干货分享 | 从硅的极致纯度到晶片表面“零污染”：半导体制造的洁净之战

半导体高良率的基石，在于硅材料体内纯度与晶圆表面洁污的协同管控。

基石：硅晶材料的极致提纯
硅晶圆是芯片的“画布”，其纯度是一切的基础。从沙子到镜面般的晶圆，需经历一场精密的纯度进化。

■ 起始材料：冶金级硅
以石英砂（二氧化硅）为原料，在电弧炉中与碳反应，初步提炼得到纯度约98%-99%的冶金级硅。

■ 纯化：西门子法
冶金级硅透过蒸馏, 将其精炼到极高的纯度（杂质浓度降低至ppb甚至ppt等级）。

■ 沉积：电子级多晶硅
在约1100°C的硅晶种表面进行化学气相沉积，生成棒状电子级多晶硅，纯度达99.999999999%（11个9）以上。

■ 拉晶：形成单晶硅锭
采用柴可拉斯基法，将一颗小单晶硅晶种浸入熔融硅中，边缓慢旋转边向上提拉，形成完美单晶硅锭；期间可通过掺入硼、磷等杂质，精准控制晶片电性（P型或N型）。

■ 切片与研磨：制成硅晶圆
硅锭经切片、研磨与抛光，得到镜面般光滑的硅晶圆，成为芯片制造的“画布”。

战场：晶片制造中的表面污染控制
即使硅晶圆本身完美无瑕，后续长达数百步的制造过程，仍使其表面暴露于各种污染风险中。主要表面杂质可分为四类：

1. 微粒

■ 来源：环境中的灰尘、人员的皮屑、设备磨损产生的颗粒、化学药品中的不纯物、化学反应产生的副产物。

■ 危害：造成电路短路、断路、绝缘层失效。随着制程微缩到纳米等级，即使直径只有几十纳米的微粒也足以破坏整个电晶体。

■ 控制方法：

• 超高洁净室：达到 ISO 1 级标准（每立方英尺空气中 >0.1 µm 的颗粒数不超过 1 颗）；
• 超纯水与化学品：使用多级过滤的 UPW 和高纯化学试剂；
• 自动化物料传输：最大限度减少人为干预。

2. 金属杂质

■ 来源：制程设备的金属部件（如反应腔体）、化学药品中的金属离子、掺杂过程的交叉污染。

■ 危害：金属离子（如铁、铜、钠、钾）在硅晶格中产生能阶，成为电子和电洞的复合中心，导致漏电流增加、载子寿命缩短、闸极氧化层完整性变差，严重影响元件效能与可靠性。

■ 控制方法：

• 选用高纯耐腐蚀材料（如石英、高纯硅、碳化硅等）制造反应腔内部件零件；
• 采用RCA标准清洗：SC-1 ( NH₄OH/H₂O₂/H₂O ) 和SC-2 ( HCl/H₂O₂/H₂O ) 分别去除微粒和金属离子；
• “吸杂”技术：在晶圆背面制造一层缺陷区，或在硅晶圆内部制造氧析出物，把金属杂质从主动元件区吸引过去并锁住。

3. 有机杂质

■ 来源：人体油脂、光阻剂残留、真空泵油、塑胶组件释出的气体。

■ 危害：在晶片表面形成一层薄膜，妨碍后续的薄膜沉积、氧化、离子布植，导致附着力不良或电性异常。

■ 控制方法：

• O₂电浆灰化：将有机物氧化成挥发性CO₂和H₂O并去除；
• SC-1溶液：RCA清洗中的一步，兼具去除有机物能力；
• 选用高稳定性材料与润滑剂。

4. 自然氧化层与化学氧化物

■ 来源：硅暴露在空气或含氧的水中，会迅速形成一层非晶的二氧化硅（SiO₂）。

■ 危害：原生氧化层的厚度和品质不稳定、不可控，影响后续磊晶、高介电系数闸极堆迭的品质，导致元件特性不一致。

■ 控制方法：在关键步骤前，使用稀释的氢氟酸（dHF）进行“牺牲氧化层蚀刻”，去除不稳定的自然氧化层，露出洁净的硅表面，并立即进行下一步骤（通常是在真空环境下）。