芯片制造工藝：晶體生長基本流程

本文講述半導體單晶生長和成形所需的常用技術。

內容框架：

晶體生長基本流程

單晶硅的生長

更高純度的單晶硅的生長

晶圓成形：切割、研磨、拋光

晶體缺陷

1.晶體生長基本流程

下圖為從原材料到拋光晶圓的基本工藝流程：

2.單晶硅的生長

從液態的熔融硅中生長單晶硅的及基本技術稱為直拉法（Czochralski）。半導體工業中超過90%的單晶硅都是采用這種方法制備的。

在晶體生長過程中，多晶硅被放置到坩堝中，熔爐加熱到超過硅的熔點，將一個適當晶向的籽晶放置在籽晶夾具中，懸于坩堝之上。將籽晶插入熔融液中，雖然籽晶將會部分熔化，但未熔化的籽晶頂部將會接觸熔融液的表面。接著將籽晶慢慢拉起，熔融液在固體﹣液體的表面逐漸冷卻，從而產生一個很大的單晶錠。

標準的拉晶速率是每分鐘數毫米。如果要拉制一個較大直徑的單晶硅錠，可在基本直拉法拉晶機上外加磁場。外加磁場的目的是減少缺陷、雜質，降低氧含量。由直拉法生長的單晶硅錠如圖所示：

摻雜：

在晶體生長時，可將一定數量的雜質原子加入熔融液，以獲得所需的摻雜濃度。對硅而言，硼和磷分別是形成P型和N型半導體最常用的摻雜材料。

要想使晶錠獲得均勻的摻雜分布，可提高拉晶速率和降低旋轉速率。另一種方法是在單晶生長過程中持續不斷地向熔融液中添加高純度的多晶硅，使得熔融液的初始的摻雜濃度維持不變。

3.更高純度的單晶硅的生長

區熔工藝可以生長純度更高的單晶硅。裝置如下:

一根底部帶有籽晶的高純度多晶硅棒保持在垂直方向并且旋轉。此多晶硅棒被密封在充滿惰性氣體（如氬氣）的石英管中。

在操作過程中，利用射頻加熱器使多晶硅棒的一小段區域（大約幾厘米長）熔融，沿多晶硅棒軸向方向從部的向上移動射加熱器，使懸浮熔融帶(float-zone）向上移動，并掃過整個多晶硅棒。已懸浮區熔的硅以正在熔融的硅和再結晶的固體硅之間的表面張力為支撐。當懸浮熔融帶上移時，后退端再結晶，生長出與籽晶晶向一致的單晶。

使用區熔法可生長出更高阻率的單晶材料。所以，目前區熔法生產出的單晶主要用于制造高功率、高壓器件等。這種生長技術還可以用來去除雜質，稱為區熔提純技術，可用于提供極其純凈的原材料。

4.晶圓成形：切割、研磨、拋光

晶體生長完成后，第一道成形的操作是切除晶錠包含籽晶的頭部和最后凝固的尾端。接著磨光表面以確定晶圓的直徑。然后沿晶錠軸向磨出一個或數個平面。這些平面用來指示晶向和導電類型。最大的平面稱為主磨面，參照該面可使自動工藝設備中的機械定向器自動固定晶圓的位置并確定器件相對于晶體的取向。另外一些較小的面稱為次磨面，用于指示晶向和導電類型。

接著晶錠被金剛石刀片切成晶圓。切割決定四個晶圓參數：①晶面結晶方向，如＜111＞或＜100>;②晶圓厚度，如0.5~0.7 mm，由晶圓直徑決定；③晶面傾斜度，指從晶圓一端到另一端的厚度差異；④晶圓彎曲度，指從晶圓中心到晶圓邊緣的彎曲程度。

切割完成以后，晶圓的兩面要用氧化鋁（Al2O3）和甘油的混合物來研磨，一般可研磨到2um的平坦度。這道研磨操作通常會造成晶圓表面和邊緣的損傷和污染，損傷和污染的區域可用化學刻蝕的方法來消除。

晶圓成形的最后一道工序是拋光，其目的是為后面的光刻工藝提供具有高度平坦化、高度潔凈表面的晶圓。

5.晶體特性

缺陷：

實際的晶體總會存在缺陷，從而影響半導體的電學、光學和機械特性。

點缺陷在氧化和雜質擴散工藝研究中特別重要。

點缺陷

線缺陷：半導體器件應盡量避免線缺陷，因為金屬雜質容易在線缺陷處沉淀，從而降低器件性能。

線缺陷

面缺陷：存在面缺陷的的晶體不能用于制造集成電路，只能廢棄。

面缺陷

材料特性對比：

硅材料的特性和制造ULSI（超大規模集成電路）對晶圓的要求的對比：

特性測量方法：

電阻率可用四探針法測量。

對于少量雜質，如硅中的氧和碳雜質，可用二次離子質譜分析法測定。

審核編輯：黃飛

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