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半导体 | 晶体生长和晶圆制备

发布：北京爱蛙科技有限公司

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晶体生长和晶圆制备是半导体制造中的基础环节。晶体生长通常采用直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法，生长出具有特定晶向和高纯度的单晶硅。随后，这些单晶硅被切割成晶圆，晶圆经过精密的抛光和化学处理，形成表面平整、无缺陷的硅片，这些硅片是制造集成电路和各种半导体器件的基础材料。晶圆的质量直接影响到最终产品的性能和可靠性，因此，晶体生长和晶圆制备的每一个细节都至关重要。

半导体硅制备

半导体器件和电路在半导体材料晶圆的表层形成，半导体材料通常是硅。这些晶圆的杂质含量必须非常低，掺杂到指定的电阻率水平，必须是特定的晶体结构，要呈光学平面状态，并达到指定的电气性能和对应的相应规格要求。

制造集成电路级硅晶圆分4个阶段进行：

矿石到高纯度气体的转变;
气体到多晶的转变;
多晶到单晶、掺杂晶棒的转变;
晶棒到晶圆的制备。

晶体生长

半导体晶圆是从大块的半导体材料切割而来的。这种半导体材料，或称为硅锭，是从大块的具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来的。把多晶转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，叫做晶体生长。使用三种不同的方法来生长单晶：直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。

1. 直拉法(Czochralski)

直拉法(Czochralski)是制备半导体单晶最常用的技术。其大概流程为：将经过提纯后的原料置于坩埚中，而坩埚则置于适当的热场中。在加热过程中，原料在坩埚中逐渐熔化。此后，提拉预先放置的籽晶，并以一定的速度旋转，进而生长出符合条件的单晶。具体过程如下图所示：

总的来说，这种工艺的优点包括：

(1) 可以较快速度获得大直径的单晶；

(2) 可采用“回熔”和“缩颈”工艺来控制成本和效率；

(3) 可观察到晶体的生长情况，进而有效地控制晶体的生长。

而其缺点主要为：该工艺采用坩埚作为容器，在晶体生长过程中，高温可能导致坩埚中的原子扩散至熔体中，进而导致不同程度的污染。

2. 液体掩盖提拉法(LEC)

该方法中会使用透明、惰性的液体层(一般是B₂O₃)浮于熔体表面进而起到密封作用。这一液体层的存在保证使用熔体生长技术可以生长具有较高蒸汽压的材料，此外，液体层还能阻止熔体与坩埚和保护气等发生反应。不过，B₂O₃存在被污染的风险，而且其在温度低于1000℃时太过粘稠，会影响熔体的流动。

3. 区熔法(Floating zone)

主要采用感应线圈加热，熔区自下而上移动或晶体向下移动，逐渐完成整个结晶过程。

这种工艺的优点在于：

(1) 特别适宜那些在熔点温度时具有非常强的溶解能力（或反应活性）的材料；

(2)可生长熔点极高的材料，如高熔点的氧化物单晶、碳化物单晶以及难熔金属单晶等。

但这种工艺也存在熔体混合不良、晶体径向均匀性差以及对设备要求较严格等缺点。

半导体器件需要高度完美的晶体。但是即使使用了最成熟的技术，完美的晶体还是得不到的，不完美，就称为晶体缺陷，会产生不均匀的二氧化硅膜生长、差的外延膜沉积、晶圆里不均匀的掺杂层，以及其他问题而导致工艺问题。在完成的器件中，晶体缺陷会引起有害的电流漏出，可能阻止器件在正常电压下工作。有四类重要的晶体缺陷：

1）点缺陷

①脱位原子一般进入其他空位或者逐渐迁移至晶界或表面，这样的空位通常称为肖脱基空位或肖脱基缺陷。

②晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，则形成另一种类型的点缺陷——间隙原子，同时原来的结点位置也空缺了，产生另一个空位，通常把这一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克尔缺陷。

③离子晶体中点缺陷要求保持局部电中性，常见的两种点缺陷：

肖脱基缺陷：等量的正离子空位和负离子空位。

弗兰克尔缺陷：等量的间隙原子、空位。

④点缺陷源于原子的热振动，故其平衡浓度随着温度升高指数增加。

点缺陷数量明显超过平衡值时叫过饱和点缺陷，产生原因为淬火、辐照、冷塑性变形。

2）位错

位错是在单晶里一组晶胞排错位置。这可以想象成在一堆整齐排列的方糖中有一块方糖排列和其他方糖的排列发生了微小的偏差。位错在晶圆里的发生，是由于晶体生长条件和晶体内的晶格应力，也可能是由于制造过程中的物理损坏。碎片或崩边成为晶格应力的交点会产生一条位错线，随着后面的高温工艺扩展到晶圆内部。位错能通过表面的一种特殊腐蚀显示出来。

