功率半导体 | 硅材料、硅片制造工艺

一、硅片是什么

本节将介绍功率半导体的原料硅单晶和硅片。其他新型半导体材料将在第10章介绍。

硅材料的品质是功率半导体的关键

让我们详细地了解一下硅和硅片(Wafer：硅片译自英文 Siicon Wafer，有时英文中也会写成 Silicon Slice。Slice的意思就和切火腿片的切片意思相同)知识。笔者认为，功率半导体的性能大大依赖于硅材料的品质。当然，这并不是说数字电路、存储器等就不用重视硅材料的品质但是相比较而言，功率半导体对硅的依赖性更强一些，请读者明白。首先，硅元素(Si)在元素周期表中，位于Ⅳ族，与碳元素(C)和锗元素(Ge)属于同一族，见下图。

在了解硅单晶的制作工艺之前，希望读者了解这些知识。虽然现在硅已经是半导体材料的主流，但在半导体产业的初期并不是这样。就像2-6节所说，当时第一个晶体管所使用的材料是硅的同族元素锗。至于为什么后来用硅替代了错，一是因为硅元素在地壳中储量丰富(根据克拉克值：指各种元素在地壳中平均含量百分数。硅的克拉克值仅次于氧，是地壳中含量第二丰富的元素);二是硅的氧化物非常稳定。

硅片是什么

从下图的照片中可以看到硅片形状（半导体器件所使用的硅片是圆形。太阳能电池所用的是正方形硅片，或稍微截去四个角的正方形硅片。）是圆形的。硅片的尺寸和厚度规格都是由SEMI(国际半导体产业协会)制定的。

硅片的尺寸都以英寸为单位。最初硅片的尺寸都是以英寸为单位，但是当人们开发出5英寸以上的硅片后，就开始以毫米(mm)为单位了。但业界还是习惯以英寸来表述，因此为了避免混乱，决定也采用英寸单位。换算过来，5英寸就是125mm、6英寸就是 150mm、8英寸就是 200mm。

英文单词 Wafer 翻译成中文其实也有很多不同的说法，适用于不同的场合。为避免混乱，统一翻译为硅片。Wafer 的原意其实是薄饼、威化饼，跟冰激凌一起吃的话味道好极了。

高纯度多晶硅

前面说到，硅在地壳中含量非常丰富。但多数并不是以单质硅的形态存在，而是以硅的氧化物形态存在，因为单质硅很容易氧化，并且其氧化物的化学性质非常稳定。制造硅片，首先要开采石英砂(主要成分就是二氧化硅，SiO₂,);然后用碳使其发生还原反应得到低纯度的单质硅，称为粗硅，或金属硅、冶金级硅;再经过多道化学提纯工艺，得到多晶硅。但这仅仅是硅片制造的前期准备。用于半导体芯片制造的多晶硅的纯度必须做到11个9，就是说99.999999999%的纯度，这个纯度级别的硅被称为半导体级硅，超高纯硅。多晶硅中的多晶意思是说，在一整块硅晶体中含有无数更小的晶粒，每颗晶粒方向随机，并且有自己的晶界与其他晶粒隔开。单晶硅的单晶是指一块晶体整体就是一颗巨大的晶粒，内部原子排列方向是统一的，并且是连续的，没有晶界的阻隔。

下图是多晶硅棒的生产流程图。这套方法被称为西门子法，最早是德国的西门子公司Θ开发出来的。首先金属硅在流化床(300℃)反应得到三氯硅(SiHCI₃)气体接着用蒸馏塔对其提纯。然后将三氯氢硅气体与氢气混合送人还原炉(西门子炉)。炉子的气密性极好，没有杂质的污染，内部有一根通电加热(1100℃)的细硅棒，两种气体发生反应生成单质的硅，在细硅棒上结晶成为多晶硅。硅棒的横截面面积会不断增大，达到一定尺寸后，就得到了高纯度的多晶硅棒。

二、硅片的制造方法与差异

本节将介绍硅片的制造方法。功率半导体所使用的硅片与一般的硅片又略有不同。

两种硅片制造方法

制造硅片前，首先要得到硅的单晶。硅单晶的制造大致分为两种方法，一种是坩直拉法(Czochralski法，CZ 法，波兰的杨·柴可拉斯基发明的方法。发明这种方法本来是为了其他研究目的，但后来人们发现这种方法非常适合于制造单晶硅。)，另一种是悬浮区熔法(FloatingZone法，FZ法)。目前集成电路制造所用的硅片都是通过CZ法制造的(CZ硅片)。与之相对，Z法得到的硅片(FZ硅片)就适合功率半导体的制造。原因是集成电路需要大尺寸硅片(硅片尺寸越大单位器件成本越低)，而功率半导体对硅片尺寸要求不高。无论是哪一种方法，其原料都是高纯度多晶硅。日本硅片的主要生产企业是德山(TOKUYAMA)。

