单晶硅

单晶硅，又称硅单晶，是由单一籽晶(晶核)生长的单晶体的硅材料，它具有晶格完整、缺陷很少、杂质很少等特点，是集成电路的基体材料。单晶硅分为区熔单晶硅(Floating Zone Silicon, FZ-Si) 和直拉单晶硅(Czochralski Silicon, CZ-Si)两种，它们是由单晶硅晶体生长方式所决定的。

区熔单晶硅是利用区熔技术制备的，其直径小、机械加工性差。区熔单晶硅的制备是利用棒状高纯多晶硅，在下端放置具有一定晶向的单晶硅籽晶;根据所生长硅晶体的要求，籽晶的晶向一般为<111>或<100>; 然后在氩气等稀有气体保护下或真空条件下，将一定宽度的高频感应线圈放置在多晶硅棒和籽晶的结合处，对线圈通电加热，使多晶硅棒和籽晶的结合处部分熔化，形成了一段硅熔体区域;随后，将感应线圈沿多晶硅棒缓慢向上移动，使得硅熔区逐步上移;离开线圈的硅熔体温度下降，从而形成单晶硅;当硅熔区到达多晶硅棒的上端时，整根多晶硅棒就变成了单晶硅。此时的杂质因分凝系数的不同，将位于晶体棒的头尾两端。因此，区熔工艺不仅是制备单晶的工艺，也是提纯的工艺;通过多次区熔过程，可以制备探测器级高纯硅晶体。

直拉单晶硅是利用晶体直拉生长技术制备的单晶硅，其晶向为<111>或<100>。直拉单晶硅生长示意图如图9-1所示。由图可见，晶体炉的外层是保温罩，内层是石墨加热器;在炉体下部，有一个固定在支架上的石墨托，它可以旋转和上下移动;在石墨托上面安放有石墨坩埚，其内放置有高纯的石英坩埚;另外，在炉体的上方安置着籽晶轴，也可以转动和上下移动。在晶体生长时，一般通入低压的高纯氩气或氮气作为保护气; 同时，坩埚等石英件和加热器等的石墨部件都是由高纯材料制备的，以减少杂质引入直拉单晶硅中的可能性。

制备直拉单晶硅的主要工艺包括多晶硅原料装料、多晶硅熔化、种晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾等。在基本工艺的基础上，目前又开发出磁控直拉 (MCZ)单晶硅生长(目的是降低氧浓度)、连续加料直拉单晶硅生长和重装料直拉单晶硅生长等工艺。

对于直拉单晶硅，需要控制其导电类型和电阻率，因此在晶体生长时需要掺入微量电学性的杂质(又称为掺杂剂)，以满足器件制备的要求。若要得到p型半导体，一般掺入B、Al、Ga和In等III族元素杂质;若要得到n型半导体，一般掺入P、As和Sb等V族元素杂质。在晶体生长时，要考虑掺杂剂在晶体生长方向的分布，因此掺杂剂在硅熔体的蒸发系数、分凝系数是重要参数。对于p型掺杂，B是最常用的直拉单晶硅掺杂剂;而对于n型掺杂，P、As和Sb都可以作为直拉单晶硅的掺杂剂。

对于集成电路用直拉单晶硅，少数载流子寿命是主要的电学参数。除掺杂剂外，一般情况下直拉单晶硅生长需要尽量避免杂质的引入，以免影响单晶硅、器件的性能和质量。通常，直拉单晶硅中的主要杂质是氧和碳(来源于晶体生长时的石英坩埚和石墨加热器等)。缺陷是直拉单晶硅的另一个重要问题， 它会严重影响器件的可靠性和产率。对于超大规模集成电路用直拉单晶硅，首先需要控制晶体原生颗粒(COP) 的浓度。为了控制缺陷，会引人氮、锗等杂质来调控缺陷，以提高单晶硅晶体性能，这被称为“杂质工程(Impurity Engineering)"。

直拉单晶硅生长完成后，需要经过切断、滚圆、切片、磨片、倒角、抛光和清洗等工艺，制备成适合集成电路器件制造所需的硅抛光片。在制备过程中，不仅对硅抛光片的表面粗糙度、弯曲度等表面加工有非常高的要求，而且对表面金属杂质浓度也有严格的要求，以便使得硅抛光片能够满足纳米级集成电路的需求。