摘 要：本文介紹了單晶硅的基本概念和用途，并對(duì)單晶硅的幾種主要制備方法做了簡(jiǎn)單介紹。同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)單晶硅中的主要雜質(zhì)——氧，提出了幾種控制方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉Ч?生長(zhǎng)技術(shù);氧缺陷

1 單晶硅的概念

半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)和其他物理性質(zhì)對(duì)晶格缺陷以及所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量非常敏感。制作各種半導(dǎo)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(cuò)的完善單晶，而且還可以將位錯(cuò)密度控制在一定范圍內(nèi)[1]。無位錯(cuò)單晶的直徑已達(dá)到200mm規(guī)格化。

2 單晶硅的生長(zhǎng)方法

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

從熔體中生長(zhǎng)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(zhǎng)單晶的方法有溶劑層移動(dòng)法，液相外延法等。從氣相生長(zhǎng)單晶方法，又可分為熱分解或氫還原CVE、利用歧化反應(yīng)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(zhǎng)的單晶硅徑向雜質(zhì)分布比較均勻，但縱向分布就差一些。另外，拉制單晶時(shí)熔體直接與石英坩堝接觸，會(huì)引進(jìn)一些氧原子及碳沾污。

目前用區(qū)熔法能生長(zhǎng)直徑100mm，長(zhǎng)1m以上的單晶硅，這種單晶中縱向雜質(zhì)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(zhì)量非常好的薄層單晶，一般器件大多制作在這個(gè)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(duì)材料的導(dǎo)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(guó)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?zèng)Q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(zhǎng)速度為4-5mm/min時(shí)，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(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生SiO氣體揮發(fā)物，其中99%的SiO會(huì)以氣體形式揮發(fā)，一部分氧進(jìn)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(zhì)，對(duì)單晶的品質(zhì)有嚴(yán)重影響。氧在晶體冷卻過程中會(huì)形成復(fù)合物，例如B：O/Fe：O等，對(duì)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(chǎng)設(shè)計(jì)減少氧的帶入。根據(jù)氧帶入的特點(diǎn)，通過優(yōu)化加熱部件的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到改善熔體內(nèi)熱對(duì)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(yàn)表明，直拉法拉制單晶硅時(shí)，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(duì)氧含量的改善帶來明顯的好處。

③改變晶堝轉(zhuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中會(huì)比較嚴(yán)重，有30%左右的情況尾部的氧含量會(huì)比頭部更高。

單晶硅中的雜質(zhì)分凝系數(shù)較小，雜質(zhì)會(huì)向尾部富集，晶棒尾部的品質(zhì)一般較頭部、中部更差，故降低尾部雜質(zhì)含量對(duì)提高單晶硅整體品質(zhì)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(huì)減小，從而導(dǎo)致了石英坩堝中的SiO不能及時(shí)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(shí)，采取變堝轉(zhuǎn)的方法，將堝轉(zhuǎn)升高促使熔體對(duì)流加劇，從而達(dá)到揮發(fā)物被及時(shí)帶走、降低尾部氧含量的效果。

4 總結(jié)

隨著人們對(duì)清潔能源的使用需求越來越強(qiáng)烈，太陽能發(fā)電的普及一定為時(shí)不遠(yuǎn)，硅材料作為太陽能發(fā)電的主要材料，暫時(shí)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(yīng)用前景十分廣闊。如何生產(chǎn)出成本低廉、品質(zhì)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(xiàn)：

[1]劉立新，羅平，李春，等.單晶硅生長(zhǎng)原理及工藝[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(zhǎng)速率研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2007（02）.

作者簡(jiǎn)介：孫姝（1989-），女，湖北鐘祥人，碩士，現(xiàn)在寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系任教師，研究方向?yàn)椴牧瞎こ碳夹g(shù)。