1、集成電路制造工藝-區熔法制備單晶硅班級：電藝3091學 號： 38#姓 名：趙劍 指導老師：張喜鳳日 期： 2010.04.25區熔法制備單晶硅作者：趙劍（陜西國防工業職業技術學院電藝309138 西安戶縣 710300）【摘要】區熔法晶體生長是在本文中介紹的技術歷史上早期發展起來的幾種工 藝之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一個缺點是坩堝中的氧進入到晶體中， 對于有些器件，高水平的氧是不能接受的。對于這些特殊情況，晶體必須用區熔 法技術來生長以獲得低氧含量晶體?！娟P鍵詞】區熔法、直拉法、單晶硅1 引言集成電路通常用硅制造，硅是一種非常普遍且分布廣泛的元素。石英礦就是 一整塊二氧化硅。盡管硅

2、化物儲量豐富，但硅本身不會自然生長，一般用大量存 在的二氧化硅作原料，經過一系列的工藝步驟就可以得到多晶硅，多晶硅經過提 純就變成了高純度的可以制作集成電路的單晶硅。目前制備單晶硅的常用方法有 直拉法和區熔法。本文主要介紹區熔法制備單晶硅。2單晶硅的制備區熔法又分為兩種：水平區熔法和立式懸浮區熔法。前者主要用于鍺、GaAs 等材料的提純和單晶生長。后者主676要用于硅，這是由于硅熔體的溫度高，化 學性能活潑，容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能采用水平區熔法。 然而硅又具有兩個比鍺、GaAs優越的特性：即密度低（2.33g/cm3和表面張力大 （0.0072N/cm）,所以，能用無坩堝

3、懸浮區熔法。該法是在氣氛或真空的爐室中， 利用高頻線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區，然后使熔 區向上移動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支 托，懸浮于多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區熔法。2.1區熔法制備單晶硅利用多晶錠分區熔化和結晶半導體晶體生長的一種方法。區熔法是利用熱能 在半導體棒料的一端產生一熔區，再熔接單晶籽晶。調節溫度使熔區緩慢地向棒 的另一端移動，通過整根棒料，生長成一根單晶，晶向與籽晶的相同。區熔法又 分為兩種：水平區熔法和立式懸浮區熔法。前者主要用于鍺、GaAs等材料的提 純和單晶生長。后者主 676 要用于硅，這是由于硅熔體的溫度高

4、，化學性能活潑， 容易受到異物的玷污，難以找到適合的舟皿，不能采用水平區熔法。然而硅又具 有兩個比鍺、GaAs優越的特性：即密度低（2.33g/cm3和表面張力大（0.0072N/ cm）,所以，能用無坩堝懸浮區熔法。該法是在氣氛或真空的爐室中，利用高頻 線圈在單晶籽晶和其上方懸掛的多晶硅棒的接觸處產生熔區，然后使熔區向上移 動進行單晶生長。由于硅熔體完全依靠其表面張力和高頻電磁力的支托，懸浮于 多晶棒與單晶之間，故稱為懸浮區熔法。熔區懸浮的穩定性很重要，穩定熔區的力主要是熔體的表面張力和加熱線圈 提供的磁浮力，而造成熔區不穩定的力主要是熔硅的重力和旋轉產生的離心力。 要熔區穩定地懸浮在硅棒上

5、，前兩種力之和必須大于后兩種力之和。采用單匝盤 形加熱線圈，熔區上方的多晶棒和下方的單晶棒的直徑均可大于線圈的內徑。區 熔時熔區不與任何異物接觸，不會受到玷污，還有硅中雜質的分凝效應和蒸發效 應，生長出的單晶純度很高。用中子嬗變摻雜方法，就能獲得電阻率高、均勻性 好的硅單晶?？捎糜诟唠妷捍蠊β势骷?，如可控硅、可關斷晶閘管等。這些器 件被廣泛地用在近代的電力機車、軋鋼機、冶金設備、自動控制系統以及高壓輸 配電系統中。來生長單晶體的方法。將棒狀多晶錠熔化一窄區,其余部分保持固態,然后使 這一熔區沿錠的長度方向移動，使整個晶錠的其余部分依次熔化后又結晶。區熔 法可用于制備單晶和提純材料,還可得到均