坩埚直拉法

坩埚直拉法的过程如下图所示。在坩埚里将高纯度多晶硅加热熔融成液态，将一粒籽晶从上方悬挂浸人液态硅中，籽晶的晶向必须严格对准一个方向。将籽晶缓慢向上提拉，所以这个方法被叫作直拉法。籽晶提拉的同时，坩埚缓慢旋转，液态硅就会在籽晶上沿着同样的晶向生长，长成柱状的单晶硅棒。取出硅棒后，用特殊的线锯将硅棒的头部和尾部切掉，并把中部切割成许多一定厚度的硅片。

如此得到的硅片是未经掺杂的本征半导体（载流子只有本征激发出来的电子，对于半导体器件来说，这样的载流子浓度是不够的），为了增大载流子浓度，就必须在熔融多晶硅的时候，掺人相应的杂质。随着坩埚直拉法的工艺不断进步，硅片的尺寸也在不断扩大，如下图所示。目前12英寸硅片已经实现了应用。这种方法需要在石英坩埚中熔融多晶硅，而石英坩埚中的氧元素在高温下，会进人液态硅中，对硅片纯度有一定影响，但这对器件性能来说问题并不大。将坩埚的尺寸、转速、籽晶的提拉速度参数进行优化，就能得到大尺寸的单晶硅片了。

悬浮区熔法

悬浮区熔法，是于1950-1960年，在美国贝尔实验室研发的区熔法(ZoneMelting)的基础上，经过西门子公司、道康宁公司(DowCorming)、通用电气公司(CE)等改进而成的。其方法是，首先将多晶硅制作成棒状，垂直摆放，然后将一定方向的籽晶固定在其下方。在硅棒的外围是RF(射频)线圈，通过感应加热使硅棒靠近籽晶的部分熔融。RF线圈的位置缓慢上移，硅棒下方熔融的部分冷却，并沿着籽晶的方向长成单晶。随着过程的推进，硅棒的上部也依次熔融和结晶，最后整个硅棒变成单晶。整个过程如下图所示。这样得到的单晶硅棒，再经过切片变成硅片。

还要说明一点以免误解:功率半导体多数使用硅片，这只是一种相对的说法，其中的一些低耐电压产品也使用 CZ 硅片。

三、P硅晶体的特点

本节将更为详细地介绍硅晶体的制造方法。

实际的 FZ 硅晶体的制造方法

下图更为详细地展示了FZ硅晶体的制造过程。首先要将多晶硅棒悬挂在单晶炉中，炉内要充满氩气作为保护，隔绝空气。开始工作时，使多晶棒沿着自身中心轴保持缓慢旋转，同时将套在硅棒外围的 RF射频线圈从硅棒底部开始缓慢上移(要注意的是下图为了画图方便，画成了硅棒下移，而不是线圈上移)。随着射频线圈的感应加热硅棒的底部最先开始熔融，如下图(a)所示。随后如下图(b)所示从硅棒的正下方，将籽晶快速插人熔融部分并快速拉出，形成一个细长的颈部，这一步骤叫作缩颈(Necking)，是为了消除位错(补充一点，其实在CZ法制造单晶硅时，也有类似这样的过程，称为 Dash 缩颈，Dash是 CE公司技术人员的名字)。然后缓慢旋转籽晶，使缓慢向下流淌的熔融物在籽晶上冷却，并按照籽晶的晶向生长。随着射频线圈加热区域不断上移[图 下图(c)]，更多的多晶硅熔融并流到下方，逐渐长成一整根单晶硅棒。最终所得到的单晶硅棒的直径，受到线圈上移的速度、射频加热的功率等因素的影响。

FZ法的优点是:①由于不使用坩埚，减少了氧元素的污染;②硅片纯度高，电阻率高。但是FZ法由于采用的是局部加热融化，热应力会导致更多的位错，晶体内的位错密度比 CZ 法高很多。

硅晶体的大尺寸化

FZ法的8英寸硅片工艺已经成熟。回顾历史，2英寸硅片是在20世纪70年代后期实现的，3英寸是在 20世纪80年代后期，4英寸是在20世纪90年代后期，6英寸是2000年以后出现的。下图给出了F 硅片直径扩大的过程。而CZ法的硅片，早在20 世纪 90年代后期就已经实现了12英寸(300mm)的工艺。顺带一提，笔者当年也曾见到过1.5~2英寸的硅片，但没有使用过。笔者亲手使用过的最早的硅片是3英寸。后来，当拿到5英寸的硅片时着实吓了一跳，硅片的尺寸几乎翻了1倍，平常取用硅片的小镊子都夹不住它了。

四、硅片为何重要

本节将解释，为什么功率半导体必须用硅片。其实关键在于偏析现象。

什么是偏析

CZ法在提拉硅单晶时，会伴随发生偏析现象。所谓偏析，是指当硅单晶不断形成并上拉的过程中，晶体内含有的杂质浓度会逐渐增大。因为随着硅原子发生结晶进入固相液相中剩余的杂质浓度会越来越高，并集中在固液交界面处。因此最后的单晶硅棒，沿着生长方向，杂质浓度会形成一个上升梯度。这种现象就是偏析，是CZ法制造晶体的普遍问题。下图左图表明，在一定的温度下，液相的杂质浓度总是会高于固相。因为这个原因，CZ 法拉制硅棒时，随着长度的增加，杂质浓度会呈现下图右图的趋势。而电阻率的变化趋势与杂质浓度相反。

