[科普中國]-晶圓

晶圓指制造半導體晶體管或集成電路的襯底（也叫基片）。由于是晶體材料，其形狀為圓形，所以稱為晶圓。襯底材料有硅、鍺、GaAs、InP、GaN等。由于硅最為常用，如果沒有特別指明晶體材料，通常指硅晶圓。1

在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能的集成電路產品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%。2

制造過程晶圓是制造半導體芯片的基本材料，半導體集成電路最主要的原料是硅，因此對應的就是硅晶圓。硅在自然界中以硅酸鹽或二氧化硅的形式廣泛存在于巖石、砂礫中，硅晶圓的制造可以歸納為三個基本步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長、晶圓成型。首先是硅提純，將沙石原料放入一個溫度約為2000 ℃，并且有碳源存在的電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中的二氧化硅進行化學反應（碳與氧結合，剩下硅），得到純度約為98%的純硅，又稱作冶金級硅，這對微電子器件來說不夠純，因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感，因此對冶金級硅進行進一步提純：將粉碎的冶金級硅與氣態(tài)的氯化氫進行氯化反應，生成液態(tài)的硅烷，然后通過蒸餾和化學還原工藝，得到了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%，成為電子級硅。接下來是單晶硅生長，最常用的方法叫直拉法（CZ法）。如右圖所示，高純度的多晶硅放在石英坩堝中，并用外面圍繞著的石墨加熱器不斷加熱，溫度維持在大約1400 ℃，爐中的氣體通常是惰性氣體，使多晶硅熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。為了形成單晶硅，還需要控制晶體的方向：坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。因此所生長的晶體的方向性是由籽晶所決定的，在其被拉出和冷卻后就生長成了與籽晶內部晶格方向相同的單晶硅棒。用直拉法生長后，單晶棒將按適當的尺寸進行切割，然后進行研磨，將凹凸的切痕磨掉，再用化學機械拋光工藝使其至少一面光滑如鏡，晶圓片制造就完成了。1

單晶硅棒的直徑是由籽晶拉出的速度和旋轉速度決定的，一般來說，上拉速率越慢，生長的單晶硅棒直徑越大。而切出的晶圓片的厚度與直徑有關，雖然半導體器件的制備只在晶圓的頂部幾微米的范圍內完成，但是晶圓的厚度一般要達到1 mm，才能保證足夠的機械應力支撐，因此晶圓的厚度會隨直徑的增長而增長。1

晶圓制造廠把這些多晶硅融解，再在融液里種入籽晶，然后將其慢慢拉出，以形成圓柱狀的單晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一顆晶面取向確定的籽晶在熔融態(tài)的硅原料中逐漸生成，此過程稱為“長晶”。硅晶棒再經過切段，滾磨，切片，倒角，拋光，激光刻，包裝后，即成為集成電路工廠的基本原料——硅晶圓片，這就是“晶圓”。1

晶圓是指制作硅半導體積體電路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高純度的多晶硅溶解后摻入硅晶體晶種，然后慢慢拉出，形成圓柱形的單晶硅。硅晶棒在經過研磨，拋光，切片后，形成硅晶圓片，也就是晶圓。國內晶圓生產線以 8英寸和 12 英寸為主。制作過程中重要的步驟如下：2

化學氣相沉積化學氣相沉積是在制造微電子器件時被用來沉積出某種薄膜的技術，這種薄膜可能是介電材料或者半導體。物理氣相沉積技術則是使用惰性氣體，撞擊濺鍍靶材，在晶圓表面沉積出所需的材質。制程反應室內的高溫和真空環(huán)境可以使這些金屬原子結成晶粒，在經過圖案化（patterned）和蝕刻，得到所需的導電電路。2

光學顯影光學顯影是將光罩上的圖形轉換到薄膜上。光學顯影一般包括光阻涂布、烘烤、光照對準、曝光和顯影等步驟。干式蝕刻是最常用的蝕刻方式，其以氣體為主要的蝕刻媒介，由電漿來驅動反應。蝕刻是將表面某種不需要的材質部分移除。2