6、勻的雜質分布。這種技術可用于生產 純度很高的半導體、金屬、合金、無機和有機化合物晶體（純度可達10-610-9）。 在頭部放置一小塊單晶即籽晶，并在籽晶和原料晶錠相連區域建立熔區，移動晶 錠或加熱器使熔區朝晶錠長度方向不斷移動。區域熔化法是按照分凝原理進行材料提純的。雜質在熔體和熔體內已結晶的 固體中的溶解度是不一樣的。在結晶溫度下,若一雜質在某材料熔體中的濃度為c ,結晶出來的固體中的濃度為 c ，則稱 K=c /c 為該雜質在此材料中的分凝系數。 L s L sK的大小決定熔體中雜質被分凝到固體中去的效果。KV1時，則開始結晶的頭部 樣品純度高，雜質被集中到尾部;K1時，則開始結晶的頭部樣

7、品集中了雜質而 尾部雜質量少。，使單晶不斷長大。為經過一次區熔后不同K值的雜質分布。區熔可多次進行，也可以同時建立 幾個熔區提純材料。通常是在提純的最后一次長成單晶。有時，區熔法僅用于提 純材料，稱區熔提純。區熔夷平是使熔區來回通過材料，從而得到雜質均勻分布 的晶錠。區熔法生長晶體有水平區熔和垂直浮帶壓熔兩種形式。2.1.1 水平區熔法將原料放入一長舟之中，舟應采用不沾污熔體的材料制成，如石英、氧化鎂、氧 化鋁、氧化鈹、石墨等。舟的頭部放籽晶。加熱可以使用電阻爐，也可使用高頻 爐。用此法制備單晶時，設備簡單，與提純過程同時進行又可得到純度很高和雜 質分布十分均勻的晶體。但因與舟接觸，難免有舟成

8、分的沾污，且不易制得完整 性高的大直徑單晶。直牲控制怙感器隔壽碉/品種天 廠晶種石英鉗鍋硅熔液加直牲控制怙感器隔壽碉/品種天 廠晶種石英鉗鍋硅熔液加熱組件，上爐腔下爐腔電極鉗鍋上升康轉機構2.1.2 垂直浮帶區熔法 用此法拉晶時，先從上、下兩軸用夾具精確地垂直固定棒狀多晶錠。用電子轟擊、 高頻感應或光學聚焦法將一段區域熔化，使液體靠表面張力支持而不墜落。移動 樣品或加熱器使熔區移動。這種方法不用坩堝，能避免坩堝污染，因而可以制備 很純的單晶和熔點極高的材料（如熔點為3400C的鎢），也可采用此法進行區熔。 大直徑硅的區熔是靠內徑比硅棒粗的“針眼型”感應線圈實現的。為了達到單晶 的高度完整性，在

9、接好籽晶后生長一段直徑約為23毫米、長約1020毫米的 細頸單晶，以消除位錯。此外，區熔硅的生長速度超過約56毫米/分時，還可以 阻止所謂漩渦缺陷的生成。為確保生長沿所要求的晶向進行，也需要使用籽晶，采用與直拉單 晶類似的方法，將一個很細的籽晶快速插入熔融晶柱的頂部，先拉出一個 直徑約3mm，長約10-20mm的細頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至較大直 徑。頂部安置籽晶技術的困難在于，晶柱的熔融部分必須承受整體的重量， 而直拉法則沒有這個問題，因為此時晶定還沒有形成。這就使得該技術僅 限于生產不超過幾公斤的晶錠用區熔法單晶生長技術制備的半導體硅材料，是重要的硅單晶產品。由于硅 熔體與坩堝容器起

