直拉硅单晶生长的现状与发展

直拉硅单晶生长的现状与发展

摘要：综述了制造集成电路（IC）用直拉硅单晶生长的现状与发展。对大直径生长用磁场拉晶技术，硅片中缺陷的控制与利用（缺陷工程），大直径硅中新型原生空位型缺陷，硅外延片与SOI片，太阳电池级硅单和大直径直拉硅生长的计算机模拟，硅熔体与物性研究等进行了论述。

关键词：直拉硅单晶；扩散控制；等效微重力；空洞型缺陷；光电子转换效率；硅熔体结构

前言

20世纪中叶晶体管、集成电路（IC）、半导体激光器的问世，导致了电子技术、光电子技术的革命，产生了半导体微电子学和半导体光电子学，使得计算机、通讯技术等发生了根本改变，有力地推动了当代信息（IT）产业的发展．应该强调的是这些重大变革都是以半导体硅材料的技术突破为基础的。2003年全世界多晶硅的消耗，达到了19 000 t，但作为一种功能材料，其性能应该是各向异性的．因此半导体硅大都应该制备成硅单晶，并加工成硅抛光片，方可制造I C 器件。

半导体硅片质量的提高，主要是瞄准集成电路制造的需要而进行的。1956年美国仙童公司的“CordonMoore”提出，IC芯片上晶体管的数目每隔18~24个月就要增加一倍，称作“摩尔”定律。30多年来事实证明，IC芯片特征尺寸（光刻线宽）不断缩小，微电子技术一直遵循“摩尔定律”发展。目前，0.25 μm、0.18μm线宽已进入产业化生产。这就意味着IC的集成度已达到108~109量级，可用于制造256MB的DRAM和速度达到1 000MHE的微处理芯片。目前正在研究开发0.12 μm到0.04μm的MOS器件，预计到2030年，将达到0.035μm 水平。微电子芯片技术将从目前器件级，发展到系统级，将一个系统功能集成在单个芯片上，实现片上系统（SOC）。

这样对半导体硅片的高纯度、高完整性、高均匀性以及硅片加工几何尺寸的精度、抛光片的颗粒数和金属杂质的沾污等，提出了愈来愈高的要求。

在IC芯片特征尺寸不断缩小的同时，芯片的几何尺寸却是增加的。为了减少周边损失以降低成本，硅片应向大直径发展。在人工晶体生长中，目前硅单晶尺寸最大。

当代直拉硅单晶正在向着高纯度、高完整性、高均匀性（三高）和大直径（一大）发展。

磁场直拉硅技术

硅单晶向大直径发展，投料量急剧增加。生长φ6″、φ8″、φ12″、φ16″硅单晶，相应的投料量应为60 kg、150 kg、300 kg、500 kg。大熔体严重的热对流，不但影响晶体质量，甚至会破坏单晶生长。热对流驱动力的大小，可用无量纲Raylieh数表征：

R=gβb3ΔT/kν（1）

其中，β为熔体体膨胀系数，g为重力加速度，ΔT为熔体自有表面的纵向温度差，b为熔体特征尺寸（熔体高度），ν为熔体动力粘滞系数，k为熔体热扩散系数。从式（1）可以看出，R与b3成正比，与ν成反比。

抑制熔体热对流，现有两条技术途径：

1）在太空微重力环境下生长单晶体．此时g→0（低轨道卫星g→g0×10-4；高轨道卫星g→g0×10-5~g0×10-6），R→0，熔体无宏观热对流晶体生长过程中熔体质量的输运，主要依赖扩散（扩散控制机制）此时晶体完整性、均匀性可得到极大改善．这一点已在太空晶体生长中得到证实

太空生长单晶是不可能产业化的（每发射一公斤有效载荷，要耗费3~5万美元）．因此只能用于基础研究，验证有关晶体生长理论。

2）向熔体空间引入磁感应强度．众所周知，导电熔体在磁场中运动（对流），要受到罗仑兹力（Lorentz force）的阻滞。该阻滞的效果，可以理解为增加了熔体的有效粘滞性（磁动力粘滞性）。磁动力粘滞系数可表示为

νeff=(μBb)2σ/ρ（2）

其中，μ为熔体磁导率（μ=1），B为引入磁感应强度，σ为熔体电导率，ρ为熔体密度。R与g成正比，R与νeff成反比。因此，增加νeff值，与降低g 是等效的。

上述两条途径，在直拉生长条件下，存在着物理本质上的联系．太空微重力下生长单晶，熔体中质量输运为“扩散唯一机制”。磁场下生长单晶，当引入磁感应强度达到某一临界值时，一切宏观对流均因受到Lorentz力的作用而被抑制。此时熔体的质量输运，同样是“扩散唯一机制”。从而可以把后者称之为“等效微重力生长”。

把磁场下的晶体生长和等效微重力晶体生长联系起来，这是对磁场拉晶理解的深入和发展。剩下的问题是如何把引入磁感应强度的大小与等效微重力生长的量级联系起来。由于νeff的增加等效于重力g的下降，从加磁场对应磁动力粘滞系数νeff和未加磁场对应熔体动力粘滞系数出发，进而导出了

g=g0ν0/νeff

的表达式。其中，g为引入磁感应强度B所对应的等效微重力量级，g0为标准重力加速度。把半导体硅熔体有关的物性参数代入上式，可以得到在石英坩埚边缘处引入磁感应强度达到 1 500高斯时，所对应的等效微重力等级为3×10-3 g0~1×10-3 g0，这接近于一般低轨道卫生所处的微重力等级。并且晶体生长过程，可以看到明显的微重力生长效应。

