半导体硅材制备及加工工艺

摘要

直拉法又叫CZ法,是当今制备单晶硅的主流技术。主要流程是在石英坩埚中放入多晶硅,加热使其熔融,然后夹住一块单晶硅的籽晶,将它悬浮在坩埚之上,把籽晶的一端拉制插入熔体直到融化,然后再缓慢旋转并向上提拉,这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程,所以生成的硅晶体是单晶硅。晶体的掺杂也是通过直接在坩埚中加入掺杂剂,使掺杂元素在拉制单晶的过程中直接溶入单晶之中。

  一、硅单晶的制备
  1、直拉法
  逻辑、存储器芯片中使用的单晶硅片大多采用直拉法制备,市场占比超过90%,且目前以12 inch为主。
  直拉法又叫CZ法,是当今制备单晶硅的主流技术。主要流程是在石英坩埚中放入多晶硅,加热使其熔融,然后夹住一块单晶硅的籽晶,将它悬浮在坩埚之上,把籽晶的一端拉制插入熔体直到融化,然后再缓慢旋转并向上提拉,这样在液体与固体的界面就会经过逐渐冷凝形成单晶。由于整个过程可以看作是复制籽晶的过程,所以生成的硅晶体是单晶硅。晶体的掺杂也是通过直接在坩埚中加入掺杂剂,使掺杂元素在拉制单晶的过程中直接溶入单晶之中。
  2、区熔法
  用区熔法(floating zone,FZ)制作的硅片主要用于功率器件的制备,硅片尺寸以8 inch及以下尺寸为主。与CZ法制作的硅片相比,FZ法最大的特点就是拉制单晶的电阻率相对较高,纯度更高,能够耐高压;但是大尺寸硅片制备困难,而且机械能较差,所以在集成电路中使用较少。
  区熔法单晶硅棒的制作过程总共分为3步:
  (1)在真空或稀有气体环境下的炉室中,利用电场给多晶硅棒加热,直到被加热区域的多晶硅融化,形成熔融区。
  (2)用籽晶接触熔融区,并融化。
  (3)使多晶硅上的熔融区不断上移,同时籽晶缓慢旋转并向下拉伸,逐渐形成单晶硅棒。
  因为在区熔法中不使用石英坩埚,避免了很多污染源,所以用区熔法拉的单晶具有纯度高的特点。
  二、硅片加工工艺
  硅片的加工过程涉及几十道工序,但按大工序可分为滚磨切割倒角、研磨腐蚀、抛光清洗3部分。
  1、滚磨切割倒角
  直径滚磨:由于在拉单晶的过程中,单晶硅棒的直径不可能一直保持在目标直径,所以为了得到标准直径的硅棒,如6 inch、8 inch、12 inch等,需要对拉制的单晶硅棒进行滚磨处理,滚磨后的硅棒表面光滑,直径均匀。
  切割倒角:切割是把滚磨好的单晶棒切割成所需厚度硅片的过程。目前的硅片切割大多采用多线切割机来完成,且半导体硅片的切割大多是砂浆切割。完成切割工序的硅片由于厚度较小,边缘非常锋利,容易造成碎片。倒角的目的就是通过机械加工使得硅片边缘形成指定形貌的光滑边缘,倒角后的硅片有较低的中心应力,因而更牢固,并且在以后的芯片制造中不容易产生碎片。
  2、研磨腐蚀
  硅片研磨是为了去除在切片加工中,硅片表面因切割产生的表面/亚表面机械应力损伤层(20~50μm)和各种金属离子等杂质污染的表面,并使硅片具有一定精度几何尺寸的平坦表面。
  硅片研磨之后,其表面依旧有少量的均衡损伤。将这些损伤去除时,要尽可能减小附加损伤。比较有特色的就是用化学腐蚀的方法来处理,目前常用的腐蚀方法分为碱腐蚀和酸腐蚀。
  3、抛光清洗检验
  硅片抛光的目的是得到一个光滑、平整、无损伤的硅表面。目前,硅片抛光多采用化学机械抛光方法,抛光的运动过程类似于研磨加工,但整个抛光过程的材料去除是在机械作用与化学作用的交替过程中完成的,可形成超光滑无损伤的加工表面,为后续集成电路制备做好基础。
  硅片抛光后表面有大量的沾污物,绝大部分是来源于抛光过程的颗粒。硅片清洗的目的就是有效地去除表面的各种颗粒及金属离子,以满足后期集成电路制作的要求。目前的清洗方法还是以RCA清洗法为基础的各种改进的清洗工艺。
  硅片清洗后需要经过严格的检验工序,检验合格后包装发货给客户。检验内容包括硅片外形、几何尺寸、表面沾污等几十个参数,均需要采用专用设备进行检验。目前为止,几乎全部检验设备都是从国外进口的。
  硅片制备是集晶体生长、精密加工、化学清洗、薄膜技术、分析测试等工程化技术高度于一体的先进制造业,是买不来的技术。从做出来到做好需要相当长的质量、技术爬坡期,不断的管理提升、技术创新是唯一出路,没有捷径。在此过程中,客户是最好的老师,无论多难,只有跟着客户的需求不断改进才能进步。与此同时,国内硅片产业的壮大离不开上下游产业链的协同发展,只有装备及材料的不断国产化才能使产品更具市场竞争力。

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2024-04-28

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