3）原生缺陷

在晶体生长中,一定的条件会导致结构缺陷。有一种叫滑移(slip)，是沿着晶体平面产生的晶体滑移。另一个问题是孪晶(twinning)，这是一个从同一界面生长出两种不同方向晶体的情形。这两种缺陷都是晶体报废的主要原因。

4）杂质

除了来自材料和处理中的有害杂质外，CZ过程本身增加了两种晶体杂质。一是来自石英坩埚的氧气。二是来自热温区域石墨中的碳。氧是在得到的晶片和电路的电活性。碳可以促进氧沉淀。

晶圆制备

晶体从单晶炉里出来以后，到最终的晶圆会经历一系列的步骤。

第一步是用锯子截掉头尾，在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径是有偏差的。晶圆制造过程有各种各样的晶圆固定器和自动设备，需要严格的直径控制以减少晶圆翘曲和破碎。

第二步：直径滚磨，是在一个无中心的滚磨机上进行的机械操作。机器滚磨晶体到合适的直径，无须用一个固定的中心点夹持晶体在车床型的滚磨机上操作。在晶体提交到下一步晶体准备前，必须要确定晶体是否达到定向和电阻率的规格要求。

第三步：切片，用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来。这些刀片是中心有圆孔的薄圆钢片。圆孔的内缘是切割边缘，用金刚石涂层。内圆刀片有硬度，但不用非常厚这些因素可减少刀口尺寸，也就减少了一定数量的晶体被切割工艺所浪费。对于较大直径的晶圆(大于300mm)，使用线切割来保证小锥度的平整表面和最小量的刀口损失。

第四步：晶圆刻号，就像我们生产好的高铁轨道一样，每一段上都要刻好工号，以对应相应的生产人，这样来保证产品的可追溯性。同样的，大面积的晶圆在晶圆制造工艺中有很高的价值，为了保持精确的可追溯性，区别它们和防止误操作是必须的。因而使用条形码和数字矩阵码的激光刻号来区分它们。对300mm的晶圆，使用激光点是一致认同的方法。

第五步：磨片，半导体晶圆的表面要规则，且没有切割损伤，并要完全平整。第一个要求来自于很小的尺度制造器件的表面和次表面层。它们的尺寸在0.5~2um之间。平整度是小尺寸图案绝对必要的条件。先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面，如果表面不平，投影将会扭曲，就像电影图像在不平的荧幕上无法聚焦一样。

平整和抛光的工艺分两步：磨片和化学机械抛光。磨片是一个传统的磨料研磨工艺，精调到半导体使用的要求。磨片的主要目的是去除切片工艺残留的表面损伤。

化学机械抛光

最终的抛光步骤是一个化学腐蚀和机械摩擦的结合,被称为化学机械抛光(CMP)。晶圆装在旋转的抛光头上，下降到抛光垫的表面以相反的方向旋转。抛光垫材料通常是有填充物的聚亚安酯铸件切片或聚氨酯涂层的无纺布。二氧化硅抛光液悬浮在适度含氢氧化钾或氨水的腐蚀液中，滴到抛光垫上。

碱性抛光液在晶圆表面生成一薄层二氧化硅。抛光垫以持续的机械摩擦作用去除氧化物晶圆表面的高点被去除掉，直到获得特别平整的表面。如果一个半导体晶圆的表面扩大到10000英尺(3048m--飞机场跑道的长度)，在总长度中将会有正负2英寸的平整度偏差。获得极好平整度需要规定和控制抛光时间、晶圆和抛光垫上的压力、旋转速度、抛光液颗粒尺寸、抛光液流速、抛光液的pH值、抛光垫材料和条件。

化学机械抛光是制造大直径晶圆的技术之一。在晶圆制造工艺中，新层的建立会产生不平的表面，使用CMP以平整晶体表面。

在包装之前，需要根据用户指定的一些参数对晶圆(或样品)进行检查。主要的考虑因素是表面问题，如颗粒、污染和雾。这些问题能够用强光或自动检查设备来检测出。