ウェーハは、集積回路、ディスクリート半導体デバイス、パワーデバイスを製造するための主な原材料です。集積回路の 90% 以上は高純度、高品質のウェーハ上に作られています。
ウェーハ準備装置とは、純粋な多結晶シリコン材料を一定の直径および長さのシリコン単結晶棒材料に加工し、その後、シリコン単結晶棒材料に一連の機械的処理、化学的処理およびその他のプロセスを施すプロセスを指します。
特定の幾何学的精度および表面品質要件を満たすシリコン ウェーハまたはエピタキシャル シリコン ウェーハを製造し、チップ製造に必要なシリコン基板を提供する装置。
直径 200 mm 未満のシリコン ウェーハを準備するための一般的なプロセス フローは次のとおりです。
単結晶育成→切り出し→外径圧延→スライス→面取り→研削→エッチング→ゲッタリング→研磨→洗浄→エピタキシー→パッケージング等
直径 300 mm のシリコンウェーハを準備する主なプロセス フローは次のとおりです。
単結晶育成→トランケーション→外径圧延→スライス→面取り→平面研削→エッチング→エッジ研磨→両面研磨→片面研磨→最終洗浄→エピタキシー・アニール→パッケージング等
1.シリコン素材
シリコンは 4 つの価電子を持ち、他の元素とともに周期表の IVA 族に属しているため、半導体材料です。
シリコン内の価電子の数は、シリコンを良導体 (価電子 1 個) と絶縁体 (価電子 8 個) のちょうど中間に置きます。
純粋なシリコンは自然界には存在しないため、製造に十分な純度にするために抽出および精製する必要があります。これは通常、シリカ (酸化ケイ素または SiO2) および他のケイ酸塩に含まれています。
他の形態の SiO2 には、ガラス、無色の水晶、石英、瑪瑙、キャッツアイなどがあります。
1940 年代から 1950 年代初頭にかけて、半導体として最初に使用された材料はゲルマニウムでしたが、すぐにシリコンに取って代わられました。
シリコンが主要な半導体材料として選択された理由は次の 4 つです。
豊富なシリコン素材: ケイ素は地球上で 2 番目に豊富な元素であり、地殻の 25% を占めます。
シリコン材料のより高い融点により、より広いプロセス許容範囲が可能になります: シリコンの融点 1412°C は、ゲルマニウムの融点 937°C よりもはるかに高くなります。融点が高いため、シリコンは高温プロセスに耐えることができます。
シリコン材料はより広い動作温度範囲を持っています;
酸化ケイ素（SiO2）の自然成長: SiO2 は高品質で安定した電気絶縁材料であり、シリコンを外部汚染から保護する優れた化学バリアとして機能します。電気的安定性は、集積回路内の隣接する導体間の漏れを避けるために重要です。 SiO2 材料の安定した薄層を成長させる能力は、高性能金属酸化膜半導体 (MOS-FET) デバイスの製造の基礎となります。 SiO2 はシリコンと同様の機械的特性を備えているため、シリコン ウェーハを過度に反らせることなく高温処理が可能です。
2.ウエハの準備
半導体ウェーハは、バルク半導体材料から切り出されます。この半導体材料は結晶ロッドと呼ばれ、多結晶のドープされていない真性材料の大きなブロックから成長します。
多結晶ブロックを大きな単結晶に変換し、それに正しい結晶方位と適切な量の N 型または P 型ドーピングを与えることを結晶成長と呼びます。
シリコンウェーハ準備用の単結晶シリコンインゴットを製造するための最も一般的な技術は、チョクラルスキー法とゾーンメルト法です。
2.1 チョクラルスキー法とチョクラルスキー単結晶炉
チョクラルスキー (CZ) 法は、チョクラルスキー (CZ) 法とも呼ばれ、溶融した半導体グレードのシリコン液体を、正しい結晶方位を持ち、N 型または P 型にドープされた固体の単結晶シリコン インゴットに変換するプロセスを指します。タイプ。
現在、単結晶シリコンの 85% 以上がチョクラルスキー法を使用して成長しています。
チョクラルスキー単結晶炉とは、密閉された高真空または希ガス (または不活性ガス) 保護環境で加熱することにより、高純度のポリシリコン材料を液体に溶かし、その後、それらを再結晶化して、特定の外部温度を有する単結晶シリコン材料を形成するプロセス装置を指します。寸法。
単結晶炉の動作原理は、多結晶シリコン材料が液体状態で単結晶シリコン材料に再結晶化する物理的プロセスです。
CZ 単結晶炉は、炉本体、機械伝達システム、加熱および温度制御システム、ガス伝達システムの 4 つの部分に分けることができます。
炉本体は、炉空洞、種結晶軸、石英坩堝、ドーピングスプーン、種結晶カバー、及び観察窓を含む。
炉のキャビティは、炉内の温度が均一に分散され、熱がよく放散されるようにするためのものです。種結晶シャフトは、種結晶を上下に動かし、回転させるために使用されます。ドーピングが必要な不純物はドーピングスプーンに入れられます。
種結晶カバーは種結晶を汚染から保護するためのものです。機械的伝達システムは主に種結晶とるつぼの移動を制御するために使用されます。
シリコン溶液が酸化しないようにするには、炉内の真空度を非常に高くする必要があり、通常は 5 Torr 未満であり、添加する不活性ガスの純度は 99.9999% 以上である必要があります。
所望の結晶方位を有する単結晶シリコン片を種結晶として使用してシリコンインゴットを成長させる。成長したシリコンインゴットは種結晶のレプリカのようなものである。