10、化學作用，而且利用硅表面張力大的特點，故采用懸浮區熔法， 簡稱FZ法或FZ單晶。特點和應用 由于不用坩堝，避免了來自坩堝的污染，而且還可以利用懸 浮區熔進行多次提純，所以單晶的純度高。用于制作電力電子器件、光敏二極管、 射線探測器、紅外探測器等。Fz單晶的氧含量比直拉硅單晶（見半導體硅材料） 的氧含量低23個數量級，這一方面不會產生由氧形成的施主與沉積物，但其 機械強度卻不如直拉單晶硅，在器件制備過程中容易產生翹曲和缺陷。在 Fz 單 晶中摻入氮可提高其強度。工藝特點 大直徑生長，比直拉硅單晶困難得多，要克服的主要問題是熔 區的穩定性。這可用“針眼技術”解決，在FZ法中這是一項重大成就。另一項

11、 重大成就是中子嬗變摻雜。它使電力電子器件得到飛躍發展。Fz技術無法控制 熔體對流和晶/熔邊界層厚度，因而電阻率的波動比cZ單晶大。高的電阻率不 均勻性限制了大功率整流器和晶閘管的反向擊穿電壓。利用中子嬗變摻雜可獲得 摻雜濃度很均勻的區熔硅（簡稱NTD硅），從而促進了大功率電力電子器件的發展 與應用。區熔硅的常規摻雜方法有硅芯摻雜、表面涂敷摻雜、氣相摻雜等，以氣 相摻雜最為常用。晶體缺陷 區熔硅中的晶體缺陷有位錯和漩渦缺陷。中子嬗 變晶體還有輻照缺陷，在純氫或氬一氫混合氣氛中區熔時，常引起氫致缺陷。其 中漩渦缺陷有A、B、C和D四種，其特性及易出現的主要條件列于表1。*1鏤洞缺麗客晶律申的分布

12、聶其特性缺略刪戢晶生畏逮率/mm nain 缺陷密庫a-*6.0屮典阻機好布臚訶1不易坯佈漩渦缺陷有害，它使載流子壽命下降，進而導致器件特性劣化。在器件 工藝中它可轉化為位錯、層錯及形成局部沉淀，從而造成微等離子擊穿或使 PN 結反向電流增大。這種缺陷不僅使高壓大功率器件性能惡化，而且使CCD產生暗 電流尖峰。在單晶制備過程中減少漩渦缺陷的措施有盡量降低碳含量、提高拉晶 速度等。 90 年代的水平 90 年代以來達到的是：區熔硅單晶的最大直徑為 150mm，并已商品化，直徑200mm的產品正在試驗中。晶向一般為111 ）和100。（1）氣相摻雜區熔硅單晶。N型摻磷、P型摻硼。無位錯、無漩渦缺陷

13、。碳濃度C。2X 10 “at cm3,典型的可5X10i5at cm3。氧濃度lX10i6at cm3。 電阻率范圍和偏差列于表 2，少子壽命值列于表 3。表2氣相攥奈區熔睦單晶電阻率范團與傭差電阻率范圉X Fl a. am堪阻率偏暮繪向變優(JJUtVX標椎是小Uli) o. 0, 1 100土 151015151000201520 1?1510S*-10F型朋&303002012300-30003515不分聶向表鼻氣相擢雜區增畦單鼎壽命值少f-壽倉/沖P翌撐HA甫00曲0ALM400A10OO表鼻氣相擢雜區增畦單鼎壽命值少f-壽倉/沖P翌撐HA甫00曲0ALM400A10OO屯瞅率翹鬧

