半导体芯片制造技术4.ppt

1、第四章第四章 晶圆制备晶圆制备 晶棒还要经过一系列加工才能形成符合半导体芯 片制造要求的半导体衬底，即晶圆，如图4-1所示。 图4 -1 晶圆 第四章第四章 晶圆制备晶圆制备 第一节晶圆制备工艺 一、截断 图4-2截断 二、直径滚磨 由于晶体生长中直径和圆度的控制不可能很精确， 所以硅棒都要长得稍大一点以进行径向研磨。 图4.3直径研磨 三、磨定位面 单晶体具有各向异性特点，必须按特定晶向进行 切割，才能满足生产的需要，也不至于碎片，所以切 割前应先定向。 定向的原理是用一束可见光或X光射向单晶锭端 面，由于端面上晶向的不同，其反射的图形也不同。 根据反射图像，就可以校正单晶棒的晶向。 一旦晶

2、体在切割块上定好晶向，就沿着轴滚磨出 一个参考面，如图4-4所示。 图4-4定位面研磨 图4-5 硅片的类型标志 四、切片 单晶硅在切片时，硅片的厚度，晶向，翘曲度和 平行度是关键参数，需要严格控制。晶片切片的要求 是：厚度符合要求；平整度和弯曲度要小，无缺损， 无裂缝，刀痕浅。 单晶硅切成硅片，通常采用内圆切片机或线切片 机。 图4-6内圆切片机外形 图4-7 内圆切片示意图 另一种切片方法是线切片，通过粘有金刚石颗粒 的金属丝的运动来达到切片的目的，如图4-8所示。 图4-8 线切片示意图 五、磨片 切片完成以后，对于硅片表面要进行研磨机械加 工。磨片工艺要达到如下的目的: 去除硅片表面的

3、刀疤，使硅片表面加工损伤均匀一 致； 调节硅片厚度，使片与片之间厚度差逐渐缩小；并 提高表面平整度和平行度。 磨片的效果与研磨料、研磨条件、研磨方法和研 磨设备密切相关。 图4-9 磨片前后比较 目前使用得最普遍的是行星式磨片法，如图4-10 所示。 图4-10 行星式磨片法 六、倒角 倒角工艺，如图4-11所示，是用具有特定形状的 砂轮磨去硅片边缘锋利的崩边、棱角、裂缝等。 图4-11 倒角示意图 对硅片倒角可使硅片边缘获得平滑的半径周线， 如图4-12所示，这一步可以在磨片之前或之后进行。 图4-12 倒角后的硅片边缘 倒角目的主要有三个： 1）防止晶圆边缘碎裂 2）防止热应力的集中 3）

4、增加外延层光刻胶层在晶圆边缘的平坦度 七、抛光 抛光是硅片表面的最后一次重要加工工序，也是 最精细的表面加工。抛光的目的是除去表面细微的损 伤层，得到高平整度的光滑表面。 图4-13 抛光前后对比 （一） 抛光工艺概述 抛光工艺可以分为三类： 1机械抛光法 2化学抛光法 3化学机械抛光法 图4-14 抛光机的结构 （二）抛光工艺后的表面粗糙度测量 抛光后需要用原子显微镜对晶圆表面粗糙度进行 相应测量，说明表面粗糙度的参数有以下几个： 1TTV（Total Thickness Variation） 2TIR（Total Indicator Reading） 3FPD（Focal Plan Dev

5、iation） 第二节 晶圆清洗、质量检测及包装 一、晶圆清洗 （一）硅片沾污杂质种类 1.分子型杂质 2.离子型杂质 3.原子型杂质 （二） 清洗步骤 清洗硅片的一般步骤为：去分子 去离子 去 原子 高纯水清洗。 二、晶圆质量检测 对硅片测量来说，硅片的均匀性是关键的。重 要的硅片质量要求如下所示： 1.物理尺寸 为了达到芯片生产中器件制造的要求，以及适 合硅片制造厂自动传送设备的要求，硅片必须规定 物理尺寸。在硅片的制备中，尺寸控制包括许多测 量，例如直径、厚度、晶向位置和尺寸、定位边和 硅片形变。图4-18表示了一种硅片变形。造成硅片 变形最可能的原因是切片工艺。 图4-18 硅片变形