磁场拉晶有一段较长的发展历史，1966年第一次把磁场引入水平生长InSb 晶体，减少了热对流和界面温度波动，起到了抑制生长条纹作用，1970年，Witt 用磁场法生长InSb晶体，未达到预期效果。20世纪70年代有人断言，直拉法引入磁场拉晶存在困难。但随着硅单晶大直径化和直拉硅控氧的要求，日本索尼公司星金治等人于1980年联合发表的“优质硅单晶的新制法”就是用磁场直拉法制备的硅单晶。1981年，第四届国际半导体会议又公布了以上成果，从此磁场直拉硅单晶在国际上活跃起来。目前制备φ8″硅单晶都必须施加磁场。引入磁场的磁力线分布有纵向、横向和Cusp等3种。从控制硅单晶氧浓度考虑，应以Cusp磁场为最佳。磁体有电磁体、低温超导磁体和永磁磁体。前两者都有复杂的装置，并消耗较大的电力和冷却水（增加一倍的水电消耗）永磁体不消耗任何水电，有诱人的应用前景。

在采用永磁Cusp磁场条件下，大直径硅单晶的等效微重力生长，不但抑制了大熔体强烈的热对流，而且通过控制马兰哥尼对流（Marangoni Convection），使得直拉硅中氧含量，可达到ppm级可控；晶体电阻率的纵向、径向均匀性和微区均匀性都得到改善，为晶体生长理论及工艺的研究，提供了一条技术途径。

目前投料量超过100 kg，生长φ8″硅单晶的单晶炉，都必须有向硅熔体所在空间引入磁感应强度的附属设备。

硅片缺陷的控制与利用（硅片缺陷工程）

硅片高完整性，主要指硅片中缺陷的消除。70年代追求完整晶体，提出“消除缺陷”的研究目标。有位错单晶，通过Dash在拉晶引晶时的缩颈技术和调整热场，可制备出无位错单晶。但在无位错硅单晶中，却发现了大量微缺陷，其尺寸在微米量级。对CMOS电路这类表面器件而言，表面微缺陷的危害，甚至比位错还要致命。进一步的研究发现，硅片中这类微观缺陷与硅中氧及其沉淀行为有密切的联系。

氧在硅片中溶解度，高温时可达到2×1018cm-3。但随着温度下降，存在于硅片中的过饱和间隙氧，要逐渐从硅晶体中析出。当这类沉淀物长大到一定尺寸，还会诱生众多的缺陷，如层错间隙型小位位错线等。这些就是硅片微缺陷的主要组成部分。

70年代中期，人们在研究中发现，并不是存在于硅片中的微缺陷都是有害的。存在于硅片表面的微缺陷有害，它对微米、亚微米级浅结器件的电参数与成品率是致命的。而存在于硅片近表面和体内的缺陷（不在器件的有源区），不但无害，而且有利于提高器件成品率与电参数。因为缺陷所产生的应力场，能够吸除器件有源区沾污的重金属杂质与原生缺陷，以保证有源区（结区）的洁净这样便发展了一种内吸除（氧的本征吸除）技术，以提高IC的成品率与电参数。对硅片中缺陷的态度，也由过去的“消除缺陷”转变为“控制缺陷、利用缺陷”。追求硅片完整性的这一转变，是硅材料科技工作者对缺陷在认识上的一个飞跃！并且促使了“缺陷工程学”的诞生与发展。对直拉硅片而言，控制、利用缺陷的关键是要实现硅片中过饱和间隙氧的可控沉淀，使得硅中氧能够按要求“定量沉淀”、“定域分布”和“定型转化”。实现这一目标的手段，就是在器件工艺前对硅片实施预热处理。通过高、低温退火，使硅片正表面氧外扩散，形成低氧清洁区，而在体内则促使氧的大量沉淀，并诱生层错、位错回线等缺陷，形成体内吸除源。

硅片预热处理的效果，受硅片过饱和间隙氧含量、受热历史以及热处理工艺的制约。如果希望得到归一化的热处理工艺，则硅中氧含量应该接近，硅片受热历史也应该归一化。热历史很难做到归一化，即使同一颗硅单晶的头、中、尾，就具有明显不同的受热历史。

另外，硅片预热处理不但增加了热工序，而且还可能导致硅片沾污和产生翘曲。因此总是希望把预热处理工序，合并到硅片IC制造工艺的热工序中去完成。这样毕其功于一役，不但节省了热工序，而且避免了常规预热处理所带来的副作用．做到这一点的关键，应该消除硅片热历史对热处理效果的影响，或者说使硅片受热历史对内吸除效应的影响，降到极其次要地位。为了达到这一目的，我们只得借助外来干扰，来消除硅片热历史的副作用，实现硅片中氧的可控沉淀。目前采用的办法有：1）通过辐照（中子辐照、电子辐照）引入辐照缺陷；2）引入杂质，其中包括在硅中掺入微量锗、氮等；3）在氮气氛中硅片快速退火，引入大量空位。上述办法，都取得了明显的效果。由于内吸除具有吸除能力大，有