我們所講的半導(dǎo)體制造，它的載體一定是晶圓(Wafer)，這個(gè)東西是怎么來的？我們今天就來好好講講。
前面講N-Si和P-Si摻雜的時(shí)候講過了，我們的Si一定都是單晶晶格的，而摻雜的原子必須跑到它的晶格上與Si形成共用電子對(duì)的共價(jià)鍵后多出電子或空穴而參與導(dǎo)電，如果我們用了多晶或者非晶，這些沒有規(guī)律的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致我們無法掌控他的載流子遷移率所以無法控制它的電性，所以我們的wafer一定要是是Si的單晶。當(dāng)然晶體的結(jié)構(gòu)分三種：非晶(Amorphous)、多晶(Polycrystalline)、單晶(single crystalline)。非晶就是沒有規(guī)則沒有重復(fù)的結(jié)構(gòu)，單晶是指晶體結(jié)構(gòu)一致性且長(zhǎng)程有序，而多晶顧名思義就是小范圍內(nèi)有順序，而大范圍內(nèi)無序，所以是短程有序。分別如下圖。
現(xiàn)在我們來講講，為什么用為什么用沙子做為原材料來制備晶圓？選擇沙子的主要原因是因?yàn)樯匙拥闹饕煞质荢iO2，而半導(dǎo)體的原材料就是硅(Si)，所以直接從沙子里面提取就可以了。其次是他便宜，因?yàn)樗≈槐M用之不竭，沙子到處都是吧。而且Si在地球的元素含量?jī)H次于氧，多的很呢。當(dāng)然為什么后面又發(fā)展到GaAs、SiGe、GaN？我后面再講，主要是因?yàn)榻麕挾取?/p>
先簡(jiǎn)單講下硅(Si)的特性吧，臺(tái)灣的教材叫做“矽”。英文名叫Silicon。原子序號(hào)為14，原子量為28。在晶格中Si-Si鍵的長(zhǎng)度是2.352A，固體密度是2.33g/cm3，熔點(diǎn)是1414C，正四面體結(jié)構(gòu)。說起晶格，自然就有晶向和晶面的概念，我們的半導(dǎo)體晶向有<100>，<110>和<111>三種晶向，晶面自然就有[100]，[110]和[111]三種，分別如下圖所示。所以沿著晶向(正對(duì)著晶面)的放下看下去你看到的原子排布是不一樣的(想象下立方體各個(gè)角度看到的頂點(diǎn))，如果用蝕刻去吃Si，所以在每個(gè)面沿著晶格吃下去的凹坑也會(huì)不一樣了(這就是為什么有各種各樣的晶格缺陷)，如下圖所示。
上面講的完整的晶格，當(dāng)然很多情況下晶格都是有缺陷的，有Si脫離晶格進(jìn)入間隙，有雜質(zhì)不在晶格上而在間隙里(interstitial)，當(dāng)然多個(gè)缺陷在一起那就是錯(cuò)位了(dislocation)，比如層錯(cuò)、位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)(stacking faults)等等。而這些dislocation都是將來俘獲載流子的中心(Trapping center)導(dǎo)致載流子壽命降低而影響電性或產(chǎn)生漏電。
如何從沙子到硅(Si)？雖然我們嘴巴上說硅片是從沙子來的，但是這期間的艱難又有誰(shuí)人知啊？簡(jiǎn)單點(diǎn)講就是要提純成多晶硅，然后再用多晶硅為原材料制造單晶硅。
1. 多晶硅提純：
先是沙子(SiO2)與碳在高溫下(2000C)置換反應(yīng)，生成硅和CO2。此時(shí)的硅為冶金級(jí)別的(MGS: Metallic Grade Silicon)，也就是粗制的多晶硅。
然后再用MGS的硅與HCl在300C下反應(yīng)生成TCS(SiHCl3)，然后經(jīng)過過濾和冷凝可以得到純度為99.99999%的液態(tài)SiHCl3/TCS，這樣就完成了提純(purifier)的動(dòng)作。
接下來用提純的TCS與H2在1100C下反應(yīng)，生成電子級(jí)別的(EGS: electric grade silicon)多晶硅和HCl，注意此時(shí)雖然有高溫但是還是多晶硅。(用H2通入液態(tài)的SiHCl3里面，所以H2既作為反應(yīng)氣體，也作為SiHCl3的攜帶氣體/Carrier gas)
2. 單晶硅制作：因?yàn)榫w的生長(zhǎng)一定需要有一個(gè)子晶(seed)，需要沿著子晶的晶向繼續(xù)生長(zhǎng)，所以我們需要有個(gè)坩堝(Quartz Crucible)盛裝要熔融的多晶硅，待多晶在坩堝中熔化后，再將子晶放入坩堝中勻速轉(zhuǎn)動(dòng)并且向上提拉，則熔融的硅會(huì)沿著子晶晶向長(zhǎng)成一個(gè)圓柱體的硅錠(ingot)。這種方法就是現(xiàn)在一直在用的CZ法(Czochralski)，也叫單晶直拉法。當(dāng)然還有一種方法叫區(qū)熔法(FZ, Floating Zone)，以前在6寸時(shí)候見過，據(jù)說因?yàn)闆]有坩堝了，所以因坩堝引入的雜質(zhì)比較少，但價(jià)格比較昂貴，且無法做大尺寸，僅用于高壓器件制作。
如何從硅錠到每一片硅片？
