硅衬底材料及半导体器件要求概述

半导体器件对硅单晶衬底材料的厚度、晶向、尺寸、电阻率有一定的要求。由于n型半导体中载流子的迁移率大于p型半导体中载流子的迁移率（μ_n＞μ_p），所以功率器件通常采用n型衬底材料以获得较高的频率和电导。为了提高耐压，要求衬底材料具有高的电阻率，并要求径向、轴向及微区的均匀性和真实性要高；同时还要求材料晶格结构完整、无缺陷，载流子寿命应具有较高的均匀性及真实性。通常双极型器件采用＜111＞晶向的硅单晶，MOS型器件采用＜100＞晶向的硅单晶。硅单晶材料的制作方法通常有直拉法和区熔法。

1.直拉硅单晶

直拉硅单晶采用直拉单晶生长法（Czochralski，CZ）制备。它是将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制的单晶。硅单晶的生长过程实际上是由液相向固相的转化过程，要求在液相-固相界面附近必须存在温度梯度（dT/dz）。开始拉制单晶时，可以先将多晶硅和所需掺杂剂一起放入石英坩埚内熔化，然后将籽晶浸入熔体中，缓慢转动并提起。在拉制过程中，籽晶的转动速度、提拉速度及温度分布应严格控制。由于熔硅中的碳（C）与石英坩埚（SiO₂）会发生反应生成一氧化碳（CO），受热对流影响而使CO不易挥发，导致直拉单晶中的碳（C）、氧（O）含量高达10¹⁸cm^-3。为了抑制热对流，减小熔体中温度的波动，在生产中通常采用水平磁场或垂直磁场等技术。在磁场的作用下，熔硅与坩埚的作用减弱，使坩埚中的杂质较少进入熔体和晶体，从而制成磁控直拉单晶（MCZ）。MCZ减小了杂质进入，降低了晶体的缺陷密度，提高了晶体纯度和杂质分布的均匀性。

2.区熔硅单晶

区熔硅单晶通常采用悬浮区熔法（Floating Zone melting，FZ）制备，它是将籽晶和多晶硅棒粘在一起后竖直或水平地固定在区熔炉上、下轴之间，通过分段熔融多晶棒，在熔区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中使多晶硅转变成单晶硅。利用区熔法也可以制作n型和p型单晶，掺杂剂是以气体的形式被加入到晶体生长室内的惰性气氛中，通常掺磷时用磷烷（PH₃），掺硼时用乙硼烷（B₂H₆）。由于熔化区仅与周围的惰性气氛接触，所以几乎没有杂质引入到硅中，故其中C、O含量较低。如在氩气气氛中制作的区熔单晶，C、O含量为5×10¹⁵～2×10¹⁶cm^-3。经过多次这样的熔融过程，单晶的电阻率可以高达100～1000Ω·cm。目前，利用区熔法生产4～6in（ϕ100～150mm）小直径的硅单晶比较成熟，制作8in（ϕ200mm）以上的硅单晶尚有困难。所以，区熔单晶具有电阻率高、直径小等特点，适用于制作2kV左右的分立器件。

无论是直拉硅单晶还是区熔硅单晶，都存在轴向、径向电阻率的不均匀问题，无法用于6kV以上高压器件的制作。为了提高区熔单晶的均匀性，需采用中子嬗变掺杂（Neutron Transmutation Doping，NTD）法来改善其电阻率的均匀性^[1]。中子嬗变法是利用硅中存在三种均匀分布稳定的²⁸Si、²⁹Si、³⁰Si同位素[含量（质量分数）分别为92.21%、4.7%、3.0%]，在热中子（即低能中子）辐照下发生嬗变反应，生成³¹Si蜕变后形成稳定的³¹P，从而使硅单晶中的磷含量增加，形成均匀的n型掺杂。中子辐照不会引入其他杂质，由中子通量密度和辐照时间来精确控制掺杂浓度。虽然中子辐照会产生晶格缺陷，但经退火处理（750～800℃，1～3h）可以消除这些辐照损伤。由于中子嬗变法只能制作n型单晶，不能制作p型单晶，所以，n型区熔中照硅单晶常作为整流二极管、晶闸管及其派生器件、NPT-IGBT和FS-IGBT等器件的衬底材料。

图8-1给出了半导体衬底材料逐年发展路线图^[3]。可见，在衬底材料制造方面，大直径的磁控直拉（MCZ）单晶正逐渐取代悬浮区熔（FZ）单晶。与硅衬底相比，SiC衬底的产量很低，所以快速发展SiC衬底很有必要。(www.xing528.com)

3.硅外延衬底

硅外延衬底片需采用外延工艺制备。外延（Epitaxy）是指在低于晶体熔点的温度下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度及晶格结构完整性都符合要求的新单晶过程。外延技术是获得理想、完美、高质量硅材料的重要手段，也可提供一种掺入杂质均匀分布的控制方法。因外延掺杂需外延生长设备，远比扩散掺杂的成本高。为了获得良好的外延层质量，在外延生长之前需进行原位清洁处理，并要求在高温下进行外延生长。所以，在外延层生长的高温过程中，新生长的外延层和衬底之间会发生对流扩散，导致两者之间的掺杂浓度分布并非突变结分布，而存在一个杂质缓变分布的过渡区。

图8-1 半导体衬底材料的逐年发展路线图

外延层性能优于本体单晶材料，如O、C含量低，表面损伤小，避免了硅中氧化物的沉积，有利于提高少子寿命，减小器件的漏电流^[4]。在n⁺衬底上外延生长一薄层n^-硅层制成n^-/n⁺外延片，可用于制作快恢复功率二极管、高频功率双极型晶体管及功率MOSFET。有源区在n^-外延层内，n⁺硅衬底用作机械支撑层和导电层，以降低集电极（或漏极）的串联电阻。在p⁺衬底上外延生长一薄层的n^-硅层制成n^-/p⁺外延片，可用于制作PT-IGBT或功率集成电路（PIC）。在外延层上，通过p型杂质深扩散或氧化物沟槽，很容易实现PIC中元器件间的隔离。采用n^-/n⁺或n^-/p⁺外延片制作的功率器件和功率集成电路，可显著提高电路开关速度，并降低α粒子引起的软误差。