晶圓制造及直拉法知識介紹

晶圓是集成電路、功率器件及半導(dǎo)體分立器件的核心原材料，超過90%的集成電路均在高純度、高品質(zhì)的晶圓上制造而成。晶圓的質(zhì)量及其產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)能力，直接關(guān)乎集成電路的整體性能和競爭力。今天我們將詳細(xì)介紹第一個(gè)工藝過程：晶圓及其制造過程。

為什么晶圓制造如此重要

隨著技術(shù)進(jìn)步，晶圓的需求量持續(xù)增長。目前國內(nèi)市場硅片尺寸主流為100mm、150mm和200mm，硅片直徑的增大會導(dǎo)致降低單個(gè)芯片制造成本的降低，所以目前300mm硅片的需求量也在不斷的增加。但硅片直徑增大的同時(shí)也對晶圓表面的平整度、微量雜質(zhì)控制、內(nèi)部缺陷及氧含量等關(guān)鍵參數(shù)提出了更高要求，因此，晶圓制造也是當(dāng)下芯片制造主要研究的重點(diǎn) 。

晶體結(jié)構(gòu)

在研究晶圓制造之前我們首先需要了解晶體結(jié)構(gòu)。 內(nèi)部原子的組織結(jié)構(gòu)差異是區(qū)分不同材料的重要手段。硅和鍺等晶體材料，其原子在整個(gè)材料中呈現(xiàn)固定的周期性排列；而非晶體材料，如塑料，則缺乏這種固定的原子排列。硅則因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)、自然豐富度等眾多優(yōu)點(diǎn)成為晶圓的主要材料。 晶體材料具有兩個(gè)層次的原子組織結(jié)構(gòu)。第一層是單個(gè)原子的組織結(jié)構(gòu)，形成晶胞結(jié)構(gòu)，晶胞在晶體中周期性重復(fù)排列形成晶體。另一層涉及晶胞結(jié)構(gòu)的整體布局，即晶格結(jié)構(gòu)，原子位于晶格結(jié)構(gòu)的特定位置。晶胞內(nèi)的原子數(shù)量、相對位置及原子間的結(jié)合能，共同決定了材料的多種特性。硅晶體的結(jié)構(gòu)為金剛石結(jié)構(gòu)，簡單來說是兩套面心立方晶格沿對角線偏移1/4對角線長度所構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖1 硅的金剛石結(jié)構(gòu) 晶體的構(gòu)造展現(xiàn)出周期性和對稱性的特征，若采用通用的三維直角坐標(biāo)體系來逐一描述晶體中每個(gè)微粒的具體位置，會顯得相當(dāng)繁瑣。因此，需要借助晶體的點(diǎn)陣周期性，開發(fā)一種更為簡便的方法來描繪晶體內(nèi)部粒子的位置分布。晶胞是依據(jù)特定“三原則”選定的，它能有效地體現(xiàn)晶體的周期性和對稱性，且為最小單元。一旦確定了晶胞內(nèi)所有粒子的坐標(biāo)位置，整個(gè)晶體內(nèi)部粒子的相對位置也就隨之明確。通過建立以晶胞三條棱邊向量為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系，我們可以方便地描述晶胞內(nèi)部每一個(gè)粒子的坐標(biāo)（即原子坐標(biāo)），從而簡化對晶體結(jié)構(gòu)的描述過程，如圖2所示。

圖2 簡化的晶體結(jié)構(gòu)

晶面及晶向

晶面，簡單來說，就是晶體內(nèi)部原子、離子或分子排列形成的平面。而晶向，則是描述晶體內(nèi)部原子排列的特定方向。 晶面通過密勒指數(shù)來表示，通常來說括號()表示晶面，方括號[]表示晶向，尖括號<>表示晶向族，大括號{}則表示晶面族。在半導(dǎo)體制造中，硅片最常用的晶體平面為(100)、(110)和(111)，不同的晶面有不同的特性，用于不同的生產(chǎn)中。在MOS器件制造中，(100)晶面的硅片最為常用，因?yàn)槠浔砻鏍顟B(tài)有利于控制MOS器件的閾值電壓，同時(shí)（100）晶面的硅片在加工過程中相對容易處理，表面較平整，適合于大規(guī)模集成電路的制造。(111)晶面的原子密度更大，生長成本較低，常用于雙極型器件。這些平面在晶體生長過程中可以通過精確控制晶向而獲得，即通過籽晶晶向的選取來控制晶體生長的晶面。 (100)晶面平行于Y-Z軸并與X軸在單位值為1的點(diǎn)處相交，(110)晶面與X軸和Y軸相交，(111)晶面則與X軸、Y軸和Z軸都相交。如圖所示。

圖3晶面示意圖 (100) 晶面是一個(gè)正方形，而(111)晶面則是一個(gè)三角形。因?yàn)椴煌娴慕Y(jié)構(gòu)不同所以導(dǎo)致晶圓破碎時(shí)也會產(chǎn)生不同的特點(diǎn)。< 100 >晶向的晶圓碎成正方形或正好以90 °角破裂，< 111>晶向的晶圓碎成三角形。如下圖所示。

圖4不同晶面破碎示意圖 晶體因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使其每個(gè)平面都具有獨(dú)特的化學(xué)、電學(xué)和物理特性，所以晶圓的不同晶向會影響晶圓的整體性能。因此，晶圓的制備過程中需要嚴(yán)格控制其晶向。

