单晶硅生长技术及氧缺陷控制方法

摘 要：本文介绍了单晶硅的基本概念和用途，并对单晶硅的几种主要制备方法做了简单介绍。同时结合生产实际经验，对单晶硅中的主要杂质——氧，提出了几种控制方法。

关键词：单晶硅;生长技术;氧缺陷

1 单晶硅的概念

半导体材料的电学性质和其他物理性质对晶格缺陷以及所含杂质的种类和数量非常敏感。制作各种半导体器件，尤其是集成电路和大规模集成电路的制作更需要均匀性好的大直径完善单晶。目前不仅能制造无位错的完善单晶，而且还可以将位错密度控制在一定范围内[1]。无位错单晶的直径已达到200mm规格化。

2 单晶硅的生长方法

生长单晶的方法有很多种，但基本上可分为：从熔体中的生长法、从溶剂的溶液中生长法和气相生长法[2]。

从熔体中生长单晶的方法，根据具体的工艺又分为立式和水平布里支曼法、立式和水平区溶法、直拉法和粉末法等。立式区熔法又称无坩埚区熔法。从溶液中生长单晶的方法有溶剂层移动法，液相外延法等。从气相生长单晶方法，又可分为热分解或氢还原CVE、利用歧化反应的CVE以及分子束外延法等。

体单晶硅的制备主要用直拉法和区溶法。薄层单晶硅的制备主要用硅的化合物热分解或氢还原的CVE及分子束外延法。

直拉法又称为乔赫拉尔斯基法。这种方法生长的单晶硅径向杂质分布比较均匀，但纵向分布就差一些。另外，拉制单晶时熔体直接与石英坩埚接触，会引进一些氧原子及碳沾污。

目前用区熔法能生长直径100mm，长1m以上的单晶硅，这种单晶中纵向杂质分布比较好，但径向分布不如直拉法的单晶。

用气相外延法（如SiH4的热分解或SiCl4氢还原）能够制备质量非常好的薄层单晶，一般器件大多制作在这个外延层中。气相外延是目前在器件生产中不可缺少的工艺。

为了满足器件对材料的导电类型和电阻率的要求，在直拉法中采用在熔体中掺杂的方法，在无坩埚区熔中采用的掺杂方法有多种。前些年，我国主要采用溶液掺杂法，最近提出了一些新的行之有效的掺雜方法。如：离子注入法、中子照射掺杂法。

由于超大规模集成电路的发展，集成度越来越高，因此单晶硅中微缺陷的多少决定了材料的优劣。在直拉晶体颈部，常见无旋涡缺陷晶体，在快速生成晶体中，如区熔或直拉硅单晶，其生长速度为4-5mm/min时，则可完全控制旋涡缺陷的形成。

3 直拉单晶硅中氧缺陷的控制方法

单晶硅中的氧主要由石英坩埚带入：SiO2+Si→2SiO。熔体硅液与石英坩埚发生化学反应，产生SiO气体挥发物，其中99%的SiO会以气体形式挥发，一部分氧进入熔体中，如图1。

图1  单晶硅中氧的带入

氧作为单晶硅中的主要杂质，对单晶的品质有严重影响。氧在晶体冷却过程中会形成复合物，例如B：O/Fe：O等，对单晶硅的电性能、少子寿命等产生不良影响。

直拉单晶硅中氧缺陷的控制方法：

①通过优化热场设计减少氧的带入。根据氧带入的特点，通过优化加热部件的设计，从而达到改善熔体内热对流的目的，降低氧的带入。

②通过优化工艺条件减少氧的带入。有试验表明，直拉法拉制单晶硅时，通过炉内真空压力的调整，可以得到不同的氧含量。所以合适的炉内压力，将对氧含量的改善带来明显的好处。

③改变晶埚转降低氧含量。单晶硅中的氧含量呈头高尾低分布，但是尾部氧含量的反翘在实际生产中会比较严重，有30%左右的情况尾部的氧含量会比头部更高。

单晶硅中的杂质分凝系数较小，杂质会向尾部富集，晶棒尾部的品质一般较头部、中部更差，故降低尾部杂质含量对提高单晶硅整体品质十分必要。

图2  单晶硅中氧的分布

晶体尾部氧含量升高的原因是随着溶液液位的不断下降，溶液的蒸发面积会减小，从而导致了石英坩埚中的SiO不能及时挥发被氩气带走，更多的溶解在熔体之中，有研究表明，可以采取在液位线降低到坩埚R部以下的位置时，采取变埚转的方法，将埚转升高促使熔体对流加剧，从而达到挥发物被及时带走、降低尾部氧含量的效果。

4 总结

随着人们对清洁能源的使用需求越来越强烈，太阳能发电的普及一定为时不远，硅材料作为太阳能发电的主要材料，暂时还具有不可替代性。单晶硅作为电池材料中的高端产品，应用前景十分广阔。如何生产出成本低廉、品质优良的单晶硅片，还需要行业工作者们不断努力。

参考文献：

[1]刘立新，罗平，李春，等.单晶硅生长原理及工艺[J].长春理工大学学报（自然科学版），2009（12）.

[2]任丙彦，羊建坤，李彦林.Φ200mm太阳能用直拉硅单晶生长速率研究[J].半导体技术，2007（02）.

作者简介：孙姝（1989-），女，湖北钟祥人，硕士，现在宁夏建设职业技术学院材料工程系任教师，研究方向为材料工程技术。