单晶硅生产工艺中的关键技术

王金全

(飞思卡尔半导体（中国）天津有限公司，天津300385)

自1958年TI开发出全球第一颗集成电路(英文IC)，IC的时代正式开始。从此，各品种的IC不断被开发出来，集成度也不断提升。从小型集成电路 SSI，发展到 MSI、LSI、VLSI、ULSI，再到今天，短短50年时间，包含千万个以上晶体管的集成电路已经被大量生产，并应用到我们的生活、工作的各领域中来，为我们的生活带来飞速的发展。电脑、网络、全自动化生产线、无人工厂……。无法想象，离开半导体产业，我们的生活将会怎样？半导体技术的发展状况已经成为一个国家的技术状况的重要指针，电子技术也成为一个国家提高国防能力的重要途径。

IC是怎样制成的？图1是一颗集成电路典型的剖面图。IC的最核心部分是如图中显示的芯片(Chip)。芯片，是以晶圆(英文Wafer)为基础，经过淀积，涂膜，显影，蚀刻，离子植入，扩散等工艺制成。芯片中全部的物理功能电路区只占据芯片表面很薄的一层，约为整个芯片体积的1%，剩余的99%体积的材料均为单晶硅。

图1 集成电路剖面示意图

目前，全球集成电路工业制造的IC，超过98%都是使用单晶硅为原材料。在晶圆制造工业界，有两种生长单晶硅的方法。Czochralski法(简称CZ法)，和FloatZone法(简称浮熔法，或FZ法)。CZ法生长出来的单晶硅，主要用来生产低功率的集成电路；FZ法生长出来的单晶硅，主要用来生产高功率的电子元件。CZ法单晶硅大约占了总产量的85%。CZ法之所以比FZ法更普遍被半导体工业界采用，主要是由于它的高含氧量(12～14 ppMa)提供了晶片强度和除杂的双重优点。另一个原因是CZ法比FZ法更容易生产出大尺寸的单晶棒。单晶棒尺寸越大，芯片的成本越低，因而更具有市场竞争力。本文着重介绍CZ法生产单晶硅的工艺中的关键技术要点。

1 设备结构

CZ法生产单晶硅的设备(如图2)由4部分组成：

(1)炉体：包括石英钳锅、石墨钳锅、加热组件、炉壁等；

(2)晶棒和上升旋转机构：包括晶种夹、旋转机构；

(3)气体氛围与压力：包括真空设备系统、Ar气流量及压力控制系统；

(4)控制系统：包括传感器和电脑控制设备。

图2 一个典型的CZ生长炉示意图

2 掺杂要求

制作单晶硅晶棒的原材料是多晶硅(也叫高纯硅)。另外生产单晶硅棒时还需加入掺杂物。掺杂物的种类分为n型或p型。p型掺杂物为硼，n型掺杂物一般为磷。依据半导体元件应用上的各种不同的电性要求，掺杂物的种类和浓度均有所不同。

当多晶硅原料和掺杂物加入石英钳锅内后，抽真空并通入氩气。然后开始加热至熔化温度(1420℃)以上，多晶硅原料熔化。当硅熔液的温度稳定以后，将晶种慢慢浸入溶液表面中，使熔融硅按照晶种晶格的方向生成晶体，即单晶硅。

3 晶棒的上升速度和旋转速度

当单晶硅刚开始沿着晶种生成之初，须降低晶棒的拉速与硅熔液温度，使得晶体的直径渐渐增大到所需尺寸。随后旋转机构不断上升，熔融的硅材料依次在晶棒的末端结晶，最终生成单晶硅棒。

旋转机构的旋转有两个作用：一是使晶棒呈圆柱形，一是保持晶棒内的掺杂物分布均匀。旋转机构的转速越低越有利于结晶生长，旋转机构的转速越高则晶棒内的掺杂物分布越均匀。旋转机构的转速需优化到既能达到集成电路产品对掺杂均匀性的要求，又要保证足够的生产产能，以控制生产成本。

