今天的內(nèi)容主要是了解晶體生長以及硅晶圓的制備，希望你們能夠喜歡~

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