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半导体工艺简介与过程掌握一、晶体生长与晶圆制作

硅晶圆(siliconwafer)是一切集成电路芯片的制作母材。既然说到晶体，明显是经过纯炼与结晶的程序。目前晶体化的制程，大多是采「柴可拉斯基」(Czycrasky)直拉晶法(CZ法)。拉晶时，将特定晶向(orientation)的晶种(seed)，浸入过饱和的纯硅熔汤(Melt)中，并同时旋转拉出，硅原子便依照晶种晶向，乖乖地一层层成长上去，而得出所谓的晶棒(ingot)。晶棒的阻值假设太低，代表其中导电杂质(impuritydopant)太多，还需经过区熔法(floating-zone，FZ法)的再结晶(re-crystallization)，将杂质逐出，提高纯度与阻值。

拉出的晶棒，外缘像椰子树干般，外径不甚全都，需予以机械加工修边，然后以X光绕射法，定出主切面(primaryflat)的所在，磨出该平面；再以内刃环锯，削下一片片的硅晶圆。最终经过粗磨(lapping)、化学蚀平(chemicaletching)与抛光(polishing)等程序，得出具外表粗糙度在0.3微米以下抛光面之晶圆。(至于晶圆厚度，与其外径有关。)

刚刚提及的晶向，与硅晶体的原子构造有关。硅晶体构造是所谓「钻石构造」(diamond-structure)，系由两组面心构造 (FCC)，相距 (1/4,1/4,1/4)晶格常数(latticeconstant；即立方晶格边长)叠合而成。我们依米勒指针法(Millerindex)，可定义出诸如：{100}、{111}、{110}等晶面。所以晶圆也因之有{100}、{111}、{110}等之分。现今半导体业所使用之硅晶圆，大多以{100}硅晶圆为主。其可依导电杂质之种类，再分为p型(周期表III族)与n型(周期表V族)。由于硅晶外貌完全一样，晶圆制造厂因此在制作过程中，加工了供辨识的记号：亦即以是否有次要切面(secondaryflat)来区分。该次切面与主切面垂直，p型晶圆有之，而n型则没有。

{100}硅晶圆循平行或垂直主切面方向而断裂整齐的特性，所以很简洁切成矩形碎块，这是早期晶圆切割时，可用刮晶机(scriber)的缘由(它并无真正切断芯片，而只在外表刮出裂痕，再加以外力而整齐断开之)。事实上，硅晶的自然断裂面是{111}，所以虽然得到矩形的碎芯片，但断裂面却不与{100}晶面垂直！

以下是订购硅晶圆时，所需说明的规格：工程说明晶面{100}、{111}、{110}〒1o

外径(寸)3456

厚度(微米)300~450450~600550~650600~750(〒25)

杂质p型、n型

阻值(Ω-cm)0.01(低阻值)~100(高阻值)

制作方式CZ、FZ(高阻值)

抛光面单面、双面

平坦度(埃)300~3,000

二、硅的氧化

硅平面工艺中的氧化工艺，就是在硅外表上生长一层Si02薄膜的技术。这层薄膜的用途主要是：保护和钝化半导体外表；作为杂质选择集中的掩蔽层；用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘；用作MOS电容和MOS器件栅极的介质层；在集成电路介质隔离中起电气绝缘作用；在固—固集中中用作携带杂质源的载体，等等。

形成SiO2薄膜的方法很多，譬如高温氧化(热氧化)、化学气相沉积(CVD)、阳极氧化、溅射等。目前在一般硅晶体管和集成电路的生产中，主要是承受前两种方法，特别是高温氧化法，其它则往往用于某些特别的场合。下面主要介绍热氧化法。

在硅器件工艺中，用作集中掩蔽的Si02层，几乎毫无例外地都是承受高温氧化法来形成的，由于这样得到的SiO2层构造致密，掩蔽性能良好。

高温氧化(或称为热氧化)就是把硅衬底片臵于1000℃以上的高温下，并通入氧化性气氛(如氧气、水汽)，使衬底本身外表的一层硅氧化成SiO2。其化学方程式如下：

Si〔固态〕+O2→SiO2〔固态〕 干氧氧化

Si〔固态〕+2H2O〔气态〕→SiO2〔固态〕+2H2 水汽氧化

硅(Si)与含有氧化物质的气体，例如水汽和氧气在高温下进展化学反响，而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅(SiO2)薄膜。这是硅平面技术中一项重要的工艺。常用的热氧扮装臵如以下图1[典型的硅氧化工艺设备示意图]。

将硅片臵于用石英玻璃制成的反响管中，反响管用电阻丝加热炉加热肯定温度(常用的温度为900～1200℃，在特别条件下可降到600℃以下)，氧气或水汽通过反响管〔典型的气流速度为1厘米/秒〕时，在硅片外表发生化学反响

Si(固态)+O2(气态)→SiO2(固