4 加热功率的调整

由于晶棒生长的过程中，液面会逐渐下降溶液量变少，加热的功率也应相应地降低，以保持熔液的温度稳定。另外，晶棒的不断加长，晶棒的散热速率也在不断地变化，因此，晶棒的拉速与熔融硅温度应不断调整，这对于维持晶棒的直径精度在±2mm之间至关重要。因工艺不同，有的单晶硅炉可以连续加入多晶硅原材料，因此可以加工出更长的晶棒。

5 蒸汽压力

石英钳锅的主要成分为二氧化硅，二氧化硅和熔融的硅溶液发生化学反应，生成一氧化硅。真空状态下，一氧化硅产生蒸汽在硅溶液里引起沸腾现象，造成长晶困难。因此，长晶炉内必须持续通入氩气，以保持长晶炉内的压力大于一氧化硅蒸汽压力。通入氩气的另一目的是要同时带走一氧化碳气体 (一氧化碳是由一氧化硅与石墨元件反应而生成)，以避免一氧化碳溶入硅溶液，造成晶棒的碳污染。

6 原材料纯度

除了石英钳锅、石墨元件、氩气等有可能带入杂质外，多晶硅原材料的纯度及其使用量对杂质的含量和浓度起主要作用。在晶棒生长的过程中，杂质在固相中的浓度低于液相中的浓度。于是在固液界面处，过剩的杂质逐渐在液相中积累，浓度渐渐上升而高于其它熔液中的浓度。这种现象称作偏析。高浓度杂质的熔液固化温度低于定浓度熔液的固化温度。若炉内熔液的实际温度低于固化温度，固液界面将会出现不稳定现象，这种现象称为过冷。过冷现象很容易导致多晶硅的生长。因此，单晶硅晶棒生产所使用的原材料的纯度非常高，其所含的不纯物的浓度低于1012atom/cm3。

7 钳锅的上升和旋转

为了降低固液界面处熔液中的杂质浓度，钳锅自身也进行着上升和旋转运动。旋转的目的是使杂质向周围扩散，熔液各处的温度更趋均匀，避免过冷现象的发生。钳锅上升是因为在晶棒变长、熔液逐渐减少的过程中，晶棒需要在上炉腔冷却，钳锅内的熔液则需要相应上升保持固液界面的合理位置。

8 晶棒内的热应力的控制

当石英钳锅内的熔融硅将近用完时，如果立刻将晶棒与液面分开，晶棒内的热应力将使晶棒内的硅原子排列出现滑移和错位。为了避免这一问题，必须将晶棒的直径慢慢缩小，直到变成一圆锥形尖端后再与液面分离，然后长完的晶棒再上升至上炉室冷却一段时间后取出。至此，高纯硅的多晶硅原料被加工成单晶硅晶棒。

9 控制系统和工艺参数优化

在以上论述的各个关键技术要点中，掺杂，蒸汽压力，原材料纯度，晶棒内的热应力的控制具有相对稳定的特点。这里称之为“静态”控制参数。而晶棒的上升旋转速度、加热功率、均受到晶棒长度(散热速度)，炉内温度波动，硅熔液余量和添加原材料速度的影响。这里称之为“动态”控制参数。为保证晶棒的稳定生长，需要经过一系列的科学的试验，建立起这些动态控制参数变化的数学模型，依据该数学模型编制控制程序，由控制系统进行完全自动化控制。

利用数学模型和控制程序，同一设备就具备了生产不同掺杂的晶棒产品的能力。提高了设备利用率，降低成本。不同的掺杂要求，需要建立起不同的数学模型和控制程序，才能保证不同掺杂要求的晶棒的品质，以及生产成本的良好控制。数学模型和控制程序将成为炙手可热的知识产权，也是半导体尖端技术的一部分。

10 磨削切片

最后，加工成的晶棒为半成品，需要进行磨削加工，使得晶棒直径尺寸精度符合要求。然后晶棒被切成薄片，经过磨削或研磨后，作为集成电路的原材料销售给集成电路芯片厂。