單晶硅生長技術及氧缺陷控制方法

摘 要：本文介紹了單晶硅的基本概念和用途，并對單晶硅的幾種主要制備方法做了簡單介紹。同時結合生產(chǎn)實際經(jīng)驗，對單晶硅中的主要雜質——氧，提出了幾種控制方法。

關鍵詞：單晶硅;生長技術;氧缺陷

1 單晶硅的概念

半導體材料的電學性質和其他物理性質對晶格缺陷以及所含雜質的種類和數(shù)量非常敏感。制作各種半導體器件，尤其是集成電路和大規(guī)模集成電路的制作更需要均勻性好的大直徑完善單晶。目前不僅能制造無位錯的完善單晶，而且還可以將位錯密度控制在一定范圍內(nèi)[1]。無位錯單晶的直徑已達到200mm規(guī)格化。

2 單晶硅的生長方法

生長單晶的方法有很多種，但基本上可分為：從熔體中的生長法、從溶劑的溶液中生長法和氣相生長法[2]。

從熔體中生長單晶的方法，根據(jù)具體的工藝又分為立式和水平布里支曼法、立式和水平區(qū)溶法、直拉法和粉末法等。立式區(qū)熔法又稱無坩堝區(qū)熔法。從溶液中生長單晶的方法有溶劑層移動法，液相外延法等。從氣相生長單晶方法，又可分為熱分解或氫還原CVE、利用歧化反應的CVE以及分子束外延法等。

體單晶硅的制備主要用直拉法和區(qū)溶法。薄層單晶硅的制備主要用硅的化合物熱分解或氫還原的CVE及分子束外延法。

直拉法又稱為喬赫拉爾斯基法。這種方法生長的單晶硅徑向雜質分布比較均勻，但縱向分布就差一些。另外，拉制單晶時熔體直接與石英坩堝接觸，會引進一些氧原子及碳沾污。

目前用區(qū)熔法能生長直徑100mm，長1m以上的單晶硅，這種單晶中縱向雜質分布比較好，但徑向分布不如直拉法的單晶。

用氣相外延法（如SiH4的熱分解或SiCl4氫還原）能夠制備質量非常好的薄層單晶，一般器件大多制作在這個外延層中。氣相外延是目前在器件生產(chǎn)中不可缺少的工藝。

為了滿足器件對材料的導電類型和電阻率的要求，在直拉法中采用在熔體中摻雜的方法，在無坩堝區(qū)熔中采用的摻雜方法有多種。前些年，我國主要采用溶液摻雜法，最近提出了一些新的行之有效的摻雜方法。如：離子注入法、中子照射摻雜法。

由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度越來越高，因此單晶硅中微缺陷的多少決定了材料的優(yōu)劣。在直拉晶體頸部，常見無旋渦缺陷晶體，在快速生成晶體中，如區(qū)熔或直拉硅單晶，其生長速度為4-5mm/min時，則可完全控制旋渦缺陷的形成。

3 直拉單晶硅中氧缺陷的控制方法

單晶硅中的氧主要由石英坩堝帶入：SiO2+Si→2SiO。熔體硅液與石英坩堝發(fā)生化學反應，產(chǎn)生SiO氣體揮發(fā)物，其中99%的SiO會以氣體形式揮發(fā)，一部分氧進入熔體中，如圖1。

圖1 ?單晶硅中氧的帶入

氧作為單晶硅中的主要雜質，對單晶的品質有嚴重影響。氧在晶體冷卻過程中會形成復合物，例如B：O/Fe：O等，對單晶硅的電性能、少子壽命等產(chǎn)生不良影響。

直拉單晶硅中氧缺陷的控制方法：

①通過優(yōu)化熱場設計減少氧的帶入。根據(jù)氧帶入的特點，通過優(yōu)化加熱部件的設計，從而達到改善熔體內(nèi)熱對流的目的，降低氧的帶入。

②通過優(yōu)化工藝條件減少氧的帶入。有試驗表明，直拉法拉制單晶硅時，通過爐內(nèi)真空壓力的調(diào)整，可以得到不同的氧含量。所以合適的爐內(nèi)壓力，將對氧含量的改善帶來明顯的好處。

③改變晶堝轉降低氧含量。單晶硅中的氧含量呈頭高尾低分布，但是尾部氧含量的反翹在實際生產(chǎn)中會比較嚴重，有30%左右的情況尾部的氧含量會比頭部更高。

單晶硅中的雜質分凝系數(shù)較小，雜質會向尾部富集，晶棒尾部的品質一般較頭部、中部更差，故降低尾部雜質含量對提高單晶硅整體品質十分必要。

圖2 ?單晶硅中氧的分布

晶體尾部氧含量升高的原因是隨著溶液液位的不斷下降，溶液的蒸發(fā)面積會減小，從而導致了石英坩堝中的SiO不能及時揮發(fā)被氬氣帶走，更多的溶解在熔體之中，有研究表明，可以采取在液位線降低到坩堝R部以下的位置時，采取變堝轉的方法，將堝轉升高促使熔體對流加劇，從而達到揮發(fā)物被及時帶走、降低尾部氧含量的效果。

4 總結

隨著人們對清潔能源的使用需求越來越強烈，太陽能發(fā)電的普及一定為時不遠，硅材料作為太陽能發(fā)電的主要材料，暫時還具有不可替代性。單晶硅作為電池材料中的高端產(chǎn)品，應用前景十分廣闊。如何生產(chǎn)出成本低廉、品質優(yōu)良的單晶硅片，還需要行業(yè)工作者們不斷努力。

參考文獻：

[1]劉立新，羅平，李春，等.單晶硅生長原理及工藝[J].長春理工大學學報（自然科學版），2009（12）.

[2]任丙彥，羊建坤，李彥林.Φ200mm太陽能用直拉硅單晶生長速率研究[J].半導體技術，2007（02）.

作者簡介：孫姝（1989-），女，湖北鐘祥人，碩士，現(xiàn)在寧夏建設職業(yè)技術學院材料工程系任教師，研究方向為材料工程技術。