300mm硅片技术发展现状与趋势有研硅股

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1、300mm硅片技术发展现状与趋势周旗钢（有研半导体材料股份有限公司，北京100088）摘要：综合评述了300mm硅材料在晶体生长、硅片成形、表面质量控制、衬底优化以及表征等方面的研究现状和发展趋势,特别是国内在300mm硅技术研究中所获得的一些成果。关键词：硅材料；300mm硅片；单晶硅生长技术1前言半个世纪以来，半导体产业发展迅猛，这主要有赖于两个因素：一个是加工尺寸不断变细，提高集成度，降低器件单位成本；另一个是硅衬底尺寸不断变大，增加硅片单位面积可获得芯片的数量。而且两个因素互相影响，互相促进发展。加工尺寸不断变细，带动衬底材料质

2、量不断得到改善，衬底材料的不断改善反过来又不断促进了加工尺寸变细的实现。集成电路技术发展遵从摩尔定律，工艺线宽越来越细，并开始进入纳米时代。当前，国际主流生产技术为0.25～0.35µm，先进生产技术为0.13～0.10µm，90nm技术已开始投入小批量生产，并[1]研究成功65nm技术。按照国际半导体产业发展路线图预测，2010年将采用45纳米技术，2016年和2018年将分别发展到22nm和18nm。半导体硅衬底材料也正从200mm迈向300mm直径。130nm以下的集成电路将主要使用300mm直径的硅片，目前它的制备技术正日渐完善

3、，以适应纳米集成电路的严格要求。2硅单晶的生长技术从200mm到300mm，硅片直径增加1.5倍，晶体的重量将近似于直径的2次方增长，也就是增长大约3倍，故200mm直径硅晶锭的典型荷重为90kg，而为了获得同样多的合格硅片数量300mm直径的硅晶锭的荷重一般达200～300kg。晶体重量的大幅度增加，一方面要求有更大的坩埚装料和更庞大且昂贵的专门设备，从而大大增加了成本；另一方面，也使熔体流动、热量和质量传输、缺陷的形成和迁移等更为复杂，给300mm硅单晶的生长带来了很大的困难。另外，晶锭的提拉和搬运也成了重要问题。2.1籽晶技术30

4、0mm硅单晶生长过程中，籽晶的承载极限受热场的温度分布、籽晶的夹持方式以及回熔量[2]的影响。为解决荷重问题，一种方法是采用较粗籽晶及鼓包引晶工艺拉制无位错单晶；另一种方[3]法是采用双夹持技术。力学分析和理论计算得到3.4～4mm直径的籽晶能够承受110kg的重量；[4]若缩颈时，直径减小到6mm，断裂不发生，籽晶寿命可以延长。北京有色金属研究总院通过不同温度下的力学拉伸实验，并利用扫描电子显微术（SEM）分析籽晶断裂面，发现其断裂机制是脆性断裂，断裂的主要原因是应力集中。应力集中点主要发生于晶体特征线、直径突然变化处（如颈部与肩部结

5、合处）及缺陷。老式的籽晶和籽晶夹头由于其结构不合理，易引起严重的应力集中，即使在500?C左右高温下，籽晶也易发生脆性断裂，5mm籽晶承重不足150kg，不能安全地用于生长300mm单晶。他们重新设计了籽晶夹头和籽晶。新式的设计中，除稍微增大籽晶的尺寸（截面积）外，还对籽晶与夹头的联接部分的设计做了修改（见图1），增加受力面积，减小应力集中。用这种结构，只要引晶时直径不小于6mm，生长晶体重量不超过300kg时，是非常安全的。图1300mm硅单晶生长用籽晶及夹头示意图2.2热场技术热场设计是300mm硅单晶生长关键的核心技术，热场设计必

6、须要达到以下目标。（1）节能-高效：节约能源，主要是电能；节省消耗材料，如石墨件等；缩短生产周期，以获得高的生产效率；提高可操作性，如便于对热场部件装配和清洁，便于操作员工观测生长过程。（2）降低污染，如铁、镍、铜等金属污染。（3）热场的温度梯度合理，如要生长空位浓度高的硅单晶，则要求除生长界面附近外，晶体纵向温度足够大，径向温度梯度适量小；如要生长空位浓度低的硅单晶，则要求晶体纵向温度适量小。（4）碳可控：氧的浓度在低-中范围内可以调整，碳含量要低。为了达到上述目标，下列一些技术被采用。（1）热屏技术大直径单晶生长中一般使用热屏，改变

7、单晶的热辐射状况，调整固液界面状态及其附近温度梯度，可调控氧﹑提高生长速度﹑控制晶体内缺陷分布和节约电能。300mm晶体生长选择高纯度材料制作热屏，并巧妙地利用杂质陷阱技术，使热屏不释放杂质，这样可得到更纯净的硅单晶材料。（2）气流流向的优化设计采用外环气道的设计，气体在加热器外部流动，避免气体对加热器等的冲刷，同时可减少气体停留或产生涡流。图2所示为改进气流和老式气流设计的示意图。这样可提高加热器寿命，改善气体对熔体液面的不良影响。热屏气流加热器图2单晶炉内的气体流向设计对比(a)为优化流向方式之一(b)为老式的气体流向，冲刷加热器（

8、3）还有，高纯固化保温材料，如有高纯涂层的石墨材料、碳/碳复合材料等新材料得到应用。这些材料具有强度高、沾污小、保温效果好、抗氧化性能好等优点，有利于减小部件体积、提高生产效率、降低硅单晶内金属沾污。石墨加