化學機械研磨化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是既有機械研磨又有酸堿溶液式的化學研磨兩種相結合的技術，可以使晶圓表面較為平坦，方便后面工序。在進行研磨時，研磨漿在晶圓和研磨墊之間。影響 CMP 的因素有：研磨頭的壓力和晶圓平坦度，旋轉速度，研磨漿的化學成分等等。2

基本原料

硅是由石英砂所精練出來的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著是將這些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導體的材料，經過照相制版，研磨，拋光，切片等程序，將多晶硅融解拉出單晶硅晶棒，然后切割成一片一片薄薄的晶圓。硅片廣泛用于集成電路（IC）基板、半導體封裝襯底材料，硅片劃切質量直接影響芯片的良品率及制造成本。硅片劃片方法主要有金剛石砂輪劃片、激光劃片。激光劃片是利用高能激光束聚焦產生的高溫使照射局部范圍內的硅材料瞬間氣化，完成硅片分離，但高溫會使切縫周圍產生熱應力，導致硅片邊緣崩裂，且只適合薄晶圓的劃片。超薄金剛石砂輪劃片，由于劃切產生的切削力小，且劃切成本低，是應用最廣泛的劃片工藝。由于硅片的脆硬特性，劃片過程容易產生崩邊、微裂紋、分層等缺陷，直接影響硅片的機械性能。同時，由于硅片硬度高、韌性低、導熱系數低，劃片過程產生的摩擦熱難于快速傳導出去，易造成刀片中的金剛石顆粒碳化及熱破裂，使刀具磨損嚴重，嚴重影響劃切質量。1

制造工藝表面清洗晶圓表面附著大約2μm的Al2O3和甘油混合液保護層,在制作前必須進行化學刻蝕和表面清洗。1

初次氧化由熱氧化法生成SiO2 緩沖層，用來減小后續(xù)中Si3N4對晶圓的應力氧化技術：干法氧化Si(固)+O2 à SiO2(固)和濕法氧化Si(固)+2H2O à SiO2(固)+2H2。干法氧化通常用來形成，柵極二氧化硅膜，要求薄，界面能級和固定電荷密度低的薄膜。干法氧化成膜速度慢于濕法。濕法氧化通常用來形成作為器件隔離用的比較厚的二氧化硅膜。當SiO2膜較薄時，膜厚與時間成正比。SiO2膜變厚時，膜厚與時間的平方根成正比。因而，要形成較厚SiO2膜，需要較長的氧化時間。SiO2膜形成的速度取決于經擴散穿過SiO2膜到達硅表面的O2及OH基等氧化劑的數量的多少。濕法氧化時，因在于OH基SiO2膜中的擴散系數比O2的大。氧化反應，Si 表面向深層移動，距離為SiO2膜厚的0.44倍。因此，不同厚度的SiO2膜，去除后的Si表面的深度也不同。SiO2膜為透明，通過光干涉來估計膜的厚度。這種干涉色的周期約為200nm，如果預告知道是幾次干涉，就能正確估計。對其他的透明薄膜，如知道其折射率，也可用公式計算出(dSiO2)/(dox)=(nox)/(nSiO2)。SiO2膜很薄時，看不到干涉色，但可利用Si的疏水性和SiO2的親水性來判斷SiO2膜是否存在。也可用干涉膜計或橢圓儀等測出。SiO2和Si界面能級密度和固定電荷密度可由MOS二極管的電容特性求得。(100)面的Si的界面能級密度最低，約為10E+10— 10E+11/cm2eV-1數量級。(100)面時，氧化膜中固定電荷較多，固定電荷密度的大小成為左右閾值的主要因素。3