14、/Cl cm簾H丄1 5V擔P1050200500A1(XK1 OOCAM3(2)中子嬗變摻雜(NTD)硅單晶。N型摻雜元素磷，無位錯、無漩渦缺陷。 碳濃度C。v2X 10i6at / cm3,典型的可v5X10i5at/ cm3氧濃度vlX10i6at/ cm3, 電阻率范圍和偏差及少子壽命值列于表 4。表4 NTD ft單晶電阻率范圍與偏差、少子曙命值電賦率范圍/fi on起阻率倔差f%徑向愛化少子壽命最小地小5020010I 75200500200-300li10650C100030 600士 L3113100020C03 區熔法制備單晶硅的工業流程及具體步驟 ：主要用于提純和生長硅單晶

15、；其基本原理是：依靠熔體的表面張力，使熔區 懸浮于多晶硅棒與下方生長出的單晶之間，通過熔區向上移動而進行提純和生長 單晶。區熔法制備單晶硅具有如下特點： 1.不使用坩堝，單晶生長過程不會被坩堝材料污染 2.由于雜質分凝和蒸發效應，可以生長出高電阻率硅單晶單晶硅建設項目具有巨大的市場和廣闊的發展空間。在地殼中含量達 25.8% 的硅元素，為單晶硅的生產提供了取之不盡的源泉。 近年來，各種晶體材料， 特別是以單晶硅為代表的高科技附加值材料及其相關高技術產業的發展，成為當 代信息技術產業的支柱，并使信息產業成為全球經濟發展中增長最快的先導產 業。單晶硅作為一種極具潛能，亟待開發利用的高科技資源，正引

16、起越來越多的 關注和重視。 與此同時，鑒于常規能源供給的有限性和環保壓力的增加，世 界上許多國家正掀起開發利用太陽能的熱潮并成為各國制定可持續發展戰略斬 重要內容。 在跨入 21 世紀門檻后，世界大多數國家踴躍參與以至在全球范圍 掀起了太陽能開發利用的“綠色能源熱”，一個廣泛的大規模的利用太陽能的時 代正在來臨，太陽能級單晶硅產品也將因此炙手可熱。 此外，包括我國在內 的各國政府也出臺了一系列“陽光產業”的優惠政策，給予相關行業重點扶持， 單晶硅產業呈現出美好的發展前景。 單晶硅性質；單晶硅具有金剛石晶格。 晶體硬而脆具有金屬光澤。能導電。但導電率不及金屬。局隨溫度升高而增加。 具有半導體性質

17、。單晶硅石重要的半導體材料，在單晶硅中摻入微量的 IIIA 族 元素。形成 p 型半導體。摻入微量的第 vA 族元素。形成 N 型和 P 型導體結合在 一起。就可以做成太陽能電池。將輻射能轉變為電能。在開發電能方面是一種很 有前途的材料。3 單晶硅的發展前景：單晶硅是電力工業的糧食?；趨^熔硅片的電力電子技術的飛速發展被稱為 “硅片引起的第二次革命”。 近年來，區熔硅單晶開始進入綠色能源領域。國 際上利用區熔單晶硅制作太陽能電池技術逐漸成熟，使用區熔硅制作太陽能電 池，其光電轉換效率達到 20%，其綜合性價比超過直拉單晶硅太陽能電池（光電 轉換效率為12%）和多晶硅太陽能電池（光電轉換效率為

18、10%）。這個用途將極大 地擴展區熔硅單晶的市場空間，這是區熔單晶硅最大的新興市場。最近，區熔硅 單晶更是進入了信息、通訊領域，被用來制造射頻集成電路、微波單片集成電路（MMIC ）和光電探測器等高端微電子器件。磁場直拉硅單晶（MCZ ）是指利用磁 場拉晶裝置模仿空間微重力環境制備的單晶硅。MCZ硅普遍用來制作集成電路和 分立器件。重要的是，MCZ硅單晶的原料可以使用區熔單晶的頭尾料以及不合格 單晶，這樣就可以充分、有效地利用寶貴的原料資源，同時增加產值和利潤。參 考 文 獻：【1】ItalhashovAM t. gal J. cflll. Growth, 1981, 52： 498【 2】 GassoaD BJ Sei Instrum，1965，42： 114【3】 Mut0K t. g a Jpn