一文讀懂晶體生長(zhǎng)和晶圓制備

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晶圓是如何生長(zhǎng)的？又是如何制備的呢？

本文的主要內(nèi)容有：沙子轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/半導(dǎo)體" target="_blank" class="relatedlink">半導(dǎo)體級(jí)硅的制備，再將其轉(zhuǎn)變成晶體和晶圓，以及生產(chǎn)拋光晶圓要求的工藝步驟。這其中包括了用于制造操作晶圓的不同類(lèi)型的描述。生長(zhǎng)450mm直徑的晶體和450mm晶圓的制備存在的挑戰(zhàn)性。

更高密度和更大尺寸芯片的發(fā)展需要更大直徑的晶圓供應(yīng)。在20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用的1英寸直徑的晶圓。在21世紀(jì)前期業(yè)界轉(zhuǎn)向300mm（12英寸）直徑的晶圓而現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向450mm（18英寸）領(lǐng)域。

更大直徑的晶圓是由不斷降低芯片成本的要求驅(qū)動(dòng)的。這對(duì)晶體制備的挑戰(zhàn)是巨大的。在晶體生長(zhǎng)中，晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的一致性及污染問(wèn)題是一個(gè)挑戰(zhàn)。在晶圓制備、平坦性、直徑控制和晶體完整性方面都是問(wèn)題。更大直徑意味著更大的質(zhì)量，這就需要更堅(jiān)固的工藝設(shè)備，并最終完全自動(dòng)化。一個(gè)直徑300mm的晶圓生產(chǎn)坯質(zhì)大約是20磅（7.5kg）并會(huì)有50萬(wàn)美元以上的產(chǎn)值。

一個(gè)450mm的晶圓質(zhì)量約800kg，長(zhǎng)210cm。這些挑戰(zhàn)和幾乎每一個(gè)參數(shù)更高的工藝規(guī)格要求共存。與挑戰(zhàn)并進(jìn)和提供更大直徑晶圓是芯片制造不斷進(jìn)步的關(guān)鍵。然而，轉(zhuǎn)向更大直徑的晶圓是昂貴和費(fèi)時(shí)的。因此，隨著產(chǎn)業(yè)進(jìn)入更大直徑的晶圓，一些公司仍在使用較小直徑的晶圓。

半導(dǎo)體硅制備

半導(dǎo)體器件和電路在半導(dǎo)體材料晶圓的表層形成，半導(dǎo)體材料通常是硅。這些晶圓的雜質(zhì)含量必須非常低，必須摻雜到指定的電阻率水平，必須是制定的晶體結(jié)構(gòu)，必須是光學(xué)的平面，并達(dá)到許多機(jī)械及清潔度的規(guī)格要求。

制造集成電路級(jí)硅晶圓分4個(gè)階段進(jìn)行：

1.     礦石到高純度氣體的轉(zhuǎn)變；

2.     氣體到多晶的轉(zhuǎn)變；

3.     多晶到單晶、摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變；

4.     晶棒到晶圓的制備。

半導(dǎo)體制備的第一個(gè)階段是從泥土中選取和提純半導(dǎo)體材料的原料。提純從化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始。對(duì)于硅，化學(xué)反應(yīng)是從礦石到硅化物氣體，例如四氟化硅或三氯硅烷。雜質(zhì)，例如其他金屬，留在礦石殘?jiān)�里。硅化物再和氫反�?yīng)生成半導(dǎo)體級(jí)的硅。這樣的硅純度達(dá)99.9999999%，是地球上最純的物質(zhì)之一。它有一種稱(chēng)為多晶或多晶硅的晶體結(jié)構(gòu)。

晶體材料

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)排列成非常固定的結(jié)構(gòu)，這種材料稱(chēng)為晶體。

原子沒(méi)有固定的周期性排列的材料被稱(chēng)為非晶體或無(wú)定形。塑料就是無(wú)定形材料的例子。

晶體生長(zhǎng)

半導(dǎo)體晶圓是從大塊的半導(dǎo)體材料切割而來(lái)的。這種半導(dǎo)體材料，或稱(chēng)為硅錠，是從大塊的具有多晶結(jié)構(gòu)和未摻雜本征材料生長(zhǎng)得來(lái)的。把多晶轉(zhuǎn)變成一個(gè)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(zhǎng)。

使用三種不同的方法來(lái)生長(zhǎng)單晶：直拉法、液體掩蓋直拉法和區(qū)熔法。

晶體和晶圓質(zhì)量

半導(dǎo)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(shù)，完美的晶體還是得不到的。不完美，就稱(chēng)為晶體缺陷，會(huì)產(chǎn)生不均勻的二氧化硅膜生長(zhǎng)、差的外延膜沉積、晶圓里不均勻的摻雜層，以及其他問(wèn)題而導(dǎo)致工藝問(wèn)題。在完成的器件中，晶體缺陷會(huì)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(lèi)重要的晶體缺陷：

1.     點(diǎn)缺陷；

2.     位錯(cuò)；

3.     原生缺陷；

4.     雜質(zhì)。

晶圓準(zhǔn)備

晶體從單晶爐里出來(lái)以后，到最終的晶圓會(huì)經(jīng)歷一系列的步驟。第一步是用鋸子截掉頭尾。

在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，整個(gè)晶體長(zhǎng)度中直徑是有偏差的。晶圓制造過(guò)程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(wú)中心的滾磨機(jī)上進(jìn)行的機(jī)械操作。機(jī)器滾磨晶體到合適的直徑，無(wú)須用一個(gè)固定的中心點(diǎn)夾持晶體在車(chē)床型的滾磨機(jī)上操作。

在晶體提交到下一步晶體準(zhǔn)備前，必須要確定晶體是否達(dá)到定向和電阻率的規(guī)格要求。

切片

用有金剛石涂層的內(nèi)圓刀片把晶圓從晶體上切下來(lái)。這些刀片是中心有圓孔的薄圓鋼片。圓孔的內(nèi)緣是切割邊緣，用金剛石涂層。內(nèi)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(shù)量的晶體被切割工藝所浪費(fèi)。

對(duì)于較大直徑的晶圓（大于300mm），使用線(xiàn)切割來(lái)保證小錐度的平整表面和最小量的刀口損失。

晶圓刻號(hào)

就像我們生產(chǎn)好的高鐵軌道一樣，每一段上都要刻好工號(hào)，以對(duì)應(yīng)相應(yīng)的生產(chǎn)人，這樣來(lái)保證產(chǎn)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(jià)值，為了保持精確的可追溯性，區(qū)別它們和防止誤操作是必須的。因而使用條形碼和數(shù)字矩陣碼的激光刻號(hào)來(lái)區(qū)分它們。對(duì)300mm的晶圓，使用激光點(diǎn)是一致認(rèn)同的方法。

磨片

半導(dǎo)體晶圓的表面要規(guī)則，且沒(méi)有切割損傷，并要完全平整。第一個(gè)要求來(lái)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。為了獲得半導(dǎo)體器件相對(duì)尺寸的概念，想象下圖的剖面和房子一樣高，大概8英尺（2.4m），在該范圍內(nèi)，晶圓的工作層都要在頂部有1~2英寸或更小的區(qū)域。

平整度是小尺寸圖案絕對(duì)必要的條件。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，投影將會(huì)扭曲，就像電影圖像在不平的熒幕上無(wú)法聚焦一樣。

平整和拋光的工藝分兩步：磨片和化學(xué)機(jī)械拋光。磨片是一個(gè)傳統(tǒng)的磨料研磨工藝，精調(diào)到半導(dǎo)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。

至此，就生產(chǎn)出了表面平整的晶圓。

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