直拉法

晶圓是用晶棒切割而來的，晶棒是由多晶與純凈未摻雜的本征材料生長而成的。將多晶通過熔融再結(jié)晶生長為單晶的過程，被稱為晶體生長。當(dāng)前，晶體生長主要依賴兩種方法：提拉法與區(qū)域熔融法。直拉法（又稱丘克拉斯基法或CZ法）是從熔體中生長單晶的一種最主要的方法，適用于大尺寸完美晶體的批量生產(chǎn)，目前85%以上的單晶硅是直拉法生長的。下面將介紹直拉法生長單晶： 直拉法是將高純多晶硅材料在高真空或稀有氣體保護(hù)的環(huán)境下加熱熔化成液態(tài)，然后再結(jié)晶形成單晶硅的過程。這一過程需要使用的設(shè)備是直拉單晶爐，如圖所示包括爐體、機(jī)械傳動系統(tǒng)、加熱溫控系統(tǒng)和氣體傳送系統(tǒng)。爐體內(nèi)部設(shè)計(jì)保證了溫度均勻分布和散熱效果；機(jī)械傳動系統(tǒng)用于控制坩堝和籽晶的運(yùn)動；加熱系統(tǒng)則是通過高頻線圈或電流加熱器將多晶硅加熱至熔融狀態(tài)；氣體傳送系統(tǒng)則用于抽真空和充入惰性氣體以保護(hù)硅溶液不會被氧化。一般要求真空度在5Torr以下，惰性氣體純度在99.9999%以上。 晶棒的純度至關(guān)重要，是決定晶圓質(zhì)量的重要因素，因此生長單晶時(shí)一定要保證其純度。

圖5 直拉單晶爐結(jié)構(gòu)示意圖 晶體生長采用具有特定晶向的單晶硅作為起始籽晶來培育硅錠，所得硅錠會“遺傳”籽晶的結(jié)構(gòu)特性（晶向）。在此過程中，需嚴(yán)格調(diào)控熔融硅與單晶硅籽晶接觸界面的條件，以確保硅液能精準(zhǔn)沿襲籽晶的晶體結(jié)構(gòu)，逐步擴(kuò)展為一個(gè)龐大的單晶硅錠。這一系列操作是借助直拉單晶生長爐來實(shí)現(xiàn)的。直拉法生長單晶硅的主要過程如下： 準(zhǔn)備階段： 準(zhǔn)備純度很高的多晶硅，并且將其粉碎，用氫氟酸和硝酸的混合溶液進(jìn)行清洗。對籽晶進(jìn)行拋光，籽晶的選擇必須與想要生長的單晶硅的晶向一致，并確保沒有缺陷，否則會“遺傳”給生長的晶體。選擇向坩堝中摻入的雜質(zhì)（用于控制生長晶體的導(dǎo)電類型：N型或P型）。注意對所有清洗的材料用高純?nèi)ルx子水進(jìn)行沖洗至中性，然后烘干。 裝爐： 將粉碎的多晶硅裝入石英坩堝中，籽晶夾好，蓋上籽晶罩，將爐內(nèi)抽為真空并充入惰性氣體。 加熱熔融多晶硅： 充滿惰性氣體后將坩堝中的多晶硅進(jìn)行加熱熔融（一般為1420℃）。 引晶階段： 此階段也稱為下種。首先，將溫度降低到略低于1420℃的某個(gè)值，使籽晶降至距液面幾毫米處。接著，對籽晶進(jìn)行預(yù)熱，時(shí)間約為2-3分鐘，以確保熔融硅與籽晶之間的溫度達(dá)到平衡。預(yù)熱完成后，使籽晶與熔融硅液面接觸，從而完成引晶過程。 縮頸階段： 在引晶步驟完成后，系統(tǒng)會逐步提升溫度，同時(shí)籽晶開始旋轉(zhuǎn)并被緩緩向上提拉，形成一段直徑大約在0.5至0.7厘米之間的細(xì)小單晶，這比原始籽晶的直徑要小?？s頸階段的主要目標(biāo)是清除籽晶本身可能存在的瑕疵以及在引晶過程中因溫度變動可能產(chǎn)生的新缺陷。此階段雖然提拉速度相對較快，但仍需保持在適宜的范圍內(nèi)，避免過快操作。 放肩階段： 縮頸完成后，放慢拉速并降低溫度，讓晶體逐漸長大至所需的直徑。放肩過程需要仔細(xì)控制溫度和拉速，以確保晶體能夠均勻且穩(wěn)定地生長。 等徑生長階段： 在放肩即將完成時(shí)，緩慢升溫并保持穩(wěn)定，以確保晶體在直徑方向上繼續(xù)均勻生長。這一階段需要嚴(yán)格控制拉速和溫度，以保證單晶的均勻性和一致性。 收尾階段： 在單晶生長接近收尾階段，會適度提升溫度并加快提拉速率，使晶棒直徑漸漸縮小，直至形成一個(gè)錐形尾部。這是為了預(yù)防晶棒脫離熔融態(tài)時(shí)因溫度驟降引發(fā)缺陷，以保障整體晶體的高品質(zhì)。

圖6 直拉單晶示意圖 直拉單晶完成后就得到了晶圓的原材料晶棒，對晶棒進(jìn)行切割就得到最原始的晶圓，但此時(shí)的晶圓并不能直接使用，為了得到可使用的晶圓還需要對晶圓進(jìn)行拋光、清洗、薄膜沉積、退火等一些復(fù)雜的后續(xù)操作。