直拉硅单晶中氧含量优化研究

直拉硅单晶中氧含量优化研究

杨烨

(中国电子科技集团公司第四十六研究所天津市300220)

摘要：本文从埚转、等径功率、投料量等几个方面论述了直拉硅单晶中氧含量的控制方法，通过工艺调整，降低硅单晶的氧含量，改善晶体品质。

关键词：直拉硅单晶，氧含量，熔体对流

引言

直拉硅单晶被大量的用于生产集成电路，随着晶硅光伏产业的发展，对单晶硅的质量要求越来越高，晶体的缺陷和杂质含量对晶体的质量有着决定性的影响，而单晶中的杂质间隙氧是其中含量最多的杂质，其含量可达1018cm-3数量级，对直拉硅单晶的利用又起着重要的作用。随着集成电路集成度的增加，除设法增加硅单晶的直径外，也希望使单晶中的氧含量能达到预期值，且氧的轴向和径向分布均匀，因此生长大直径硅单晶的氧控制问题一直是近期硅材料学术界关注的焦点。

氧在硅电子器件的制造中，既有害亦有利。优点是“吸除效应”和“钉扎效应”，增加硅片的强度，有利于硅片加工。利用特定的热处理条件，在器件的激活区外生成SiO2沉淀和相关的诱生缺陷，它们可用于对有害的金属杂质的吸除，使激活区成为“洁净区”，以提高器件性能，这就是本征吸杂过程。缺点是单晶的电阻率和寿命受影响，导致多种缺陷，原生硅晶体中的氧是形成诸如氧化堆垛层错和热施主的主要起因。在器件激活区中的氧沉淀可引起结的击穿或产生漏电流。在退火过程中，氧沉淀的产生使器件的成品率下降。高氧浓度导致电阻率的热稳定性差，结果使得由这些材料制成的器件的阻塞电压低。因此对每一种器件加工过程而言，硅单晶都必须有一个合适的氧浓度范围。在直拉法生长中，氧不可避免地掺入硅单晶。直拉硅单晶中的氧主要来源于拉晶过程中熔硅对石英坩埚的溶解，并经固-液交界面进入单晶间隙位置。控氧的方法分为无磁场控氧和有磁场控氧两大类，前者通过采用合适的气氛压力、热场、坩埚材料、埚位、埚转、晶转、直径等生长参数控氧，后者通过将硅熔体置于一定磁场环境中而达到控氧的目的。磁场能有效控制熔体热对流，可显著降低硅单晶中氧的含量，且易于实现单晶氧含量的均匀分布，是一种有效的控制氧含量的方法。本文只讨论无磁场条件下直拉硅单晶中控氧的基本原理。

直拉硅单晶中的氧主要来自晶体生长时硅熔体与石英柑锅的反应。当多晶硅熔化成液相时，液态硅在高温下严重侵蚀石英坩埚，其化学反应如下：

生成SiO是一吸热反应，在1420℃下SiO的饱和蒸气压约为1.2×103Pa。减压拉晶的氩压力为l.3～2．6×103Pa。所以，约99%的SiO从硅熔体的自由表面蒸发掉，仅1%进入晶体中，部分SiO则在硅熔体中分解形成Si和O离子，氧通过熔体对流形式到生长界面附近，最终进入到晶体中。

通过控制单晶的工艺，可以控制熔体对流、气体对流及硅熔体与石英坩埚接触界面的温度，进而影响杂质的引入。

工艺调整分析

本试验使用CG-6000型直拉单晶炉，试验条件分别为：（1）埚转转速从8rpm升高到10rpm；（2）投料量从25kg降低至22kg；(3)通过加强保温效果，将62KW的等径功率降低至57KW；（4）使用2H-70AM和2H-80AM两种型号的机械泵。

每组分别选取10根对应条件下拉制的稳定生长的单晶，其他条件不变，只调整各组相应的变量，共五组，分别测试其氧含量。本试验仅测试单晶氧含量较高的头部，每根棒在头部取1mm厚样片，打标后进行化学抛光腐蚀，测试其中心部位的氧含量。

