芯片制造为什么用单晶硅片做衬底?

作者:admin  来源:中国科学院半导体研究所  发布时间:2023-11-02  访问量:12787

硅片是一种薄而平整的硅材料,通常以6英寸、8英寸、12英寸等规格制造而成。单晶硅则是硅的单晶体,具有基本完整的点阵结构,因此在不同方向上具有不同的性质,是一种良好的半导体材料。为了确保制造出高品质的硅片,其纯度要求达到99.9999%或甚至更高,杂质含量需要降到10-9的水平。

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单晶硅片是半导体器件制造的基础材料,应用广泛。计算机芯片、智能手机中的处理器、存储器、传感器等都是使用单晶硅片制造的。那么在芯片制造中为什么都喜欢用单晶硅作为衬底材料呢?那是因为单晶硅片具有以下优点:


1.显著的半导体性能


单晶硅是一种半导体材料,具有较弱的导电性。该材料的电导率受光、电、磁、温度等因素的影响,随着温度的升高而增加。超纯的单晶硅属于本征半导体,但在其中掺入ⅢA族元素,如硼,则可形成p型硅半导体,掺入微量的ⅤA族元素,如磷或砷,则可形成n型硅半导体。通过扩散作用,将p型半导体与n型半导体制作在同一块半导体基片上,可以形成p-n结,这种结构具有单向导电性,是电子技术中许多器件所利用的特性。

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2.高纯度

单晶硅片由高纯度的硅材料制成,通常纯度在99.9999%以上。这种高纯度确保了硅片中的杂质含量非常低,这对于半导体器件的制造非常重要。这是因为即使微量的杂质也可能导致器件性能的不稳定性或短寿命。因此,使用高纯度的单晶硅片可以确保器件性能的稳定性和长寿命。


3.高度均一性


单晶硅片是在高温下生长的,这使得其晶体结构非常均一。在其他制造方法中,硅片的结构会因为成长条件的变化而出现微小的差异,这会导致器件的性能不稳定。因此,单晶硅片可以确保制造出的器件具有更好的均一性和更高的性能。


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4.高可控性


单晶硅片的生长过程可以非常精确地控制,因此可以根据特定的需求制造出具有不同性能的硅片。这种可控性使得单晶硅片成为了制造高性能半导体器件的理想选择。


5.可重复性好


由于单晶硅片的生长过程是高度可控的,因此可以非常容易地生产出具有相同性能的硅片。这种可重复性是半导体器件制造的重要因素之一,因为它可以确保生产出的每个器件都具有相同的性能。


6.单晶硅片生产流程简便


单晶硅是由单晶硅棒经过一系列工艺切割而成的。制备单晶硅的方法主要有直拉法(CZ法)、区熔法(FZ法)和外延法,其中直拉法和区熔法常用于制备单晶硅棒材。功率半导体器件对区熔硅单晶的需求量最大。

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直拉法(CZ法)是一种常用的制备单晶硅的方法,其特点是在一个直筒型的热系统汇中,用石墨电阻加热多晶硅,将熔化的多晶硅经过引晶、放大、转肩、等径生长、收尾等过程制成单晶。

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区熔法是利用多晶锭分区熔化和结晶半导体晶体生长的方法,通过控制温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动,经过熔接单晶籽晶和整根棒料的生长过程,得到单晶。