6、2.平整度 平整度是硅片最主要的参数之一，主要是因为 光刻工艺对局部位置的平整度是非常敏感的。硅片 平整度是指在通过硅片的直线上的厚度变化。它是 通过硅片的上表面和一个规定参考面的距离得到的。 对一个硅片来说，如果它被完全平坦地放置，参考 面在理论上就是绝对平坦的背面，比如利用真空压 力把它拉到一个清洁平坦的面上，如图4-19所示， 平整度可以规定为硅片上一个特定点周围的局部平 整度，也可以规定为整体平整度，它是在硅片表面 的固定质量面积（FQA）上整个硅片的平整度。固定 质量面积不包括硅片表面周边的无用区域。测量大 面积的平整度要比小面积难控制。 图4-19 硅片的表面平整度 3.微粒粗糙度

7、 微粗糙度是实际表面同规定平面的小数值范围 的偏差，它有许多小的距离很近的峰和谷，它是硅 片表面纹理的标志。表面微粗糙度测量了硅片表面 最高点和最低点的高度差别，它的单位是纳米。粗 糙度的标准是用均方根来表示的，它是规定平面所 有测量数值的平方的平均值的平方根。这是一个用 来确定最可能的测量数据的普通统计方法。硅片表 面微粗糙度是用光学形貌分析仪测量的。对芯片制 造来讲，表面微粗糙度的控制非常重要，这是因为 在器件制造中，它对硅片上非常薄的介质层的击穿 有着负面影响。 4.氧含量 控制硅锭中的氧含量水平的均匀性是非常重要 的，而且随着更大的直径尺寸，难度也越来越大。 少量的氧能起到俘获中心的作

8、用，它能束缚硅中的 沾染物。然而，硅锭中过量的氧会影响硅的机械和 电学特性。例如，氧会导致P-N结漏电流的增加，也 会增大MOS器件的漏电流。 硅中的氧含量是通过横断面来检测的，即对硅 晶体结构进行成分的分析。一片有代表性的硅被放 在环氧材料的罐里，然后研磨并抛平使其露出固体 颗粒结构。用化学腐蚀剂使要识别的特定元素发亮 或发暗。样品准备好后，使用透射电镜（TEM）描述 晶体的结构，目前硅片中的氧含量被控制在24到 33ppm。 5.晶体缺陷 为了使前面讨论的各种晶体缺陷减到最少，必 须对硅片加以控制。目前要求每平方厘米的晶体缺 陷少于1000个。横断面技术是一种控制晶体体内微 缺陷的方法。

9、6.颗粒 硅片表面颗粒的数量应该加以控制，使在芯片 制造中的成品率损失降到最低。减少颗粒的主要方 法是在硅工艺中尽量减少颗粒的产生，并且采用有 效的清洗步骤去除颗粒。典型的硅片洁净度规范是 在200mm的硅片表面每平方厘米少于0.13个颗粒。测 量到的颗粒尺寸要大于或等于0.08微米。 三、包装 硅片供应商必须仔细地包装要发货给芯片制造 厂的硅片。如果硅片在运输中或者被包装的材料损 坏，前面的努力就会白费。硅片一般叠放在有窄槽 的塑料片架上以支撑硅片，如图4-20所示。 图4-20 硅片塑料片架 四、追求更大直径晶圆的原因 晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产 更多的芯片。比如，同样使用0

10、.13微米的制程在 200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而 使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心， 300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍， 出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm 晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因 此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所 喜欢的。 然而，晶圆具有的一个特性却限制了生产商随 意增加晶圆的尺寸，那就是在芯片生产过程中，离 晶圆中心越远就越容易出现坏点，因此从晶圆中心 向外扩展，坏点数呈上升趋势。另外更大直径晶圆 对于单晶棒生长以及芯片制造保持良好的工艺控制 都提出了更高的要求，这样我们就无法随心所欲地 增大晶圆尺寸。