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1、集成电路制造工艺-区熔法制备单晶硅级号名师期班学姓指日: 电艺3091 38#:赵剑:张喜凤: 2010.04.25区熔法制备单晶硅作者：赵剑（陕西国防工业职业技术学院电艺309138西安户县710300）【摘要】区熔法晶体生长是在本文中介绍的技术历史上早期发展起来的几种工 艺之一，仍然在特殊需要中使用。直拉法的一个缺点是坩蜗中的氧进入到晶体中， 对于有些器件，高水平的氧是不能接受的。对于这些特殊情况，晶体必须用区熔 法技术来生长以获得低氧含量晶体。【关键词】区熔法、直拉法、单晶硅1引言集成电路通常用硅制造，硅是一种非常普遍且分布广泛的元素。石英矿就是 一整块二氧化硅。尽管硅化物储量丰富，但硅
2、本身不会自然生长，一般用大量存 在的二氧化硅作原料，经过一系列的工艺步骤就可以得到多晶硅，多晶硅经过提 纯就变成了高纯度的可以制作集成电路的单晶硅。目前制备单晶硅的常用方法有 直拉法和区熔法。本文主要介绍区熔法制备单晶硅。2单晶硅的制备区熔法又分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于错、GaAs 等材料的提纯和单晶生长。后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化 学性能活泼，容易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。 然而硅又具有两个比错、GaAs优越的特性：即密度低（2.33g/cm3和表面张力大 （0.0072N / cm），所以，能用无坩蜗悬浮区熔法。该
3、法是在气氛或真空的炉室中， 利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔 区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支 托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。21区熔法制备单晶硅利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的一种方法。区熔法是利用热能 在半导体棒料的一端产生一熔区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔区缓慢地向棒 的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。区熔法又 分为两种：水平区熔法和立式悬浮区熔法。前者主要用于错、GaAs等材料的提 纯和单晶生长。后者主676要用于硅，这是由于硅熔体的温度高，化学性能活泼， 容
4、易受到异物的玷污，难以找到适合的舟皿，不能采用水平区熔法。然而硅又具 有两个比错、GaAs优越的特性：即密度低（2.33g / cm3和表面张力大（0.0072N / cm），所以，能用无坩蜗悬浮区熔法。该法是在气氛或真空的炉室中，利用高频 线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移 动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于 多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。熔区悬浮的稳定性很重要，稳定熔区的力主要是熔体的表面张力和加热线圈 提供的磁浮力，而造成熔区不稳定的力主要是熔硅的重力和旋转产生的离心力。 要熔区稳定地悬浮在硅棒上，前两种力之和