溶融シリコンと単結晶シリコン種結晶との界面の状態を精密に制御する必要がある。これらの条件により、シリコンの薄層が種結晶の構造を正確に複製し、最終的には大きな単結晶シリコンインゴットに成長することが保証されます。
2.2 ゾーン溶解法とゾーン溶解単結晶炉
フロート ゾーン法 (FZ) では、酸素含有量が非常に低い単結晶シリコン インゴットが製造されます。フロートゾーン法は 1950 年代に開発され、これまでで最も純粋な単結晶シリコンを製造できます。
ゾーンメルティング単結晶炉とは、ゾーンメルトの原理を利用して、高真空または希石英管ガス中で多結晶ロッド炉本体の高温の狭い密閉領域を通して多結晶ロッド内に狭い溶融ゾーンを生成する炉を指します。保護環境。
多結晶棒や炉加熱体を移動させて溶融ゾーンを移動させ、徐々に単結晶棒に結晶化させるプロセス装置です。
ゾーンメルト法による単結晶ロッドの製造の特徴は、単結晶ロッドへの結晶化の過程で多結晶ロッドの純度を向上させることができ、ロッド材料のドーピング成長がより均一であることである。
帯溶融単結晶炉の種類は、表面張力を利用した浮遊帯溶融単結晶炉と水平帯溶融単結晶炉の2種類に大別されます。実際の用途では、ゾーンメルティング単結晶炉は一般にフローティングゾーンメルティングを採用します。
ゾーンメルティング単結晶炉は、坩堝を必要とせずに高純度の低酸素単結晶シリコンを製造することができます。主に高抵抗（>20kΩ・cm）の単結晶シリコンの製造やゾーンメルトシリコンの精製に使用されます。これらの製品は主にディスクリートパワーデバイスの製造に使用されます。
帯溶融単結晶炉は、炉室、上部シャフト、下部シャフト（機械伝達部）、結晶ロッドチャック、種結晶チャック、加熱コイル（高周波発生装置）、ガスポート（真空ポート、ガス入口、上部ガス出口）など
炉室構造には冷却水の循環が設けられています。単結晶炉の上部シャフトの下端は、多結晶ロッドをクランプするために使用される結晶ロッドチャックです。下部シャフトの上端は種結晶チャックとなっており、種結晶をクランプするために使用されます。
加熱コイルに高周波電源が供給されると、多結晶棒内に下端から狭い溶融領域が形成される。同時に上下軸が回転・下降し、溶融帯が単結晶化します。
ゾーンメルティング単結晶炉の利点は、準備された単結晶の純度を向上させるだけでなく、ロッドドーピング成長をより均一にし、複数のプロセスを通じて単結晶ロッドを精製できることです。
ゾーンメルティング単結晶炉の欠点は、プロセスコストが高いことと、製造される単結晶の直径が小さいことです。現在、作製できる単結晶の最大直径は200mmです。
帯域溶融単結晶炉装置の全高が比較的高く、上下軸のストロークが比較的長いため、より長い単結晶棒を育成することができる。
3. ウェーハ処理と装置
結晶棒は、半導体製造の要件を満たすシリコン基板、つまりウェハを形成するために一連のプロセスを経る必要があります。基本的な処理プロセスは次のとおりです。
タンブリング、切断、スライス、ウェーハアニール、面取り、研削、研磨、洗浄、梱包など。
3.1 ウェーハアニーリング
多結晶シリコンやチョクラルスキーシリコンの製造過程において、単結晶シリコン中には酸素が含まれています。特定の温度では、単結晶シリコン内の酸素が電子を供与し、酸素が酸素ドナーに変換されます。これらの電子はシリコン ウェーハ内の不純物と結合し、シリコン ウェーハの抵抗率に影響を与えます。
アニール炉：水素またはアルゴン雰囲気下で炉内温度を1000～1200℃まで上げる炉を指します。保温と冷却により、研磨されたシリコンウェーハの表面付近の酸素が揮発して表面から除去され、酸素が析出して層状に形成されます。
シリコンウェーハ表面の微小な欠陥を溶解し、シリコンウェーハ表面付近の不純物の量を減らし、欠陥を減らし、シリコンウェーハ表面に比較的清浄な領域を形成するプロセス装置。
焼鈍炉は高温であるため高温炉とも呼ばれます。業界では、シリコンウェーハのアニーリングプロセスをゲッタリングとも呼びます。
シリコンウェーハアニール炉は次のように分かれています。
-横型焼鈍炉;
-縦型焼鈍炉;
-急速焼鈍炉。
横型焼鈍炉と縦型焼鈍炉の主な違いは、反応室のレイアウト方向です。
横型アニール炉の反応室は水平構造となっており、シリコンウェーハのバッチをアニール炉の反応室にロードして同時にアニールすることができます。アニーリング時間は通常 20 ～ 30 分ですが、反応チャンバーがアニーリング プロセスに必要な温度に達するまでに長い加熱時間が必要です。
縦型アニール炉のプロセスも、アニール炉の反応室にシリコンウェーハを一括して搬入してアニール処理を行う方式を採用している。反応室は縦型構造レイアウトとなっており、シリコンウェーハを石英ボートに水平状態で設置できます。
同時に、石英ボートが反応室内で全体として回転できるため、反応室内のアニール温度が均一となり、シリコンウェーハ上の温度分布が均一となり、アニール均一性特性に優れる。ただし、縦型焼鈍炉は横型焼鈍炉に比べてプロセスコストが高くなります。
急速アニール炉は、ハロゲンタングステンランプを使用してシリコンウェーハを直接加熱するもので、1～250℃/sの広範囲で急速加熱・急速冷却が可能です。加熱または冷却の速度は、従来の焼鈍炉よりも高速です。反応チャンバーの温度を 1100°C 以上に加熱するには数秒しかかかりません。
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投稿日時: 2024 年 8 月 26 日