單晶硅片的制造技術

集成電路(IC)是現代信息產業的基礎。IC所用的材料主要是硅、諸和碑化嫁等,全球90%以上IC都采用硅片。制造IC的硅片,不僅要求具有極高的平面度和極小的表面粗糙度,而且要求表面無變質層、無劃傷。目前硅單晶制備技術可使晶體徑向參數均勻,體內微缺陷減少,0.1~0.3um大小的缺陷平均可以少于0.05個/cm2;對電路加工過程中誘生的缺陷理論模型也有了較為完整的認識,由此發展了一整套完美晶體的加工工藝。此外,隨著半導體工業的飛速發展,為滿足現代微處理器和其它邏輯芯片要求,一方面,為了增大芯片產量,降低單元制造成本,要求硅片的直徑不斷增大;另一方面,為了提高IC的集成度,要求硅片的刻線寬度越來越細。IC制造技術已經跨入0.13和300mm時代,這對單晶硅片的制造技術提出了新的要求。

1硅片直徑及集成電路的發展趨勢

按照美國半導體工業協會(SIA)提出的微電子技術發展構圖,到2008年,將開始使用直徑450mm的


硅片(硅片直徑的發展趨勢如圖1所示),實現特征線寬0.07pm,硅片表面總厚度變化(TTV)要求小于0.2um,硅片表面局部平整度(SFQD)要求為設計線寬的2/3,硅片表面粗糙度要求達到納采和亞納米級,芯片集成度達到9000萬個晶體管/cm2等。目前,一個芯片上可集成幾億個元件,集成電路集成水平的發展趨勢如表1。

隨著硅片直徑增大,為了保證硅片具有足夠的強度,原始硅片(primarywafer)的厚度也相應增加,目前200mm直徑硅片的平均厚度700p300mm直徑硅片平均厚度已增加到775pm。與此相反,為滿足IC芯片封裝的需要、提高IC尤其是功率IC的可靠性、降低熱阻、提高芯片的散熱能力和成品率,就要求芯片厚度薄型化,芯片的平均厚度每兩年減小一半。目前芯片厚度已減小到100-200pm,智能卡、MEMS、生物醫學傳感器等IC芯片厚度已減到100pm以下。高密度電子結構的三維集成和立體封裝芯片更是需要厚度小于50um超薄的硅片。硅片直徑、厚度以及芯片厚度的變化趨勢如圖2所示。硅片直徑和厚度的增大以及芯片厚度的減小給半導體加工帶來許多突出的技術問題:硅片直徑增大后,加工中翹曲變形,加工精度不易保證:原始硅片厚度增大以及芯片厚度的減薄,使硅片背面減薄加工的材料去除量增大,提高加工效率成為一個麗待解決的問題;此外,隨著直徑的加大和減薄后厚度的減小,脆性的硅片在裝夾和加工中很容易發生碎裂,加工的難度加大。因此,直徑≥300mm硅片的加工工藝和設備不再是對200mm以下硅片加工工藝和設備的簡單放大,而是發生了質的變化,現有的小尺寸硅片加工工藝和設備已不再適用,面臨嚴峻的挑戰。



2 單晶硅片的加工工藝

集成電路制造過程共分4個階段:單晶硅片制造→前半制程→硅片測試→后半制程。整個過程中要應用到微細加工和超精密加工等先進制造工藝和設備,而其中硅片的超精密加工(包括超精密磨削、研磨和拋光)工藝和設備在IC制造過程中具有重要作用,是IC制造的關鍵技術。

在單晶硅片制備階段,需要將硅單晶棒加工成具有高面型精度和表面質量的原始硅片或光片(barewa-fer),為IC前半制程中的光刻等工序準備平坦化超光滑無損傷的襯底表面。對直徑≤200mm的硅片,傳統的硅片加工工藝流程為:單晶生長→切斷→外徑滾磨→平邊或V型槽處理→切片→倒角→研磨→腐蝕→拋光→清洗→包裝。

多晶硅長晶法即長成單晶硅棒法有兩種:直拉法(CZ)和浮融法(FZ)。其中CZ法占了約85%。CZ法所以比FZ法更普遍被半導體工業采用,主要在于它的高氧含量提供了晶片強化的優點,另一方面是CZ法比FZ法更容易生產出大尺寸的單晶硅棒。

切斷:目的是切除單晶硅棒的頭部、尾部及超出客戶規格的部分,將單晶硅棒分段成切片設備可以處理的長度,切取試片測量單晶硅棒的電阻率、含氧量。外徑磨削:由于單晶硅棒的外徑表面并不平整且直徑也比最終拋光晶片所規定的直徑規格大,通過外徑滾磨可以獲得較為精確的直徑。