熱CVD熱CVD(HotCVD)/(thermalCVD)，此方法生產性高，梯狀敷層性佳(不管多凹凸不平，深孔中的表面亦產生反應，及氣體可到達表面而附著薄膜)等，故用途極廣。膜生成原理，例如由揮發(fā)性金屬鹵化物(MX)及金屬有機化合物(MR)等在高溫中氣相化學反應(熱分解，氫還原、氧化、替換反應等)在基板上形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點金屬、金屬、半導體等薄膜方法。因只在高溫下反應故用途被限制，但由于其可用領域中，則可得致密高純度物質膜，且附著強度很強，若用心控制，則可得安定薄膜即可輕易制得觸須(短纖維)等，故其應用范圍極廣。熱CVD法也可分成常壓和低壓。低壓CVD適用于同時進行多片基片的處理，壓力一般控制在0.25-2.0Torr之間。作為柵電極的多晶硅通常利用HCVD法將SiH4或Si2H。氣體熱分解（約650oC）淀積而成。采用選擇氧化進行器件隔離時所使用的氮化硅薄膜也是用低壓CVD法，利用氨和SiH4 或Si2H6反應面生成的，作為層間絕緣的SiO2薄膜是用SiH4和O2在400--4500oC的溫度下形成SiH4+O2-SiO2+2H2或是用Si(OC2H5)4(TEOS:tetra ethoxy silanc)和O2在750oC左右的高溫下反應生成的，后者即采用TEOS形成的SiO2膜具有臺階側面部被覆性能好的優(yōu)點。前者，在淀積的同時導入PH3 氣體，就形成磷硅玻璃（ PSG： phosphor silicate glass）再導入B2H6氣體就形成BPSG(borro ? phosphor silicate glass)膜。這兩種薄膜材料，高溫下的流動性好，廣泛用來作為表面平坦性好的層間絕緣膜。3

熱處理在涂敷光刻膠之前，將洗凈的基片表面涂上附著性增強劑或將基片放在惰性氣體中進行熱處理。這樣處理是為了增加光刻膠與基片間的粘附能力，防止顯影時光刻膠圖形的脫落以及防止?jié)穹ǜg時產生側面腐蝕(sideetching)。光刻膠的涂敷是用轉速和旋轉時間可自由設定的甩膠機來進行的。首先、用真空吸引法將基片吸在甩膠機的吸盤上，把具有一定粘度的光刻膠滴在基片的表面，然后以設定的轉速和時間甩膠。由于離心力的作用，光刻膠在基片表面均勻地展開，多余的光刻膠被甩掉，獲得一定厚度的光刻膠膜，光刻膠的膜厚是由光刻膠的粘度和甩膠的轉速來控制。所謂光刻膠，是對光、電子束或X線等敏感，具有在顯影液中溶解性的性質，同時具有耐腐蝕性的材料。一般說來，正型膠的分辨率高，而負型膠具有感光度以及和下層的粘接性能好等特點。光刻工藝精細圖形(分辨率，清晰度)，以及與其他層的圖形有多高的位置吻合精度(套刻精度)來決定，因此有良好的光刻膠，還要有好的曝光系統(tǒng)。3

晶圓的背面研磨工藝晶圓的集成電路制造，為了降低器件熱阻、提高工作散熱及冷卻能力、便于封裝，在硅晶圓正面制作完集成電路后，需要進行背面減薄。晶圓的背面研磨工藝，是在晶圓的正面貼一層膜保護已經制作好的集成電路，然后通過研磨機來進行減薄。晶圓背面研磨減薄后，表面會形成一層損傷層，且翹曲度高，容易破片。為了解決這些問題，需要對晶圓背面進行濕法硅腐蝕，去除損傷層，釋放晶圓應力，減小翹曲度及使表面粗糙化。使用槽式的濕法機臺腐蝕時，晶圓正面及背面均與腐蝕液接觸，正面貼的膜必須耐腐蝕，從而保護正面的集成電路。使用單片作業(yè)的濕法機臺，晶圓的正面通常已被機臺保護起來，不會與腐蝕液或者腐蝕性的氣體有接觸，可以撕膜后再進行腐蝕。4

除氮化硅此處用干法氧化法將氮化硅去除。4

離子注入離子布植將硼離子 (B+3) 透過 SiO2 膜注入襯底，形成P型阱離子注入法是利用電場加速雜質離子，將其注入硅襯底中的方法。離子注入法的特點是可以精密地控制擴散法難以得到的低濃度雜質分布。MOS電路制造中，器件隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截斷，調整閥值電壓用的溝道摻雜， CMOS的阱形成及源漏區(qū)的形成，要采用離子注入法來摻雜。離子注入法通常是將欲摻入半導體中的雜質在離子源中離子化， 然后將通過質量分析磁極后選定了離子進行加速，注入基片中。4