试验结果与讨论

（1）埚转转速对单晶氧含量的影响

在埚转转速为8rpm和10rpm条件下，分别选取10根稳定生长的单晶，测得的晶体氧含量数据可以看出，坩埚转速从8rpm升至10rpm后，氧含量有一定的上升。由于石英坩埚的溶解反应随温度的增加呈指数增加，实际上，石英坩埚壁温度的增加相当于硅熔液内温度梯度的增加，这就是熔液表面的中心必须维持在凝固点的原因。而导致硅熔液内温度梯度高的一个很重要的原因是硅熔液表面的热散失过于严重，这主要是由于晶体或坩埚转速引起的过多熔液搅拌作用所致。故坩埚转速升至10rpm后，氧含量有所上升。

（2）投料量对单晶氧含量的影响

分别选取10根投料量25kg和22kg条件下稳定生长的单晶，测得的晶体氧含量数据可以看出，减少3kg投料可降低氧含量。石英坩埚与硅熔液界面的面积是影响石英坩埚溶解速度的一个重要因素，石英坩埚与硅熔液界面的面积越大，则石英坩埚溶解反应量越大，即溶解速度越快。在固定的石英坩埚尺寸下，硅熔液的量越多，由石英坩埚壁产生的氧也越多。因此减少3kg投料量后，氧含量有所降低。

（3）等径功率对单晶氧含量的影响

在等径功率为62KW和57KW条件下，分别选取10根稳定生长的单品，测得的晶体氧含量数据可以看出，等径功率587KW时的单晶氧含量较62KW时有大幅的降低。这是因为熔硅中的氧含量等于石英坩埚溶解速度和SiO挥发速度的差值，石英坩埚溶解速度越快，进入到熔硅中的氧越多。而坩埚壁的温度和石英坩埚与硅熔液界面的面积是影响石英坩埚溶解速率的决定因素。石英坩埚的溶解反应随温度的增加呈指数增加，因此增加石英坩埚壁的温度，会大大加快石英坩埚溶解反应，即温度越高，石英坩埚溶解速度越快，熔入熔硅中的氧也越多。故等径功率越高，氧含量也越高。

（4）不同抽气速率对单晶氧含量的影响

分别选取10根使用2H-70AM和2H-80AM机械泵拉制的稳定生长的单晶，测得的晶体氧含量数据可以看出，使用2H-80AM泵拉出的单晶氧含量明显低于2H-70AM泵拉出的单晶。直拉硅单晶中的氧主要来源于熔硅与石英坩埚的反应。SiO2被Si还原成SiO(石英坩埚溶解反应)熔入熔硅中，并受自然对流作用均匀分布于熔硅中。随着对流运动，传输到熔硅表面的氧原子会以SiO的形态挥发掉。在硅的熔点温度，99％的氧会挥发掉，l％左右的氧因为偏析进入晶棒。因此，在晶体生长中要想降低硅单晶的氧含量，SiO能否及时挥发是关键。根据传统的分压理论，炉内气氛中SiO的分压对SiO的挥发起到控制作用。若SiO的分压达到饱和，SiO的挥发会受到抑制，硅单晶中氧含量将增加；若SiO的分压较小且欠饱和，熔硅与气氛中的SiO浓度差将促使SiO加速挥发，使熔硅中的氧含量降低，晶体中氧含量随之降低。2H-70AM机械泵抽气速率小，使得氩气在排气口的排出速度较小。随着SiO的挥发，气氛中SiO分压趋于饱和，SiO的挥发将大大降低，因此使用2H-70AM机械泵拉出的硅单晶的氧含量较高。而2H-80AM机械泵抽气速率大，使得氩气在排气口的排出速度增加，熔硅表面的氩气更新速度增加，挥发的SiO被迅速抽走，而气氛中SiO的分压减小，SiO的挥发增强，单晶中氧含量降低。

结论

直拉硅单晶生长过程中，当设备、热场确定后，硅单晶氧含量主要受生产工艺参数的影响，硅单晶的氧含量受石英坩埚溶解速度和SiO挥发速度两方面的影响。试验结果表明降低埚转、投料量、等径功率，增加抽气速率都能通过降低石英坩埚溶解速度或提高SiO挥发速度有效的降低直拉硅单晶中的氧含量。总之，石英坩埚溶解速度越慢，SiO挥发速度越快，单晶的氧含量就越低。

参考文献：

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【4】王自筠，朱建生，半导体硅文集，1983．7，P．11