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300毫米半导体硅片是怎样炼成的

300毫米半导体硅片是怎样炼成的

半导体硅片对中国半导体制造业界来说并非什么新鲜事,中国在上世纪六七十年代就已经可以生产2~3英寸(直径50~75毫米) 半导体硅片,供应上大体能自给自足。此后,国内在4~5英寸(直径100~125毫米)半导体硅片的生产上也取得了一定的成绩,到本世纪初,已经可以生产一定数量的8~12英寸(直径200~300毫米)的硅片样本,但非常可惜的是,目前国内主流的8~12英寸半导体芯片生产厂商,还没有在规模生产上采用国内自制的硅片,中国半导体硅片市场几乎100%为日本、美国等国外厂商所垄断。

和中国的半导体芯片设计及制造业的发展步伐相比较,中国的半导体硅片制造业和世界先进水平的差距没有缩小,反而拉大了。和中国国内近十年来发展起来的半导体制造设备业相比较,中国的半导体硅片制造业几乎是停滞不前。主要由于美国Intel 公司和韩国三星电子的推动,硅片制造业正在向18英寸(直径450毫米)时代迁移,预计到2020年左右,18英寸硅片将可实现批量生成(图1)。如果在未来五年,中国国内还没有能力大规模自行生产商用300毫米硅片的能力,中国和国际先进水平的差距将拉大到25年以上,国内所谓的半导体生产要实现“自主可控”的意愿还将只是一厢情愿。

面对风云变幻的国际形势,一旦海外供应商因外交、政治等原因而中断硅片供应,中国投入了上千亿美元建设起来的半导体芯片制造业随时都可能面临“无米之炊”的尴尬局面。正如石油和煤是整个工业的基础一样,硅片是整个半导体工业的基础。因此,迅速扭转中国半导体硅片制造业的落后局面是中国半导体工业的当务之急。本文是有关半导体硅片生产技术和市场竞争系列文章的首篇,重点介绍300毫米半导体硅片制造工艺,以帮助读者了解半导体硅片生产的主要环节和相关技术。

硅(Si)是目前最重要的半导体材料,全球超过99%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底功能材料而生产出来的。在可预见的未来,还没有其它材料(如石墨烯等)可以替代硅的地位。超纯硅片(高于9N的电子级标准)实际上只用于半导体芯片制造业, 硅片的出货量和半导体芯片和器件的发展规模呈同步发展趋势。能否生产大直径超纯单晶硅锭和硅片,标志着一个国家的半导体电子工业发展水平(图2)。

图3显示了200-300毫米半导体硅片的生产流程。其中原料准备阶段一般采用高纯(9N以上)的块状多晶硅料以及高纯掺杂元素(P型硅片掺硼,N型硅片掺磷)。少数厂商采用块状多晶硅料和颗粒状多晶硅的混合料,以提高装料填充效率。

拉晶是整个半导体硅片生产中的一个重中之重的关键工艺。这一工艺是波兰化学和冶金专家Jan Czochralski在上世纪初发明的,故又称CZ法。1952年CZ法被用于生长单晶硅,并在随后的几年里得以完善,从1958年开始,被大量应用于硅单晶的生长。整个拉晶过程又包括多晶熔化(1415摄氏度)、引晶、长晶、收肩等步骤。一般长一炉单晶硅锭要花好几天的时间。拉晶过程的热场、生长速度的控制直接关系到单晶的质量(缺陷密度越小,质量越高)。此外,由于拉晶炉系统中要用到石英(SiO2)、石墨(碳)等材料,因此,防止氧、碳等元素在长晶过程中被晶体吸收是一个非常重要的工艺控制环节。

切断和外径滚磨是晶锭研磨成具有精确直径的单晶棒,再沿单晶棒的晶轴方向滚磨出主、次参考面,为了精确控制直径,一般采用酸性腐蚀液体进行滚磨。这一过程也称为减径。随后就是把处理好的单晶棒进行切片,也就是把硅单晶棒切成所需形状、厚度的硅圆片。切片分外圆切片、超声切片、电子束切片和内圆切片等。目前300毫米的切片一般采用线切割,以降低所谓的kerf loss(刀刃切口上的材料损耗)。