退火處理去除光刻膠放高溫爐中進行退火處理 以消除晶圓中晶格缺陷和內應力，以恢復晶格的完整性。使植入的摻雜原子擴散到替代位置，產生電特性。2

去除氮化硅層用熱磷酸去除氮化硅層，摻雜磷 (P+5) 離子，形成 N 型阱，并使原先的SiO2 膜厚度增加，達到阻止下一步中n 型雜質注入P 型阱中。1

去除SIO2層退火處理，然后用 HF 去除 SiO2 層。4

干法氧化法干法氧化法生成一層SiO2 層，然后LPCVD 沉積一層氮化硅。此時P 阱的表面因SiO2 層的生長與刻蝕已低于N 阱的表面水平面。這里的SiO2 層和氮化硅的作用與前面一樣。接下來的步驟是為了隔離區(qū)和柵極與晶面之間的隔離層。3

光刻技術和離子刻蝕技術利用光刻技術和離子刻蝕技術，保留下柵隔離層上面的氮化硅層。3

濕法氧化生長未有氮化硅保護的 SiO2 層，形成 PN 之間的隔離區(qū)。3

生成SIO2薄膜熱磷酸去除氮化硅，然后用 HF 溶液去除柵隔離層位置的 SiO2 ，并重新生成品質更好的 SiO2 薄膜 , 作為柵極氧化層。3

氧化LPCVD 沉積多晶硅層，然后涂敷光阻進行光刻，以及等離子蝕刻技術，柵極結構，并氧化生成 SiO2 保護層。3

形成源漏極表面涂敷光阻，去除 P 阱區(qū)的光阻，注入砷 (As) 離子，形成 NMOS 的源漏極。用同樣的方法，在 N 阱區(qū)，注入 B 離子形成 PMOS 的源漏極。3

沉積利用 PECVD 沉積一層無摻雜氧化層，保護元件，并進行退火處理。3

沉積摻雜硼磷的氧化層含有硼磷雜質的SiO2 層，有較低的熔點，硼磷氧化層(BPSG) 加熱到800 oC 時會軟化并有流動特性，可使晶圓表面初級平坦化。3

深處理濺鍍第一層金屬利用光刻技術留出金屬接觸洞，濺鍍鈦+ 氮化鈦+ 鋁+ 氮化鈦等多層金屬膜。離子刻蝕出布線結構，并用PECVD 在上面沉積一層SiO2 介電質。并用SOG (spin on glass) 使表面平坦，加熱去除SOG 中的溶劑。然后再沉積一層介電質，為沉積第二層金屬作準備。3

（1）薄膜的沉積方法根據其用途的不同而不同，厚度通常小于 1um 。有絕緣膜、半導體薄膜、金屬薄膜等各種各樣的薄膜。薄膜的沉積法主要有利用化學反應的CVD(chemical vapor deposition) 法以及物理現象的PVD(physical vapor deposition) 法兩大類。CVD 法有外延生長法、HCVD ， PECVD 等。PVD 有濺射法和真空蒸發(fā)法。一般而言， PVD 溫度低，沒有毒氣問題； CVD 溫度高，需達到1000 oC 以上將氣體解離，來產生化學作用。PVD 沉積到材料表面的附著力較CVD 差一些， PVD 適用于在光電產業(yè)，而半導體制程中的金屬導電膜大多使用PVD 來沉積，而其他絕緣膜則大多數采用要求較嚴謹的CVD 技術。以PVD 被覆硬質薄膜具有高強度，耐腐蝕等特點。3

（2）真空蒸發(fā)法（ Evaporation Deposition ）采用電阻加熱或感應加熱或者電子束等加熱法將原料蒸發(fā)淀積到基片上的一種常用的成膜方法。蒸發(fā)原料的分子（或原子）的平均自由程長（ 10 -4 Pa 以下，達幾十米），所以在真空中幾乎不與其他分子碰撞可直接到達基片。到達基片的原料分子不具有表面移動的能量，立即凝結在基片的表面，所以，在具有臺階的表面上以真空蒸發(fā)法淀積薄膜時，一般，表面被覆性（覆蓋程度）是不理想的。但若可將Crambo真空抽至超高真空（