硅材料

單晶硅的制作

硅單晶按拉制方法不同分為無坩堝區(qū)熔(FZ)單晶與有坩堝直拉(CZ)單晶。區(qū)熔單晶不受坩堝污染，純度較高，適于生產(chǎn)電阻率高于20歐·厘米的N型硅單晶(包括中子嬗變摻雜單晶)和高阻 P型硅單晶。由于含氧量低，區(qū)熔單晶機(jī)械強(qiáng)度較差。

大量區(qū)熔單晶用于制造高壓整流器、晶體閘流管、高壓晶體管等器件。直接法易于獲得大直徑單晶，但純度低于區(qū)熔單晶，適于生產(chǎn)20歐·厘米以下的硅單晶。由于含氧量高,直拉單晶機(jī)械強(qiáng)度較好。大量直拉單晶用于制造MOS集成電路、大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產(chǎn)。硅單晶商品多制成拋光片，但對FZ單晶片與CZ單晶片須加以區(qū)別。外延片是在硅單晶片襯底(或尖晶石、藍(lán)寶石等絕緣襯底)上外延生長硅單晶薄層而制成，大量用于制造雙極型集成電路、高頻晶體管、小功率晶體管等器件。

單晶硅的應(yīng)用

單晶硅在太陽能電池中的應(yīng)用，高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。

硅是地殼上最豐富的元素半導(dǎo)體, 性質(zhì)優(yōu)越而工藝技術(shù)比較成熟,已成為固態(tài)電子器件的主要原料。為適應(yīng)超大規(guī)模集成電路的需要,高完整性高均勻度(尤其是氧的分布) 的硅單晶制備技術(shù)正在發(fā)展。雖然在超速集成電路方面砷化鎵材料表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，但尚不可能全面取代硅的地位。硅材料在各種晶體三極管、尤其是功率器件制造方面仍是最主要的材料。無定形硅可能成為同單晶硅并列的重要硅材料。無定形硅和多晶硅太陽電池的成功將使硅材料的消耗量急劇增加。

在研究和生產(chǎn)中，硅材料與硅器件相互促進(jìn)。在第二次世界大戰(zhàn)中，開始用硅制作雷達(dá)的高頻晶體檢波器。所用的硅純度很低又非單晶體。1950年制出第一只硅晶體管，提高了人們制備優(yōu)質(zhì)硅單晶的興趣。1952年用直拉法(CZ)培育硅單晶成功。1953年又研究出無坩堝區(qū)域熔化法(FZ)，既可進(jìn)行物理提純又能拉制單晶。1955年開始采用鋅還原四氯化硅法生產(chǎn)純硅，但不能滿足制造晶體管的要求。

1956年研究成功氫還原三氯氫硅法。對硅中微量雜質(zhì)又經(jīng)過一段時(shí)間的探索后，氫還原三氯氫硅法成為一種主要的方法。到1960年，用這種方法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)已具規(guī)模。硅整流器與硅閘流管的問世促使硅材料的生產(chǎn)一躍而居半導(dǎo)體材料的首位。60年代硅外延生長單晶技術(shù)和硅平面工藝的出現(xiàn)，不但使硅晶體管制造技術(shù)趨于成熟，而且促使集成電路迅速發(fā)展。80年代初全世界多晶硅產(chǎn)量已達(dá)2500噸。硅還是有前途的太陽電池材料之一。用多晶硅制造太陽電池的技術(shù)已經(jīng)成熟;無定形非晶硅膜的研究進(jìn)展迅速;非晶硅太陽電池開始進(jìn)入市場。

硅是元素半導(dǎo)體。電活性雜質(zhì)磷和硼在合格半導(dǎo)體和多晶硅中應(yīng)分別低于0.4ppb和0.1ppb。拉制單晶時(shí)要摻入一定量的電活性雜質(zhì)，以獲得所要求的導(dǎo)電類型和電阻率。重金屬銅、金、鐵等和非金屬碳都是極有害的雜質(zhì)，它們的存在會(huì)使PN結(jié)性能變壞。硅中碳含量較高，低于1ppm者可認(rèn)為是低碳單晶。碳含量超過3ppm時(shí)其有害作用已較顯著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅單晶氧含量在5~40ppm范圍內(nèi);區(qū)熔硅單晶氧含量可低于1ppm。

硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中，為1.12電子伏。載流子遷移率較高，電子遷移率為1350厘米2/伏·秒，空穴遷移率為480厘米2/伏·秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達(dá)2.3×105歐·厘米,摻雜后電阻率可控制在104~10-4 歐·厘米的寬廣范圍內(nèi)，能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數(shù)載流子壽命較長,在幾十微秒至1毫秒之間。

熱導(dǎo)率較大?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，又易于形成穩(wěn)定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實(shí)現(xiàn)PN結(jié)表面鈍化和保護(hù)，還可以形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),制造MOS場效應(yīng)晶體管和集成電路。上述性質(zhì)使PN結(jié)具有良好特性，使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長、可靠性好、熱傳導(dǎo)好，并能在200高溫下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

硅單晶主要技術(shù)參數(shù)有導(dǎo)電類型、電阻率與均勻度、非平衡載流子壽命、晶向與晶向偏離度、晶體缺陷等。

導(dǎo)電類型 導(dǎo)電類型由摻入的施主或受主雜質(zhì)決定。P型單晶多摻硼，N型單晶多摻磷,外延片襯底用N型單晶摻銻或砷。

電阻率與均勻度 拉制單晶時(shí)摻入一定雜質(zhì)以控制單晶的電阻率。由于雜質(zhì)分布不勻，電阻率也不均勻。電阻率均勻性包括縱向電阻率均勻度、斷面電阻率均勻度和微區(qū)電阻率均勻度。它直接影響器件參數(shù)的一致性和成品率。

非平衡載流子壽命 光照或電注入產(chǎn)生的附加電子和空穴瞬即復(fù)合而消失，它們平均存在的時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數(shù)、反向電流和開關(guān)特性等均有關(guān)系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度，存在重金屬雜質(zhì)會(huì)使壽命值大大降低。

晶向與晶向偏離度 常用的單晶晶向多為 (111)和(100)(見圖)。晶體的軸與晶體方向不吻合時(shí)，其偏離的角度稱為晶向偏離度。

生產(chǎn)電子器件用的硅單晶除對位錯(cuò)密度有一定限制外，不允許有小角度晶界、位錯(cuò)排、星形結(jié)構(gòu)等缺陷存在。位錯(cuò)密度低于 200/厘米2者稱為無位錯(cuò)單晶，無位錯(cuò)硅單晶占產(chǎn)量的大多數(shù)。在無位錯(cuò)硅單晶中還存在雜質(zhì)原子、空位團(tuán)、自間隙原子團(tuán)、氧碳或其他雜質(zhì)的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈狀或螺旋狀者稱為旋渦缺陷。熱加工過程中，硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。