5、必须大于后两种力之和。采用单匝盘 形加热线圈，熔区上方的多晶棒和下方的单晶棒的直径均可大于线圈的内径。区 熔时熔区不与任何异物接触，不会受到玷污，还有硅中杂质的分凝效应和蒸发效 应，生长出的单晶纯度很高。用中子嬗变掺杂方法，就能获得电阻率高、均匀性 好的硅单晶。可用于高电压大功率器件上，如可控硅、可关断晶闸管等。这些器 件被广泛地用在近代的电力机车、轧钢机、冶金设备、自动控制系统以及高压输 配电系统中。来生长单晶体的方法。将棒状多晶锭熔化一窄区，其余部分保持固态，然后使 这一熔区沿锭的长度方向移动，使整个晶锭的其余部分依次熔化后又结晶。区熔 法可用于制备单晶和提纯材料，还可得到均匀的杂质分布。
6、这种技术可用于生产 纯度很高的半导体、金属、合金、无机和有机化合物晶体（纯度可达10-610-9）。 在头部放置一小块单晶即籽晶，并在籽晶和原料晶锭相连区域建立熔区，移动晶 锭或加热器使熔区朝晶锭长度方向不断移动。区域熔化法是按照分凝原理进行材料提纯的。杂质在熔体和熔体内已结晶的 固体中的溶解度是不一样的。在结晶温度下，若一杂质在某材料熔体中的浓度为 c ,结晶出来的固体中的浓度为c，则称K=c /c为该杂质在此材料中的分凝系数。LsL sK的大小决定熔体中杂质被分凝到固体中去的效果。KV1时，则开始结晶的头部 样品纯度高，杂质被集中到尾部;K1时，则开始结晶的头部样品集中了杂质而 尾部杂质量
7、少。，使单晶不断长大。为经过一次区熔后不同K值的杂质分布。区熔可多次进行，也可以同时建立 几个熔区提纯材料。通常是在提纯的最后一次长成单晶。有时，区熔法仅用于提 纯材料，称区熔提纯。区熔夷平是使熔区来回通过材料，从而得到杂质均匀分布 的晶锭。区熔法生长晶体有水平区熔和垂直浮带压熔两种形式。2.1.1水平区熔法将原料放入一长舟之中，舟应采用不沾污熔体的材料制成，如石英、氧化镁、氧 化铝、氧化铍、石墨等。舟的头部放籽晶。加热可以使用电阻炉，也可使用高频 炉。用此法制备单晶时，设备简单，与提纯过程同时进行又可得到纯度很高和杂 质分布十分均匀的晶体。但因与舟接触，难免有舟成分的沾污，且不易制得完整 性
8、高的大直径单晶。钳锅上升旋转机枸2.1.2垂直浮带区熔法 用此法拉晶时，先从上、下两轴用夹具精确地垂直固定棒状多晶锭。用电子轰击、 高频感应或光学聚焦法将一段区域熔化，使液体靠表面张力支持而不坠落。移动 样品或加热器使熔区移动。这种方法不用坩蜗，能避免坩蜗污染，因而可以制备 很纯的单晶和熔点极高的材料（如熔点为3400C的钨），也可采用此法进行区熔。 大直径硅的区熔是靠内径比硅棒粗的“针眼型”感应线圈实现的。为了达到单晶 的高度完整性，在接好籽晶后生长一段直径约为23毫米、长约1020毫米的 细颈单晶，以消除位错。此外，区熔硅的生长速度超过约56毫米/分时，还可以 阻止所谓漩涡缺陷的生成。为确
9、保生长沿所要求的晶向进行，也需要使用籽晶，采用与直拉单 晶类似的方法，将一个很细的籽晶快速插入熔融晶柱的顶部，先拉出一个 直径约3mm，长约10-20mm的细颈，然后放慢拉速，降低温度放肩至较大直 径。顶部安置籽晶技术的困难在于，晶柱的熔融部分必须承受整体的重量， 而直拉法则没有这个问题，因为此时晶定还没有形成。这就使得该技术仅 限于生产不超过几公斤的晶锭用区熔法单晶生长技术制备的半导体硅材料，是重要的硅单晶产品。由于硅 熔体与坩蜗容器起化学作用，而且利用硅表面张力大的特点，故采用悬浮区熔法， 简称FZ法或FZ单晶。特点和应用 由于不用坩蜗，避免了来自坩蜗的污染，而且还可以利用悬 浮区熔进行多
