电子半导体器件制造中直拉单晶硅氧浓度的控制

摘 要

在电子半导体器件制造中，单晶硅的氧浓度会严重影响单晶硅产品的性能，也是单晶硅生长过程中较难控制的环节。本文介绍了直拉单晶法中氧杂质的来源、对单晶硅的影响以及氧浓度的控制方法。

【关键词】直拉单晶 氧浓度 电子半导体 集成电路

单晶硅是微电子工业的基础材料，广泛用于集成电路和功率半导体器件的制造，成为当今信息社会的基石，同时也是太阳能光伏电池的主要材料，直拉单晶硅是利用切氏法（czochralski）制备，称为CZ单晶硅。目前主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面。在单晶硅直拉工艺引入的众多杂质中，氧对材料的性能影响最大，在表征单晶硅质量的众多参数中，氧含量及其均匀性是最重要的参数之一，也是在硅晶体生长过程中较难控制的参数。

1 直拉单晶硅的氧杂质

直拉单晶硅存在杂质中氧是主要杂质，它来源于晶体生长过程中石英增锅的污染，是属于直拉单晶硅中不可避免的轻元素杂质；氧可以与空位结合，形成微缺陷；也可以团聚形成氧团簇，具有电学性能；还可以形成氧沉淀，引入诱生缺陷。研究发现，利用氧的沉淀性质，设计“内吸杂”工艺，可以达到吸除直拉单晶硅中的金属杂质，提高集成电路产品成品率的作用，因此，人们对直拉单晶硅中的氧开始了有控制的利用。

直拉单晶硅的生长需要利用高纯的石英坩埚，虽然石英坩埚的熔点要高于硅材料的熔点（1420），但是，在如此的高温过程中，熔融的液态硅会侵蚀石英坩埚，导致少量的氧进入熔硅，最终进入直拉单晶硅。直拉单晶硅中的氧一般在（5～20）×1017cm-3范围内，以过饱和间隙状态存在于晶体硅中。

2 氧对直拉单晶硅的影响

氧在硅中大部分处于间隙位置，它与硅形成的Si-O键振动在11O6cm-1处产生红外吸收带，它还与空位符合产生836cm-1红外吸收带。当CZSi单晶在350～500热处理几十小时后会产生热施主效应。用直拉法生长的硅单晶（氧含量为1018atoms/cm3）有着最著名的热施主效应，悬浮区熔单晶（氧含量为1016atoms/cm3）热施主效应不明显，另外在500～800长时间热处理，又会出现新施主效应，而且只出现在氧含量较高的直拉单晶（氧含量为5×1017atoms/cm3）中。由于热施主现象的存在使得N型样品电阻率下降和P型样品电阻率增加，而这些性质的变化影响硅片径向电阻率的均匀度，使电阻率热稳定性变差，成品率下降。氧对硅中少数载流子寿命的影响也是很复杂的，可能与硅的电阻率变化有类似的机制。

3 直拉单晶硅氧浓度的控制方法

在直拉法生产中，氧掺入硅单晶的途径是从石英（SiO2）坩埚溶解进入硅熔体，溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体/熔体界面或自由表面。由于氧在熔体中的扩散系数相当小，所以氧主要是通过对流的传输的。要想控制原生直拉单晶硅中氧的含量及其分布的均匀性，就要设法控制晶体生长过程中，氧从石英坩埚溶入熔体的溶解速率，强制调节熔体流动来控制经由熔体流动而传输的氧量。控氧的主要方法可以分为两大类：第一，通过调控拉晶条件来获得预期的最佳氧含量及其分布。第二，设计新的晶体生产方法，强制附加某种外界因素的影响，以改变液流方式，从而达到控氧目的。

3.1 拉晶条件的调控

增大氩气流量和降低炉内压力都有益于降低氧含量。为防止SiO凝结和熔体中的氧过饱和，在单晶炉里通过氩气带走硅熔体表面挥发出来的SiO气体，通入氩气的另一目的是要同时带走CO气体，以避免其重新进入熔体内，造成晶棒受到碳污染。通过氩气将SiO和CO等带出炉外，降低单晶炉内CO和SiO的分压，减少它们溶入熔硅的量。减压法拉晶既能使单晶炉保持低的压强，增加SiO的挥发速度，又能使炉内的氩气交换迅速，并可以降低单晶硅的氧含量。

合理的热场利于晶体生长，在熔体中，径向温度梯度应适当小，而纵向温度梯度应适当大。加热器是热场的关键部件，减小了热场的加热器尺寸，即降低加热器高度或者减小加热器径向尺寸，有利于降低氧浓度及其分布的均匀性。在直拉单晶硅工艺中，熔体中的热对流是由温差产生的，加热器从坩埚的侧面供热，改变加热器尺寸实际上是改变了热场的温度分布，以使热场中温度分布更加合理，实现增大熔体的纵向温度梯度和减小熔体的径向温度梯度的作用，从而影响氧的分布和含量，影响晶体的质量。

当石英坩埚初始位置处于低埚位时，即靠近加热器的中间位置，熔料时需要的加热器的加热功率较低，石英坩埚壁及其底部的温度也较低，进入熔硅中的氧浓度就较少；同时，较低的埚位还使纵向的温度梯度较小，使得进入熔体中的氧浓度也较小，可降低氧含量。但初始埚位的降低，加热器的功率减小，晶体中的温度梯度减小，会使晶体生长速度减小，熔料比较费时，生产效率降低；因此，过高或者过低的初始埚位都不利于晶体的生长。

直拉法生长单晶硅时，晶体以一定的角速度旋转，坩埚以相反的方向旋转，它们转动的直接作用产生强迫对流，搅拌熔硅，使熔硅中的氧杂质趋于均匀，晶体和坩埚的旋转对硅单晶生长过程的影响是多方面的，既有利也有害。通常认为，当晶体转速增加时，径向氧浓度分布变得更均匀；但转速太快会产生紊流，既不利于无位错生长，也不利于杂质的均匀分布。坩埚旋转能使整个熔体杂质分布均匀；但坩埚旋转引起的对流与热对流的方向一致，加剧了熔体中的温度波动，晶锭和熔体中的氧浓度随坩埚转速增加而增加。在一定的单晶硅生长条件下，合适的晶体和坩埚转速非常重要。实际生产中，一般采用高晶体转速和低坩埚转速来控制氧的分布，还可以采用变晶体转速和变坩埚转速等拉晶工艺来实现氧分布的均匀性。

3.2 磁拉法（MCZ）法

由于熔硅较大的电导率，磁场能控制熔体运动，因此发展了一种加磁场的直拉法，即MCZ法。它的主要优点是：（1）能做到杂质的微观控制，特别是实现氧的可控性。（2）由于降低了坩埚的污染而提高了浓度。（3）由于增加了边界层后的，因而增加了杂质的有效分凝系数，改善了杂质分布的宏观和微观均匀性。因此MCZ法能生产大直径的硅单晶，其氧含量低且可控。早期的MCZ法可分为VMCZ（加轴向磁场）和HMCZ（加横向磁场）两种。

参考文献

[1]刘立新.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]吴明明.直拉单晶硅体生长过程中的控氧技术研究[J].新技术新工艺，2013（11）.

作者单位

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