由于以上原因，在对这种硅棒进行切片时，不同位置所切出的硅片杂质浓度不同，因此在硅片制造工艺中，必须根据产品的杂质浓度来划分规格。但是现在硅片制造工艺中所使用的N型杂质磷(P)和P型杂质硼(B)，相比于其他亚族和V族元素来说，所产生的偏析现象还是比较轻微的。

所谓杂质元素的掺杂，意思就是说把硅以外的元素添加到硅的晶体中来，对硅来说它们就是杂质了。掺杂的杂质元素量太多也是不好的，这被称为高浓度杂质。CZ 硅中有氧元素的混入，也是一种掺杂，这些氧元素来自坩埚中高温分解出来的氧。

这样得到的N型硅片和P型硅片，就从硅片生产企业手中到了芯片生产企业手中，用来在上面制造各种各样的半导体器件。

FZ法在杂质浓度控制方面的优点

与CZ法不同，FZ法不存在固液交界面，因此没有杂质的偏析现象。此外，随着技术的进步，人们发现了“气体掺杂法”和“中子辐照法”(NTD)等新的掺杂方法，使掺杂浓度更加均匀。气体掺杂法是一种原位掺杂法，像下图那样，在多晶硅受 RF射频线圈加热熔化后，在凝固之前对其喷射掺杂气体(磷烷 PH₃，或乙硼烷 B₂H₆。)使杂质进人硅单晶。而中子辐照法，又叫作中子嬗变掺杂，是用中子束照射硅晶体，使Si的同位素³⁰Si俘获中子变成³¹Si，然后这种不稳定的同位素³¹Si又衰变成为³¹P，从而实现了磷(P)掺杂，得到N型硅，这样的硅片掺杂均匀度相当好。功率半导体中，第3章所说的要利用硅片全部厚度的器件，就应该用这种硅片。

这里介绍一下 FZ 硅片所面临的一些课题。法是把多晶硅进行局部分段融化而逐渐形成单晶，与CZ法相比，对多晶硅的要求就比较高。就是说，CZ法是把整根多晶硅棒一次性融化，对多晶硅棒本身的均匀性就没有要求。而FZ法由于是局部分段融化，要使最后单晶的品质更均匀，就要求原本的多晶硅品质也要均匀。这就提高了生产成本。而且像之前提到的，印 硅片的大尺寸化始终是需要解决的问题。

大尺寸化进行到了哪里

功率半导体所使用的硅片，是从曾经的1.5~2英寸时代开始的。当时只能生产这样尺寸的硅片。

根据半导体产业的规律，同一片硅片上如果能生产出更多的器件，那么器件制造成本就会随之降低。人们用大尺寸的硅片，就可以在同一片硅片上生产出更多的芯片。但功率半导体的情况与 MOS存储器、MOS 逻辑电路等都不一样。以功率半导体芯片的大小，一片硅片上有时只能造一片芯片。虽然目前市场上功率半导体硅片尺寸已经做到了8英寸但今后仍然需要提高。

五、硅材料的局限

本节将讨论，硅材料的物理性质对功率半导体性能造成的局限。

硅的局限

目前半导体器件主要是由硅基材料制作的，今后很长一段时间，应该还是如此。但是很多新材料也非常受人期待。相比于化合物半导体，硅材料的载流子迁移率9较低，因此对于需要高速运行的数字电路来说，硅材料器件不是很合适，而属于化合物半导体的HEMT(高电子迁移率器件)就非常理想。但是由于微加工技术的发展，硅材料在提高集成度方面非常有潜力，因此集成电路还是以硅为主流。功率半导体也是如此，仍处于硅材料的时代。但之前曾经提到过，硅基功率半导体的导通电阻和耐电压性之间存在矛盾。功率MOSFET 的设计需要对这两个重要参数进行兼顾。

硅的局限理论上在于耐电压性

功率半导体一方面要求有高速开关性能，另一方面也要能承受高功率(高率表现为高电压)。高速和高功率都要求器件有较低的导通电阻，但这也会使器件的耐电压性降低导通电阻和耐电压性之间是正相关的关系，如下图所示，要在低电阻和高耐电压之间进行权衡(Trade off)。另外，我们将会介绍，宽禁带半导体碳化硅和氮化镓的耐电压性都要比硅强10倍。所以也就有了下图，将3种材料的导通电阻和耐电压性进行粗略对比，发现虽然变化趋势大致相同，但是在耐电压性相同的情况下，硅、碳化硅氮化镓的导通电阻依次下降，这也就是说，新材料突破了硅的局限。目前，用碳化硅和氮化镓制作的场效应晶体管已经应用在逆变器的开发中。

参考文献：

(客服电话4001021226)

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