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Silicium CZ vs FZ : croissance cristalline Czochralski et par zone fondue

Presque tous les wafers de silicium proviennent d'un monocristal obtenu par l'une de deux méthodes. Dans la méthode Czochralski (CZ), un germe cristallin est plongé dans du silicium fondu contenu dans un creuset en quartz, puis tiré lentement vers le haut. Dans la méthode de la zone fondue (FZ), un barreau de polysilicium est fondu sur une zone étroite par une bobine, et cette zone est déplacée le long du barreau, si bien qu'aucun creuset ne touche le silicium. La méthode CZ est moins chère et produit de grands wafers ; la méthode FZ donne un silicium plus pur.

CritèreMéthode CZMéthode FZ
Croissance du cristalUn germe est plongé dans du silicium fondu dans un creuset en quartz, puis tiré vers le haut en rotationUne bobine radiofréquence fond une zone étroite d'un barreau de polysilicium, et cette zone est déplacée le long du barreau
Contact avec un creusetOui, l'oxygène du quartz se dissout donc dans le bain fonduNon, il y a donc très peu d'oxygène
Teneur en oxygèneÉlevéeTrès faible
Pureté et résistivitéPureté moindre ; résistivité limitée (la variante MCZ avec champ magnétique aide)Pureté très élevée et résistivité très élevée
DopageLe dopant est ajouté au bain ; la concentration varie le long du lingotDopage gazeux, ou dopage par transmutation neutronique (NTD) pour un phosphore uniforme
Diamètre des wafersJusqu'à 300 mm en productionTypiquement jusqu'à environ 200 mm ; les tailles supérieures sont difficiles
CoûtPlus faible, et les grands lingots offrent un bon rendement de productionPlus élevé
Résistance mécanique et getteringLes précipités d'oxygène renforcent le wafer et piègent les impuretés métalliques (gettering intrinsèque)Ne bénéficie pas de ces avantages, les wafers peuvent donc être plus fragiles
Usages typiquesLa grande majorité des wafers : logique, mémoire et cellules solairesComposants de puissance haute tension (comme les IGBT), détecteurs, composants RF à haute résistivité

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

CZ
Le choix par défaut pour les puces courantes. Elle permet les plus grandes tailles de wafers et est la plus économique.
FZ
Lorsque la haute pureté et la très haute résistivité comptent plus que le coût ou la taille des wafers, principalement pour les composants de puissance et les capteurs.

Questions fréquentes

Pourquoi la méthode CZ est-elle la plus courante ?

Elle est moins chère, produit de grands lingots (wafers jusqu'à 300 mm en production) et donne des wafers contenant des précipités d'oxygène qui les renforcent et piègent les impuretés.

Pourquoi le silicium FZ a-t-il une résistivité plus élevée ?

Aucun creuset ne touche le silicium : il capte donc très peu d'oxygène et d'autres impuretés, ce qui permet une pureté et une résistivité très élevées.

Qu'est-ce que le dopage par transmutation neutronique ?

L'irradiation du silicium FZ par des neutrons convertit certains atomes de silicium en phosphore, ce qui donne un dopage de type n très uniforme.

À quoi servent les wafers FZ ?

Aux composants de puissance haute tension comme les IGBT, aux détecteurs et aux composants RF à haute résistivité.

Vérifier vos connaissances

Quelle caractéristique du silicium monocristallin obtenu par la méthode FZ (zone flottante) est correcte ?

  1. AC'est la méthode qui se prête le plus facilement aux grands diamètres et la méthode dominante pour les wafers de 300 mm
  2. BComme aucun creuset en quartz n'est utilisé, il contient peu d'impuretés comme l'oxygène, et des cristaux de haute résistivité sont faciles à obtenir
  3. CLe silicium polycristallin est monocristallisé sans être fondu
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Réponse : B. Comme aucun creuset en quartz n'est utilisé, il contient peu d'impuretés comme l'oxygène, et des cristaux de haute résistivité sont faciles à obtenir

La méthode FZ fond une zone d'un barreau de silicium polycristallin par chauffage par induction haute fréquence et déplace cette zone fondue pour monocristalliser le barreau. Sans creuset, l'incorporation d'oxygène est faible, et les impuretés se concentrent dans la zone fondue et sont éliminées ; on obtient ainsi des cristaux de haute pureté dont la résistivité peut dépasser 1000 Ω·cm. Ils servent aux composants de puissance à haute tenue en tension (IGBT, etc.) et aux détecteurs, mais les grands diamètres sont plus faciles en CZ, la limite étant d'environ 200 mm.

Quelle impureté provenant du creuset est incorporée en quantité relativement importante dans le silicium tiré par la méthode CZ ?

  1. AL'or
  2. BL'oxygène
  3. CL'hélium
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Réponse : B. L'oxygène

Dans la méthode CZ, le silicium est fondu dans un creuset en quartz (SiO2), et l'oxygène dissous depuis le creuset est incorporé dans le cristal à environ 10¹⁸ cm⁻³. L'oxygène ancre les dislocations et améliore la résistance mécanique du cristal, et les précipités formés par traitement thermique servent de sites de gettering ; en excès, il provoque cependant des défauts et des donneurs thermiques. Sa concentration est donc contrôlée, par exemple par la méthode MCZ qui applique un champ magnétique pour freiner la convection, et spécifiée selon l'application.

Dans la méthode CZ, quel est l'objectif principal du contrôle du rapport (V/G) entre la vitesse de tirage et le gradient de température dans le cristal ?

  1. AContrôler le type et la quantité de défauts ponctuels (lacunes ou silicium interstitiel) incorporés dans le cristal afin de réduire les défauts cristallins
  2. BChanger la couleur du cristal
  3. CProlonger la durée de vie du creuset
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Réponse : A. Contrôler le type et la quantité de défauts ponctuels (lacunes ou silicium interstitiel) incorporés dans le cristal afin de réduire les défauts cristallins

Le rapport entre la vitesse de tirage V et le gradient de température G près de l'interface détermine si les défauts ponctuels incorporés en excès dans le cristal sont des lacunes ou du silicium interstitiel. Avec un V/G élevé, les lacunes en excès s'agglomèrent en microcavités (COP) ; avec un V/G faible, le silicium interstitiel en excès forme des boucles de dislocation. Un tirage dans l'étroite fenêtre où les deux s'équilibrent donne un cristal quasiment exempt de ces deux types de défauts (cristal parfait, silicium parfait).

  1. Quel dopant est typiquement ajouté au bain fondu pour obtenir du silicium de type p par la méthode CZ ?
  2. Quelle méthode irradie du silicium FZ par des neutrons pour transformer une partie du silicium en phosphore et obtenir un type n uniforme ?
  3. Quelle méthode applique un champ magnétique au creuset de la méthode CZ pour freiner la convection du bain et contrôler notamment la concentration d'oxygène ?

Questions d'entraînement sur Plaquettes de silicium

Termes clés expliqués

Méthode CZ (Czochralski)
Méthode de fabrication d'un monocristal consistant à plonger un germe dans du silicium fondu en creuset, puis à le tirer vers le haut en le faisant tourner.
Méthode FZ (zone flottante)
Méthode qui fait fondre localement un barreau de silicium polycristallin et déplace la zone fondue pour obtenir un monocristal. Sans creuset, peu d'oxygène : adaptée aux plaquettes à haute résistivité.
Méthode MCZ (Czochralski sous champ magnétique)
Variante de la méthode CZ appliquant un champ magnétique au creuset pour freiner la convection du bain. Elle facilite le contrôle de la concentration d'oxygène incorporé et est utilisée pour les cristaux de grand diamètre.

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