矽晶圓材料製造技術详解.docVIP

微電子材料與制程【第三章 矽晶圓材料製造技術】 3-1 前　言 `( o- j( _1 L i3 ]; R矽晶圓(Silicon Wafer)材料之所以在諸多元素或化合物半導體材料中脫穎而出，成為超大型積體電路(ULSI)之基材，其原因大致可歸納為以下兩項。 O6 b: K1 _+ ^7 h6 P* ?1 l5 v b( Q! S( a9 M7 g$ @. c(1) 矽元素乃地球表面存量豐富的元素之一，而其本身的無毒性，以及具有較寬的能階差(Bandgap)，則是早期半導體界捨鍺而轉向矽的重要考量，同時矽與氧形成一穩定的鈍態層(Passivation Layer)之二氧化矽則是積體電路重要的元件電路設計，然而在高頻需求的元件設計上，矽材料則沒有如化合物半導體、砷化鎵般的具有高電子游動性(Electron Mobility)而受到青睞，尤其間接能階差的矽更無法提供光電元件(Optoelectronic Device)的素材，而由其他直接能階差的材料，如砷化鎵所取代。 % w??A; g; H3 U b1 F6 Y* X) i. E+ y7 S??F(2) 從製造成本的考量上，目前絕大部份的積體電路用的晶圓，均由所謂的柴氏法(Czochralski Method)成長單晶，早在五○、六○年代曾有各種推測以浮融帶長晶法(Floating Zone Method)或直接以氣相的矽化物與氫氣還原而附著析出方式成長矽單晶，然而均由於生產的晶圓材料強度考量（氧含量過低，以致於無法與矽形成固溶或析出強化機構）或生產經濟效益的無法突破，而逐步放棄這些單晶成長方法。因此以熔融固化方式的柴氏法在其不斷的理論模擬與設備及製程控制的改善上，已成為成長大尺吋晶圓的主流。 8 f# p7 C) R8 {% J- n% b) v+ F$ ^??^% N: Z三十多年來，積體電路用矽晶圓從直徑25 mm逐漸演變到今日的主流產品－200 mm矽晶圓，以致於本世紀末前，已由有半導體業界達成共識的下一世代尺寸－300mm矽晶圓。其每一種直徑之開始量產年代如圖3-1所示，以200 mm直徑晶圓為例，於1988年首度投入生產，而96年正值高峰期，預計此一尺吋產品可維持至下一個世紀仍被採用，就如同目前100 mm至150 mm產品仍持續存在一般的週期。 o5 B/ L1 } F1 |8 s3 {) ?5 S, e2 ]* c* e: n) F??E矽晶圓材料的製造技術隨著直徑之增大而愈趨複雜，除了單晶成長的研發之外，在相關的加工成形、拋光、清洗等下游配合的製程，更由於IC業者愈趨精密及複雜的元件設計與製造之趨動下，而需更長時間的開發與突破。 l0 I, {: {5 @3 v t: h6 `5 A3-2 多晶矽原料 ! [9 m( r% s/ V; }製造矽單晶之起始原料仍然是矽元素，它是從一高純度(99.999999999%)的多晶矽(Polysilicon)於石英坩鍋中加熱熔融後，以柴氏法自液相轉成固相的單晶結構，同時於此製程中控制結晶方位(Orientation)、阻值及各種不純物之含量。以下將簡介多晶矽原料之製程及設備。 9 |/ @ Z- H# e7 { x8 ^) _/ n如前言所述，矽元素乃地球表面含量極豐富的元素，祇是它乃以矽砂（二氧化矽）的狀態存於地表，自此矽砂中將矽還原出來，為製造高純度多晶矽的第一步。生產過程將矽砂、焦碳(Coke)、煤(Coal)及木屑等原料混合置於一石墨電弧沈浸(Submerged)之加熱還原爐中於1500~2000℃高溫加熱，將氧化矽還原成矽，此時矽之純度約98%左右，此一冶金提煉之矽，即稱為冶金級矽(Metallurgical-grade Si)，此一純度之多晶尚需進一步純化，以達半導體業規格之要求。其化學反應與製程分別如下： {6 ~7 \ `8 `, ^: H d1 ]??~3 `3 M$ K* @5 H(1) 鹽酸化(Hydrochlorination)－將冶金級的多晶塊置於流床(Fluidized-bed)反應器中，通入鹽酸氣以形成三氯化矽(Trichlosilane, TCS)，如下式反應： $ J8 l- ?4 w u; E6 s3 y) ?* r) l! n5 \- l% a1 B2 Y? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ? (3-1) 9 o) X3 ?( N2 Q6 L% d# v6 p??[9 ^0 |2 T+ X: N$ } s(2) 蒸餾(Distillation)－此步驟將上式低沸點之生成產物－TCS置於蒸餾塔中，將其他不純物（以金屬鹵化狀態存在）予以部份蒸餾去除之。 ( w8 H H2 q) N `8 w7 {