半导体第三讲 上.ppt

半导体材料与集成电路基础 第三讲：单晶硅生长及硅片制备技术 内容 多晶硅原料制备技术 石英坩埚的制备技术 硅单晶生长方法 单晶硅生长过程的技术要点 硅晶片的生长技术 单晶硅基片(Silicon Wafer)，之所以在诸多半导体元素如锗(Germanium)或化合物半导体如砷化稼(GaAs)等材料中脱颖而出，成为超大规模集成电路(VLSI)元器件的基片材料，其原因在于，首先，硅是地球表面存量丰富的元素之一，而其本身的无毒性以及具有较宽的带宽（Bandgap)是它在微电子基片中能够获得应用的主要原因。当然，对于高频需求的元器件，硅材料则没有如砷化稼般的具有高电子迁移率(Electron Mobility)而受到青睬，尤其是它无法提供光电元件(Optoelectronic Device)的基体材料。在此方面的应用由砷化稼等半导体材料所取代。其次，从生产技术上考虑，硅材料能以提拉法（柴氏法）大量生长大尺寸的硅单晶棒，它是目前最经济的、成熟的规模生产工艺技术。 多晶硅原料制备技术 制造硅晶片的原料仍然是硅，只是从一高纯度(99．999999999％)的多晶硅(Polysilicon)转换成具有一定杂质(Dopant)的结晶硅材料。硅材料是地球丰度较高的元素，它以硅砂的二氧化硅状态存在于地球表面。从硅砂中融熔还原成低纯度的硅，是制造高纯度硅的第一步。将二氧化硅与焦碳(Coke)、煤(Coal)及木屑等混合，置于石墨电弧炉中于1500℃～2000℃加热将氧化物分解还原成硅，可以获得纯度为98％的多晶硅。接下来将这种98％多晶硅纯化为高纯度多晶硅则需经一系列化学过程将其逐步纯化 盐酸化(Hydrochlorination)处理 将冶金级硅置于流床(Fluidized-bed)反应器中通入盐酸形成三氯化硅，其过程用下式来表示： Si(s)+3HCl(g)→ SiHCl3(l)+H2(g) (2.10) 蒸馏(Distillation)提纯 将上式获得的低沸点反应物，SiHCl3置于蒸馏塔中，将它与其他的反应杂质(以金属卤化物状态存在)，通过蒸馏的过程去除。 分解(Decomposition)析出多晶硅 将上面已纯化的SiHCl3置于化学气相沉积(Chemical Vapor deposition，CVD)反应炉(Reactor)中，与氢气还原反应使得金属硅在炉中电极析出，再将此析出物击碎即成块状(Chunk)的多晶硅 另外著名的还有以四氯化硅(SiCl4)于流床反应炉中分解析出颗粒状(Granular)高纯度硅，其粒度分布约在100um至1500um之间，该方法的优点是较低制造成本(能源耗损率极低)，以及可以均匀或连续填充入晶体生长炉，实现硅单晶的不间断生长。因此它有可能取代部份块状多晶硅的原料市场。 石英坩埚的制备技术 生产中使用的石英坩埚是用天然纯度高的硅砂制成。浮选筛检后的石英砂，被堆放在水冷式的坩埚型金属模内壁上，模具慢速旋转以刮出适当的硅砂层厚度及高度。然后送入电弧炉中，电弧在模具中心放出，将硅砂融化，烧结，冷却便可获得可用的石英坩埚。这种坩埚内壁因高温融化快速冷却而形成透明的非结晶质二氧化硅，外壁因接触水冷金属模壁部份硅砂末完全融化，而形成非透明性且含气泡的白色层。坩埚再经由高温等离子处理，让碱金属扩散离开坩埚内壁以降低碱金属含量。然后再浸涂一层可与二氧化硅在高温下形成玻璃陶瓷(Glass Ceramic)的材料，以便日后在坩埚使用中同时产生极细小的玻璃陶瓷层，增强抗热潜变特性，及降低二氧化硅结晶成方石英(Cristobalite，石英的同素异形体，在1470℃～1710℃之间的稳定态)从坩埚内壁表面脱落的危险。一般而言，坩埚气孔大小分布与白色层厚度、热传性质、内壁表面方石英结晶化速率，将影响坩埚的寿命 硅单晶生长方法 单晶硅的生长是将硅金属在1420℃以上的温度下融化，再小心控制液态一固态凝固过程，而长出直径四寸、五寸、六寸或八寸的单一结晶体。目前常用的晶体生长技术有：(1)提拉法，也称柴氏长晶法(Czochralski Method)，系将硅金属在石英坩埚中加热融化，再以晶种(Seed)插入液面、旋转、上引长出单晶棒(Ingot)；(2)浮融带长晶法(Floating Zone Technique)，系将一多晶硅棒(Polysilicon Rod)通过环带状加热器，以产生局部融化现象，再控制凝固过程而生成单晶棒。据估计，柴式长晶法约占硅单晶市场的82％ 单晶生长炉 采用电阻式石墨加热器进行加热，加热器与水冷双层炉壁间有石墨制的低密度热保温材料。为了预防石英坩埚热潜变导致的坩埚破裂，使用石墨坩埚包覆石英坩埚。此石墨坩埚以焦炭(Petroleum Coke)及沥青(Coal-Tar Pitch)为原料研磨成混合物