平邊或V型槽處理:指定向基準平面加工,用單晶硅捧上的特定結晶方向平邊或V型槽。

切片:指將單晶硅棒切成具有精確幾何尺寸的薄品片。

倒角:指將切割成的晶片銳利邊修整成圓弧形,防止晶片邊緣破裂及品格缺陷產生

研磨:指通過研磨除去切片和輪磨所造成的鋸痕及表面損傷層,有效改首單品硅片的翹曲度,平坦度與平行度,達到一個拋光過程可以處理的規格。

硅片研磨加工質量直接影響到其拋光加工質量及拋光工序的整體效率,甚至影響到IC的性能。硅片研磨加工模型如圖3所示,單晶硅屬于硬脆料料,對其進行研磨,磨料具有滾軋作用和微切削作用,材料的破壞以微小破碎為主,要求研磨加工后的理想表面形態是由無數微小破碎痕跡構成的均勻無光澤表面。硅片研磨時,重要的是控制裂紋的大小和均勻程度。



腐蝕:指經切片及研磨等機械加工后,晶片表面受加工應力而形成的損傷層,通常采用化學腐蝕去除。拋光:指單晶硅片表面需要改善微缺陷,從而獲得極高平坦度、極小表面粗糙度值的晶片表面,并要求表面無變質層、無劃傷的加工工藝。拋光的方式包括粗拋,主要作用是去除損傷層,般去除量約在10~20um;精拋,主要作用是改善晶片表面的微粗糙程度,一般去除量在1pm以下。


目前采用濕式機械化學拋光法進行硅片的最終拋光加工,即通過硅表面氧化膜同軟質拋光粉所進行的固相反應進行拋光加工。硅片的機械化學拋光原理如圖4所示,它采用粒徑為0.01

粉在弱堿性溶液中均勻混合的膠狀液作研磨劑,在高速高壓拋光條件下,拋光布與硅片之間形成封閉的拋光劑層。同時,在硅片表面形成軟質水合膜,拋光盤通過不斷去除水合膜進行硅片的拋光。但是,一旦拋光過程水合膜發生破裂,在硅片表面會產生加工缺陷。不過,這種缺陷可以通過清洗和用去除自然氧化膜的水溶液浸蝕等措施加以消除。



清洗:在單晶硅片加工過程中很多步驟需要用到清洗,這里的清洗主要是拋光后的最終清洗。清洗的目的在于清除晶片表面所有的污染源。

3 大直徑硅片的制造技術

當硅片直徑加大(≥300mm)后,傳統加工工藝在面型精度和生產效率等方面的缺點將更加突出。一方面,加工大直徑硅片時,研磨和拋光盤尺寸需要相應加大,而大尺寸的研磨盤很難達到很高的面型精度;另一方面,硅片厚度增大使材料去除量增加,而每盤加工大直徑硅片的數量有限,因而使硅片的產量減少。由于硅片傳統加工工藝存在上述缺點,人們開始研究新原理的加工技術,以改進工藝,適應大直徑硅片的辦工。主要的改進表現在:用多線鋸代替內圓金剛石鋸片切割;基于固結磨料加工原理的超精密磨削代替研磨和

·腐蝕;單片CMP代替多片CMP等。硅片的超精密磨削與研磨相比具有加工效率高,成本低,可獲得高面型精度和表面質量,易實現加工過程在線檢測、控制以及加工過程自動化等優點。目前廣泛采用杯形金剛石砂輪端面磨削,其中最具代表性的硅片超精密磨削技術是旋轉工作臺磨削(圖5a)和硅片自旋轉磨削(圖5b)。硅片自旋轉磨削法采用略大于硅片的工件轉臺,硅片通過真空吸盤保持在工件轉臺的中心,杯形金剛石砂輪工作面的內外圓周中線調整到硅片的中心位置,硅片和砂輪繞各自的軸線回轉,進行切入磨削。磨削深度(與砂輪軸向進給速度f和硅片轉速n,關系為

tW=f/nW             (1)

硅片自旋轉磨削法的優點:


(1)可實現延性域磨削。在加工脆性材料時,當磨削深度小于某一臨界值時,可以實現延性域磨削。對于自旋轉磨削,由公式(1)可知,對給定的軸向進給速度,如果工作臺的轉速足夠高,就可以實現極微小磨削深度。

(2)可實現高效磨削。由公式(1)可知,通過同時提高硅片轉速和砂輪軸向進給速度,可以在保持與普通磨削同樣的磨削深度情況下,達到較高的材料去除率,適用于大余量磨削。

(3)砂輪與硅片的接觸長度、接觸面積、切人角不變,磨削力恒定,加工狀態穩定,可以避免硅片出現中凸和塌邊現象。

(4)磨床只有沿磨削主軸方向的進給運動,有利于提高機床的剛度。

(5)通過調整砂輪軸線和工件軸線之間的夾角,可以補償由于機床變形引起的砂輪軸線和工作臺軸線不平行。

(6)砂輪轉速遠高于硅片轉速,因此砂輪的磨損對硅片平整度的影響小。

(7)自旋轉磨削每次加工一個硅片,磨削進給不受硅片與硅片間加工余量不均勻的限制。


由于上述優點,目前,基于硅片自旋轉磨削原理的超精密磨削技術成為硅片特別是直徑200mm以上的大尺寸硅片制造和背面減薄普遍采用的加工技術。

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