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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 300 mm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，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 300 mm 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3.4～4 mm 直径的籽晶能够承受 110 kg 的重量； [4] 若缩颈时，直径减小到6 mm，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500C 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1 300mm 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