倒角工艺是可以减少硅片边缘碎裂所引起的表面质量下降的问题,也有助于解决因光刻涂胶和外延的边缘凸起等引起的问题。倒角方法有磨削、喷砂、化学腐蚀和恰当的抛光等,较普遍采用的是用倒角机以成型的砂轮磨削硅片边缘,直到硅片边缘形状与轮的形状一致为止(图4)。随后的激光标记是为了对硅片的后续工艺(包括客户芯片制造工艺)进行跟踪,一旦生产过程发现问题,这些激光标记信息有助于了解硅片生产的日期、产地等。

研磨,也称磨片或硅片平整,是在研磨机上(图5),用白刚玉或金刚砂等配制的研磨液将硅片研磨成具有一定厚度和光洁度的工艺。研磨又有单面研磨和双面研磨两种方式。研磨的主要目的是去除因切片而产生的硅片表面损伤并使硅片达到所要求的平整度。

腐蚀清洗,也称减薄腐蚀,目的是除去切磨后硅片表面的损伤层和沾污层,改善表面质量和提高表面平整度。化学腐蚀法有篮式、桶式、旋转杆式和盒式,采用氢氟酸、硝酸和冰醋酸的混合液从硅片两侧腐蚀掉一定的厚度。图6显示了硅片腐蚀清洗前后表面机械损伤的情况,腐蚀清洗的效果是非常明显的。

为了制备合乎器件和集成电路制作要求的硅片表面,硅片腐蚀清洗后还必须进行抛光(图7),以除去残留的损伤层并获得一定厚度的高平整度的镜面硅片。抛光分机械抛光、化学抛光、电子束抛光、离子束抛光等,较普遍采用的是化学机械抛光。化学机械抛光是化学腐蚀和机械磨削同时进行,分为铜离子抛光、铬离子抛光和普遍采用的二氧化硅胶体抛光。二氧化硅胶体抛光是由极细的二氧化硅粉、氢氧化钠(或有机碱)和水配制成胶体抛光液。抛光后的硅片还要在做一次清洗以去除硅片表面的有机物杂质和氧化物杂质等。清洗一般采用标准的RCA湿法清洗工艺。根据客户的要求,有些硅片在清洗后还要生长一层外延层(特定掺杂的N+或P+型单晶硅薄层),外延生长采用外延炉,这是一种特制的CVD反应炉。

在硅片包装之前,硅片还必须通过一系列电子和光学检测步骤。硅抛光片的检测,包括目检、几何尺寸检测和热氧化层错检测等。目检是在正面高强度光或大面积散射光照射下目测抛光片上的原生缺陷和二次缺陷。这些缺陷包括边缘碎裂、沾污、裂纹、弧坑、鸦爪、波纹、槽、雾、嵌入磨料颗粒、小丘、桔皮、浅坑、划道、亮点、退刀痕和杂质条纹等。

几何尺寸的检测包括硅片的厚度、总厚度变化、弯曲度和平整度的检测。厚度为硅片中心上、下表面两个对应点之间的距离;总厚度变化为同一硅片上厚度最大值与最小值之差;弯曲度为硅片的中线面与参考平面之间距离的最大值与最小值之差;平整度指硅片表面上最高点与最低点的高度差,用总指示读数表征。

硅片的热氧化层错检测是指硅抛光片表面的机械损伤、杂质沾污和微缺陷等在硅片热氧化过程中均会产生热氧化层错,经择优腐蚀后,在金相显微镜下观测热氧化层错的密度,以此鉴定硅片表面的质量。

在完成所有这些工艺步骤后,硅片就可以进行包装(真空或惰性气体保护),在特定的温湿度下进行存储,然后(一般)通过空运送到客户工厂。

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