芯片制造-半导体工艺教程(7)

芯片制造-半导体工艺教程

晶体准备

截断

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。第一部是用锯子截掉头尾。

直径滚磨

在晶体生长过程中，整个晶体长度中直径有偏差（图3.14）。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。 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，无需用一个固定的中心点夹持晶体在车床型的滚磨机上。

晶体定向，电导率和电阻率检查

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。

晶体定向（图3.15）是由X射线衍射或平行光衍射来确定的。在两种方法中，晶体的一端都要被腐蚀或抛光以去除损伤层。下一步晶体被安放在衍射仪上，X射线或平行光反射晶体表面到成像板（X射线）或成像屏（平行光）。在成像板或成像屏上的图案显示晶体的晶面（晶向）。在图3.15显示的图案代表<100>晶向。

许多晶体生长时有意偏离重要的<100>和<100>晶面一点角度。这些偏晶向在晶圆制造过程中会带来很多好处，特别是在离子注入工艺中，原因会在工艺应用章中涉及到。

晶棒粘放在一个切割块上来保证晶圆从晶体正确的晶向切割。

由于晶体是经过掺杂的，一个重要的电学性能检查是导电类型（N或P）来保证使用了正确的掺杂物。热点探测仪连接到极性仪用来在晶体中产生空穴或电子（和类型相关），在极性仪上显示导电类型。

进入晶体的掺杂物的数量由电阻率测量来确定，使用四探针仪。见13章此测量技术的描述。在第2章（图2.7）讲到的曲线表示了电阻率和N型P型硅掺杂含量的关系。

由于在晶体生长工艺中掺杂量的变异，电阻率要延着晶体的轴向测量。这种变异导致晶圆进入几个电阻率规格范围。在后面的工序，晶圆将根据电阻率范围分组来达到客户的规格要求。

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滚磨定向指示

一旦晶体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出一个参考面（图3.16）。这个参考面将会在每个晶圆上出现，叫做主参考面。参考面的位置延着一个重要的晶面，这是通过晶体定向检查来确定的。 在制造工艺中，参考面对晶向起可见的参考作用。它用来放置第一步的光刻图案掩膜版，所以芯片的晶向总是沿着一个重要的晶面。 在许多晶体中，在边缘有第二个较小的参考面。第二个参考面对于主参考面的位置是一种代码，它不仅用来区别晶圆晶向而且区别导电类型。这种代码在图3.17中显示。

对于大直径的晶圆，在晶体上滚磨出一个缺口来指示晶向。

切片

用有金刚石涂层的内圆刀片把晶圆从晶体上切下来（图3.18）。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。这些因素减少刀口（切割宽度）尺寸，也就减少一定数量的晶体被切割工艺所浪费。

对于300毫米直径的晶圆，使用线切割来保证小锥度的平整表面和最少量的刀口损失。

第三章 晶圆制备--3 by r53858

晶圆刻号

大面积的晶圆代在晶圆制造工艺中有高价值，区别它们是防止误操作所必需的，并且可以保持精确的可追溯性。使用条形码和数字矩阵码（图3.19）的激光刻号被采用了。3对300毫米的晶圆，激光点是一致认同的方法。

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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尺度的制造器件的表面和次表面层。它们的尺度在0.5到2微米之间。为了获得半导体器件相对尺寸的概念，想象图3.20的剖面和房子一样高，大概8英尺，在那个范围内，在晶圆的工作层都存在顶部一到二英寸或更小的区域。 平整度是小尺寸图案是绝对的必要条件（见11章）。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，投影将会扭曲就象电影图像在不平的银幕上没法聚焦一样。

平整和抛光的工艺分两步：磨片和化学机械抛光（图3.21）。磨片是一个传统的磨料研磨工艺，精调到半导体使用要求。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（CMP）

最终的抛光步骤是一个化学腐蚀和机械磨擦的结合。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的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。抛光垫机以持续的机械磨擦作用去除氧化物，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（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格和控制抛光时间、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。

化学机械抛光是业界发展起来的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。在这个应用中，CMP被翻译成化学机械平面化（Planarization）。具体CMP使用的解释在12章。

背处理

在许多情况下，只是晶圆的正面经过充分的化学机械抛光。背面留下从粗糙或腐蚀到光亮的外观。对于某些器件的使用，背面可能会受到特殊的处理导致晶体缺陷，叫做背损伤。背损伤产生位错的生长辐射进入晶圆，这些位错起象是陷阱，俘获在制造工艺中引入的可移动金属离子污染。这个俘获现象又叫做吸杂（图3.22）。背面喷沙是一种标准的技术，其它的方法包括背面多晶层或氮化硅的淀积。

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双面抛光

对大直径晶圆许多要求之一是平整和平行的表面。许多300毫米晶圆的制造采用了双面抛光，以获得局部平整度在25´25毫米测量面时小于0.25微米到0.18微米的规格要求。4缺点是在后面的工序中必须使用不划伤和不污染背面的操作技术。

边缘倒角和抛光

边缘倒角是使晶圆边缘圆滑的机械工艺（图3.23）。应用化学抛光进一步加工边缘，尽可能的减少制造中的边缘崩边和损伤，边缘崩边和损伤能导致碎片或是成为位错线的核心。

晶圆评估

在包装以前，需要根据用户指定的一些参数对晶圆（或样品）进行检查。图3.24列举了一个典型的规格要求。 主要的考虑是表面问题如颗粒，污染和雾。这些问题能够用强光或自动检查设备来检测出。

氧化

晶圆在发货到客户之前可以进行氧化。氧化层用以保护晶圆表面，防止在运输过程中的划伤和污染。许多公司从氧化开始晶圆制造工艺，购买有氧化层的晶圆就节省了一个生产步骤。氧化工艺在第7章解释。

包装

虽然花费了许多努力生产高质量和洁净的晶圆，但从包装方法本身来说，在运输

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到客户的过程中，这些品质会丧失或变差。所以，对洁净的和保护性的包装有非常严格的要求。包装材料是无静电、不产生颗粒的材料，并且设备和操作工要接地，放掉吸引小颗粒的静电。晶圆包装要在洁净室里进行。

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