1. 切邊/切槽:我們的wafer都有個(gè)Notch (6寸是平邊/flat)，這個(gè)是在ingot做好的時(shí)候就要切好的，切成片就沒法做了。這個(gè)notch或平邊不是隨便切的哦，它必須沿著<110>向切，所以Wafer規(guī)格上規(guī)定Notch orientation為110+/-1deg。還有notch的深度以及平邊大小都是有SEMI M1規(guī)定的，6寸用的平邊一般有兩種47.5mm和57.5mm兩種，取決你的機(jī)臺(tái)。而8寸的wafer的notch都是統(tǒng)一的深度約1~1.25mm，角度~90deg，半徑0.9mm等。(平邊和notch都是用來對(duì)位用的，但是平邊比較浪費(fèi)。)
2. 切割硅錠(ingot)成wafer：這就跟切黃瓜一樣了，O(∩_∩)O哈哈~。不一樣的地方在于，為了high throughput，我們采用了線切割(一次可以切很多片)。還有一個(gè)與切黃瓜不一樣的是，我們都是圓形內(nèi)凹刀口，刀子轉(zhuǎn)動(dòng)但硅錠/ingot只平移不做轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)閮?nèi)凹的刀口接觸面積大，ingot不動(dòng)的原因是怕刀口碰到notch。(發(fā)揮下想象力吧~~~)。每片wafer的厚度由兩個(gè)刀片之間的距離決定，一般4寸為525mm，5寸是625mm，6寸為675mm，8寸為725mm，12寸為775mm。
3. 倒角(Edge rounding)：剛切好的wafer邊緣一定是尖銳的柱狀體，這個(gè)時(shí)候稍微碰一下可能就磕碎了，因?yàn)樘嗳趿耍孕枰阉コ蓤A的減少應(yīng)力。轉(zhuǎn)動(dòng)wafer在一個(gè)固定的槽子里面磨就行，類似磨刀。
4. 拋光(Lapping)：因?yàn)閯倓偳邢聛淼膚afer，表面一定有很多損傷，而且表面粗糙，所以這一步類似CMP功效用slurry去磨平，所以我們的wafer有時(shí)候也叫polish wafer。
5. 濕法蝕刻(wet etch)：因?yàn)閯偛诺膾伖膺€是機(jī)械的磨平，所以還是無法完全去除損傷，所以需要一步化學(xué)反應(yīng)去除表面缺陷。主要用4:1:3的HNO3+HF+CH3COOH(醋酸)。硝酸氧化，HF吃SiO2。
6. 退火(Anneal)：怕有晶格損傷，所以退火可以去除晶格損傷，一般用Ar氣體，所以我們有時(shí)候看到我們的flow用Ar anneal的wafer。用Ar的原因是因?yàn)锳r是惰性氣體不反應(yīng)，不用H2的原因以前據(jù)說是會(huì)導(dǎo)致表面濃度發(fā)生變化，原因我也不知道。
到此wafer就做完了，賣給FAB了。一般國(guó)際上比較牛X的可以賣wafer的公司也就是MEMC，SEH，德國(guó)瓦克，LG，日本小松KEH，等等。還是小日本牛啊。
最后，再講下wafer的指標(biāo)吧，你買wafer總要告訴別人你的要求是什么吧？純度到底不能含有那些東西吧。
一般Wafer的SPEC分為如下幾塊：
1. 通用指標(biāo): 包括生長(zhǎng)方法(CZ)，晶向(100+/-1deg)，導(dǎo)電type (P-type)，摻雜原子(B)。
2. 電學(xué)指標(biāo): 阻值(T-like 8~12ohm.cm, U-like 15~25ohm.cm, 貌似intel是20~40ohm.cm)，少子壽命(life time: 200us)，阻值徑向梯度(Radium gradient) <>
3. 化學(xué)特性: 氧濃度(13.7~16.8ppm，這個(gè)很重要，不能多也不能少)，碳的濃度(<>
4. 結(jié)構(gòu)特性：位錯(cuò)(slip)，淺坑(shallow pits)，漩渦缺陷(Swirl，一般來自polish)，層錯(cuò)(dislocation)，氧化誘生/堆垛層錯(cuò)(OISF)，這些都是不能有的。一般情況dislocation和OISF可以介紹少量，但也不能超過3~10ea/cm2。
5. Wafer制備的要求: 背面損傷(吸雜,gettering)，氧化層背封(OX backseal)，退火(Anneal)。
6. 外觀指標(biāo)：直徑(200mm+/-0.2mm)，Notch(110+/-1deg, depth 1~1.25mm, 92+/-3deg,etc)，打標(biāo)(M13 std)，Edge profile (round)，厚度(725+/-20um, 29mil)，TTV (Total THK Variation: 5um)，Global TIR, BOW/WARP等等。
7. 其他特性：刮傷(Scratch)，霧化發(fā)霉(Haze)，COP(>=0.2um@<>
好吧，Wafer的部分就講這些了，后面再講EPI和SOI的吧。
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