單晶硅生產(chǎn)工藝中的關鍵技術

王金全

(飛思卡爾半導體（中國）天津有限公司，天津300385)

自1958年TI開發(fā)出全球第一顆集成電路(英文IC)，IC的時代正式開始。從此，各品種的IC不斷被開發(fā)出來，集成度也不斷提升。從小型集成電路 SSI，發(fā)展到 MSI、LSI、VLSI、ULSI，再到今天，短短50年時間，包含千萬個以上晶體管的集成電路已經(jīng)被大量生產(chǎn)，并應用到我們的生活、工作的各領域中來，為我們的生活帶來飛速的發(fā)展。電腦、網(wǎng)絡、全自動化生產(chǎn)線、無人工廠……。無法想象，離開半導體產(chǎn)業(yè)，我們的生活將會怎樣？半導體技術的發(fā)展狀況已經(jīng)成為一個國家的技術狀況的重要指針，電子技術也成為一個國家提高國防能力的重要途徑。

IC是怎樣制成的？圖1是一顆集成電路典型的剖面圖。IC的最核心部分是如圖中顯示的芯片(Chip)。芯片，是以晶圓(英文Wafer)為基礎，經(jīng)過淀積，涂膜，顯影，蝕刻，離子植入，擴散等工藝制成。芯片中全部的物理功能電路區(qū)只占據(jù)芯片表面很薄的一層，約為整個芯片體積的1%，剩余的99%體積的材料均為單晶硅。

圖1 集成電路剖面示意圖

目前，全球集成電路工業(yè)制造的IC，超過98%都是使用單晶硅為原材料。在晶圓制造工業(yè)界，有兩種生長單晶硅的方法。Czochralski法(簡稱CZ法)，和FloatZone法(簡稱浮熔法，或FZ法)。CZ法生長出來的單晶硅，主要用來生產(chǎn)低功率的集成電路；FZ法生長出來的單晶硅，主要用來生產(chǎn)高功率的電子元件。CZ法單晶硅大約占了總產(chǎn)量的85%。CZ法之所以比FZ法更普遍被半導體工業(yè)界采用，主要是由于它的高含氧量(12～14 ppMa)提供了晶片強度和除雜的雙重優(yōu)點。另一個原因是CZ法比FZ法更容易生產(chǎn)出大尺寸的單晶棒。單晶棒尺寸越大，芯片的成本越低，因而更具有市場競爭力。本文著重介紹CZ法生產(chǎn)單晶硅的工藝中的關鍵技術要點。

1 設備結構

CZ法生產(chǎn)單晶硅的設備(如圖2)由4部分組成：

(1)爐體：包括石英鉗鍋、石墨鉗鍋、加熱組件、爐壁等；

(2)晶棒和上升旋轉機構：包括晶種夾、旋轉機構；

(3)氣體氛圍與壓力：包括真空設備系統(tǒng)、Ar氣流量及壓力控制系統(tǒng)；

(4)控制系統(tǒng)：包括傳感器和電腦控制設備。

圖2 一個典型的CZ生長爐示意圖

2 摻雜要求

制作單晶硅晶棒的原材料是多晶硅(也叫高純硅)。另外生產(chǎn)單晶硅棒時還需加入摻雜物。摻雜物的種類分為n型或p型。p型摻雜物為硼，n型摻雜物一般為磷。依據(jù)半導體元件應用上的各種不同的電性要求，摻雜物的種類和濃度均有所不同。

當多晶硅原料和摻雜物加入石英鉗鍋內(nèi)后，抽真空并通入氬氣。然后開始加熱至熔化溫度(1420℃)以上，多晶硅原料熔化。當硅熔液的溫度穩(wěn)定以后，將晶種慢慢浸入溶液表面中，使熔融硅按照晶種晶格的方向生成晶體，即單晶硅。

3 晶棒的上升速度和旋轉速度

當單晶硅剛開始沿著晶種生成之初，須降低晶棒的拉速與硅熔液溫度，使得晶體的直徑漸漸增大到所需尺寸。隨后旋轉機構不斷上升，熔融的硅材料依次在晶棒的末端結晶，最終生成單晶硅棒。

旋轉機構的旋轉有兩個作用：一是使晶棒呈圓柱形，一是保持晶棒內(nèi)的摻雜物分布均勻。旋轉機構的轉速越低越有利于結晶生長，旋轉機構的轉速越高則晶棒內(nèi)的摻雜物分布越均勻。旋轉機構的轉速需優(yōu)化到既能達到集成電路產(chǎn)品對摻雜均勻性的要求，又要保證足夠的生產(chǎn)產(chǎn)能，以控制生產(chǎn)成本。

