第二章 硅和硅片制_

第2章硅和硅片制备

硅是用来制造芯片的主要半导体材料，也是半导体产业中最重要的材料。锗是第一个用做半导体的材料，它很快被硅取代了，这主要有四个原因：

1）硅的丰裕度：硅是地球上第二丰富的元素，占到地壳成分的25%，经合理加工，硅能够提纯到半导体制造所需的足够高的纯度而消耗更低的成本。

2）更高的熔化温度允许更宽的工艺容限：硅1412℃的熔点远高于锗937℃的熔点，使得硅可以承受高温工艺。

3）更宽的工作温度范围：用硅制造的半导体元件可以用于比锗更宽的温度范围。

4）氧化硅的自然生成：硅表面有自然生长氧化硅(SiO2)的能力。SiO2是一种高质量、稳定的电绝缘材料，而且能充当优质的化学阻挡层以保护硅不受外部沾污。

现在，全世界芯片的85%以上都是由硅来制造的。

.1 半导体级硅

用来做芯片的高纯硅被称为半导体级硅（semiconductor-grade silicon）, 或者SGS，有时也被称做电子级硅。从天然硅中获得生产半导体器件所需纯度的SGS要分几步。现介绍一种得到SGS的主要方法：第一步，在还原气体环境中，通过加热含碳的硅石（SiO2），一种纯沙，来生产冶金级硅。

SiC（固体）+SiO2（固体）→Si（液体）+SiO（气体）+CO（气体）

在反应式右边所得到的冶金级硅的纯度有98%。由于冶金级硅的沾污程度相当高，所以它对半导体制造没有任何用处。

第二步，将冶金级硅压碎并通过化学反应生成含硅的三氯硅烷气体。

Si（固体）+3HCl（气体）→ SiHCl3（气体）+H2（气体）+加热

第三步，含硅的三氯硅烷气体经过再一次化学过程并用氢气还原制备出纯度为99.9999999%的半导体级硅。

2SiHCl3（气体）+2H2（气体）→ 2Si（固体）+6HCl（气体）

这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺。（图2.1）半导体级硅具有半导体制造要求的超高纯度，它包含少于百万分之（ppm）二的碳元素

和少于十亿分之（ppb）一的Ⅲ、Ⅴ族元素（主要的掺杂元素）。然而用西门子工艺生产的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子，所以也不能用在半导体制造中。

.2 晶体结构

不仅半导体级硅的超高纯度对制造半导体器件非常关键，而且它也要有近乎完美的晶体结构。只有这样才能避免对器件特性非常有害的电学和机械缺陷。

单晶就是一种固体材料，在许多的原子长程范围内原子都在三维空间中保持有序且重复的结构。

非晶材料是指非晶固体材料，它们没有重复的结构，并且在原子级结构上体现的是杂乱的结构。非晶硅对半导体器件所需的硅片来讲是没有任何用处的，这是因为器件的许多电学和机械性质都与它的原子级结构有关，这就要求重复性的结构使得芯片与芯片之间的性能有重复性。

在晶体材料中，对于长程有序的原子模式最基本的实体就是晶胞。晶胞在三维结构中是最简单的由原子组成的重复单元，它给出了晶体结构。图2.2表示了由晶胞组成的三维结构。因为晶体结构在三维方向上是等同的，晶胞有一个框架结构，像一个立方体。在自然界有7种可能存在的晶体结构。对于硅晶体来说，它的晶胞是面心立方结构，如图2.3。

如果晶胞不是有规律地排列，那么这种材料就叫做多晶材料。如果从提纯工艺中得到的半导体级硅是多晶结构，就叫做多晶硅。如果晶胞在三维方向上整齐地重复排列，那这样的结构就叫单晶。半导体芯片加工需要纯净的单晶硅结构，这是因为晶胞重复的单晶结构能够提供制作工艺和器件特性所要求的电学和机械性质。

晶胞在晶体中的方向称为晶向。晶向非常重要，因为它决定了在硅

片中晶体结构的物理排列是怎样的。不同晶向的硅片的化学、电学和机械性质都不一样，这会影响工艺条件和最终的器件性能。半导体制造中硅片常用的晶向是<100>、<111>、<110>。

.3 单晶硅生长

晶体生长是把半导体级硅的多晶硅块转换成一块大的单晶硅。生长后的单晶硅称为硅锭。在生产用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术

是Czochralski法，也称CZ法。另外还有区熔法。

2.3.1 CZ法

CZ法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85%以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。CZ拉单晶炉见图2.4。

坩锅里的硅被拉单晶炉加热，使用电阻加热或射频（RF）加热线圈。电阻加热用于制备大直径的硅锭。当硅被加热时，它变成液体，叫做熔体。一个完美的具有所需要晶向的籽晶硅接触到直拉装置并开始生长新的晶体结构。籽晶放在熔体表面并在旋转过程中缓慢地拉起，它的旋转方向与坩锅的旋转方向相反。随着籽晶在直拉过程中离开熔体，熔体上的液体会因为表面张力而提高。籽晶上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着籽晶旋转着从熔体里拉出，与籽晶有同样晶向的

单晶就生长出来了。不同的硅锭生长结果依赖于籽晶和坩锅各自的旋转方向及速度。

2.3.2 区熔法

区熔法生长单晶硅锭是把掺杂好的多晶硅棒铸在一个模型里。一个籽晶固定到一端然后放进生长炉中。用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域。加热多晶硅棒是区熔法最主要的部分，因为在熔融的晶棒的单晶界面再次凝固之前只有30分钟的时间。晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。区熔法示意如图2.5。

区熔法硅片直径要比直拉法小，由于不用坩锅，区熔法生长的硅纯度高且含氧量低。

2.3.3 追求更大直径硅锭的原因

硅锭直径从20世纪50年代初期的不到25mm增加到现在的300mm,硅片直径的历史发展趋势如图解2.6所示。更大直径的硅锭对硅锭生长中正确的晶体生长和保持良好的工艺控制提出了挑战。随着制备硅锭复杂度的增加,为什么还要继续增加硅片的直径呢?是因为增加硅片直径给硅片制备带来的成本利润。更大直径硅片有着更大的表面积来做芯片,这样就会在一个硅片上生产更多的芯片。这带来三大好处: 1) 每块芯片的加工和处理时间减少了,导致设备生产效率提高；2) 硅片边缘的芯片少了,转化为更高的生产成品率；3) 由于在同一工艺过程中有更多的