10、次提纯，所以单晶的纯度高。用于制作电力电子器件、光敏二极管、 射线探测器、红外探测器等。Fz单晶的氧含量比直拉硅单晶（见半导体硅材料） 的氧含量低23个数量级，这一方面不会产生由氧形成的施主与沉积物，但其 机械强度却不如直拉单晶硅，在器件制备过程中容易产生翘曲和缺陷。在Fz单 晶中掺入氮可提高其强度。工艺特点 大直径生长，比直拉硅单晶困难得多，要克服的主要问题是熔 区的稳定性。这可用“针眼技术”解决，在FZ法中这是一项重大成就。另一项 重大成就是中子嬗变掺杂。它使电力电子器件得到飞跃发展。Fz技术无法控制 熔体对流和晶/熔边界层厚度，因而电阻率的波动比cZ单晶大。高的电阻率不 均匀性限制了大功
11、率整流器和晶闸管的反向击穿电压。利用中子嬗变掺杂可获得 掺杂浓度很均匀的区熔硅（简称NTD硅），从而促进了大功率电力电子器件的发展 与应用。区熔硅的常规掺杂方法有硅芯掺杂、表面涂敷掺杂、气相掺杂等，以气 相掺杂最为常用。晶体缺陷 区熔硅中的晶体缺陷有位错和漩涡缺陷。中子嬗 变晶体还有辐照缺陷，在纯氢或氩一氢混合气氛中区熔时，常引起氢致缺陷。其 中漩涡缺陷有A、B、C和D四种，其特性及易出现的主要条件列于表1。*1疆混缺陷在晶怵中的分布及其特性缺蝌奥型申晶生长速率/mm 4 nain 跳掐分布心缺陷密度憧靛直径巾苗.腐映法6.0申央曲帆分布呻】。】1不易她惜札91.Q漩涡缺陷有害，它使载流子寿命
12、下降，进而导致器件特性劣化。在器件 工艺中它可转化为位错、层错及形成局部沉淀，从而造成微等离子击穿或使PN 结反向电流增大。这种缺陷不仅使高压大功率器件性能恶化，而且使CCD产生暗 电流尖峰。在单晶制备过程中减少漩涡缺陷的措施有尽量降低碳含量、提高拉晶 速度等。90年代的水平90年代以来达到的是：区熔硅单晶的最大直径为150mm，并已商品化，直径200mm的产品正在试验中。晶向一般为111 ）和100。（1）气相掺杂区熔硅单晶。N型掺磷、P型掺硼。无位错、无漩涡缺陷。碳浓度Co 2X10 at / cm, 典型的可5 X 10i5at / cm3。氧浓度1X10i6at/ cm3。 电阻率范围
13、和偏差列于表2,少子寿命值列于表3。表2气相摧杂区培硅单晶电阻率范围与偏差电阻率范围fCl * 皿电阻率偏葬祥向变化(最大)/呢幕小n0.1 10。151015151201000201520肝0. 2*-301510g0iP 型/掺 E 30-300土跑1231?上300-3000351515暗_不分晶向口表3气相撬亲区培硅毕晶寿命值电田率葩国女于寿命/ 1 cm最小靛型1A。2005GOn型，麟PA505oaALOOFANO10 0CA据1.00500p 5V 捶 aAS。200-500400ALgO(2)中子嬗变掺杂(NTD)硅单晶。N型掺杂元素磷，无位错、无漩涡缺陷。 碳浓度C。2X 1
14、0i6at / cm3,典型的可5 X 10i5at / cm3氧浓度1 X 10i6at / cm3, 电阻率范围和偏差及少子寿命值列于表4。表4 NT1) ft单晶电阻率范围与偏差,少子寿命值电阻率范围/fi - on电阻率偏差径向变化(最大”少子寿命 仙最小标准最小10I 75200500200-300士 M106500X00 6001213100020C03区熔法制备单晶硅的工业流程及具体步骤：主要用于提纯和生长硅单晶；其基本原理是：依靠熔体的表面张力，使熔区 悬浮于多晶硅棒与下方生长出的单晶之间，通过熔区向上移动而进行提纯和生长 单晶。区熔法制备单晶硅具有如下特点：1. 不使用坩蜗，单晶生长过程不会被坩蜗材料污染2. 由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率硅单晶单晶硅建设项目具有巨大的市场和广阔的发展空间。在地壳中含量达25.8% 的硅元素，为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉。近年来，各种晶体材料，特别是以单晶硅为代表的高科技附加值材料及其相关高技术产业的发展，成为当 代信息技术产业的支柱，并使信息产业成为全球经济发展中增长最快的先导产 业。单