4 加熱功率的調(diào)整

由于晶棒生長的過程中，液面會逐漸下降溶液量變少，加熱的功率也應相應地降低，以保持熔液的溫度穩(wěn)定。另外，晶棒的不斷加長，晶棒的散熱速率也在不斷地變化，因此，晶棒的拉速與熔融硅溫度應不斷調(diào)整，這對于維持晶棒的直徑精度在±2mm之間至關重要。因工藝不同，有的單晶硅爐可以連續(xù)加入多晶硅原材料，因此可以加工出更長的晶棒。

5 蒸汽壓力

石英鉗鍋的主要成分為二氧化硅，二氧化硅和熔融的硅溶液發(fā)生化學反應，生成一氧化硅。真空狀態(tài)下，一氧化硅產(chǎn)生蒸汽在硅溶液里引起沸騰現(xiàn)象，造成長晶困難。因此，長晶爐內(nèi)必須持續(xù)通入氬氣，以保持長晶爐內(nèi)的壓力大于一氧化硅蒸汽壓力。通入氬氣的另一目的是要同時帶走一氧化碳氣體 (一氧化碳是由一氧化硅與石墨元件反應而生成)，以避免一氧化碳溶入硅溶液，造成晶棒的碳污染。

6 原材料純度

除了石英鉗鍋、石墨元件、氬氣等有可能帶入雜質(zhì)外，多晶硅原材料的純度及其使用量對雜質(zhì)的含量和濃度起主要作用。在晶棒生長的過程中，雜質(zhì)在固相中的濃度低于液相中的濃度。于是在固液界面處，過剩的雜質(zhì)逐漸在液相中積累，濃度漸漸上升而高于其它熔液中的濃度。這種現(xiàn)象稱作偏析。高濃度雜質(zhì)的熔液固化溫度低于定濃度熔液的固化溫度。若爐內(nèi)熔液的實際溫度低于固化溫度，固液界面將會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為過冷。過冷現(xiàn)象很容易導致多晶硅的生長。因此，單晶硅晶棒生產(chǎn)所使用的原材料的純度非常高，其所含的不純物的濃度低于1012atom/cm3。

7 鉗鍋的上升和旋轉

為了降低固液界面處熔液中的雜質(zhì)濃度，鉗鍋自身也進行著上升和旋轉運動。旋轉的目的是使雜質(zhì)向周圍擴散，熔液各處的溫度更趨均勻，避免過冷現(xiàn)象的發(fā)生。鉗鍋上升是因為在晶棒變長、熔液逐漸減少的過程中，晶棒需要在上爐腔冷卻，鉗鍋內(nèi)的熔液則需要相應上升保持固液界面的合理位置。

8 晶棒內(nèi)的熱應力的控制

當石英鉗鍋內(nèi)的熔融硅將近用完時，如果立刻將晶棒與液面分開，晶棒內(nèi)的熱應力將使晶棒內(nèi)的硅原子排列出現(xiàn)滑移和錯位。為了避免這一問題，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到變成一圓錐形尖端后再與液面分離，然后長完的晶棒再上升至上爐室冷卻一段時間后取出。至此，高純硅的多晶硅原料被加工成單晶硅晶棒。

9 控制系統(tǒng)和工藝參數(shù)優(yōu)化

在以上論述的各個關鍵技術要點中，摻雜，蒸汽壓力，原材料純度，晶棒內(nèi)的熱應力的控制具有相對穩(wěn)定的特點。這里稱之為“靜態(tài)”控制參數(shù)。而晶棒的上升旋轉速度、加熱功率、均受到晶棒長度(散熱速度)，爐內(nèi)溫度波動，硅熔液余量和添加原材料速度的影響。這里稱之為“動態(tài)”控制參數(shù)。為保證晶棒的穩(wěn)定生長，需要經(jīng)過一系列的科學的試驗，建立起這些動態(tài)控制參數(shù)變化的數(shù)學模型，依據(jù)該數(shù)學模型編制控制程序，由控制系統(tǒng)進行完全自動化控制。

利用數(shù)學模型和控制程序，同一設備就具備了生產(chǎn)不同摻雜的晶棒產(chǎn)品的能力。提高了設備利用率，降低成本。不同的摻雜要求，需要建立起不同的數(shù)學模型和控制程序，才能保證不同摻雜要求的晶棒的品質(zhì)，以及生產(chǎn)成本的良好控制。數(shù)學模型和控制程序?qū)⒊蔀橹耸挚蔁岬闹R產(chǎn)權，也是半導體尖端技術的一部分。

10 磨削切片

最后，加工成的晶棒為半成品，需要進行磨削加工，使得晶棒直徑尺寸精度符合要求。然后晶棒被切成薄片，經(jīng)過磨削或研磨后，作為集成電路的原材料銷售給集成電路芯片廠。