直拉单晶硅体生长过程中的控氧技术研究
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吴明明;周标
【摘 要】The oxygen content and its uniformity of single silicon crystal will significantly affect the performance of all kinds of silicon-bad apparatus.The parameters of the oxygen content and the uniformity are difficult to be controlled dur-ing silicon crystal growth process.This paper analyzed the mechanism of the introduction of oxygen impurities in czochralski single crystal silicon and the impacts on the quality of the crystal.It can control the crystal oxygen content and distribution uniformity to improve crystal quality by controlling pulling conditions such as changing argon gas flow or furnace pressure, changing thermal field geometry,changing crucible position or changing the crystal and the crucible rotation speed and tak-ing the appropriate magnetic field pulling technologies,so the quality of that was improved.%单晶硅的氧含量及其均匀性可显著影响各种硅基器件的性能，也是在硅晶体生长过程中较难控制的参数。本文分析了直拉单晶硅生产过程中氧杂质的引入机理及其对晶体质量的影响，并通过改变氩气流量或炉
内压力、热场几何尺寸、埚位、晶体转速和坩埚转速等拉晶条件，以及采用相应的磁拉技术来控制晶体中的氧含量及分布均匀性，提高晶体的质量。
蓝光碟【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2013(000)011
【总页数】4页(P98-100,101)
【关键词】直拉硅单晶;控氧;均匀性;磁场
【作 者】吴明明;周标
【作者单位】衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000;衢州学院 机械工程学院，浙江 衢州 324000
【正文语种】中 文
【中图分类】TN304
茄盒的做法目前，单晶硅材料在半导体领域和太阳能领域仍然占据着主要地位，随着超大规模集成电路( ULSI) 的不断发展以及对高转换效率太阳能电池需求的不断增加，对直拉单晶硅的质量提出了更高的要求。在单晶硅直拉工艺引入的众多杂质中，氧对材料和器件的性能影响最大，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]。晶体中的氧含量以及氧浓度的径向和轴向均匀性对晶体质量有着关键性的影响。
1 直拉单晶硅氧杂质的来源
根据晶体生长方式的不同，制备单晶硅锭的方法主要有区熔 (float zone) 法和直拉(czochralski)法。直拉法是一种利用籽晶从熔体中生长晶体的方法，其具有生长速度快、纯度高和晶体完整性好等特点，是目前制备大直径单晶硅最常用的一种方法。
大部分氧原子在硅中以间隙原子方式存在，成Si—O—Si键，氧在固态硅中的溶解度为(2.75±0.15)×1018 cm-3，在熔硅中的溶解度为(2.20±0.15)×1018 cm-3，直拉单晶硅中的氧含量一般为(0.5～2.0)×1018 cm-3。直拉单晶硅中氧杂质的主要来源是石英坩埚的溶解进入硅熔体，石英是目前直拉法生长单晶硅最通用的坩埚材料，在1 420 ℃的高温下，石
你好之华英与硅熔体发生反应，其反应方程式为：
SiO2+Si→2SiO
SiO通过硅熔体的对流和扩散传输到晶体/熔体界面(固液界面)或自由表面，而SiO的蒸汽压力为12 kPa；因此，到达硅熔体自由表面的SiO以气体的形式挥发，只有极小部分(约1%)由于硅熔体的对流和扩散而进入熔硅中，使晶体中的氧含量提高。
2 直拉单晶硅中氧的传输途径及分布规律
直拉单晶硅时，氧由石英坩埚壁传输到固液界面，从而进入晶棒中。其传输途径如图1所示。
图1 氧在直拉单晶硅熔体内的传输途径
在此过程中，氧的传输可分为下述4个步骤进行。
1) 石英坩埚壁与硅熔体之间发生溶解反应，反应式为：
SiO2(s)→Si(l)+2O
猪腰2)由石英坩埚壁溶解的氧通过热对流等对流，均匀地分布到硅熔体中。
3)随着对流运动而传输到硅熔体表面的氧原子99%以上会通过自由表面以SiO的形态挥发到坩埚外，反应式为：
小英雄和芭蕾公主Si(l)+O→SiO (g)
4)少部分运动到固液界面处的氧原子通过偏析进入到硅晶体中。
可以看出，进入单晶棒中的氧含量为坩埚溶解的氧含量与自由表面氧的挥发量之差。
氧浓度受到石英坩埚接触面积、熔体对流强度以及SiO从熔体表面蒸发速度的综合影响。直拉单晶硅中氧的分布为在单晶头部氧的含量较高，在单晶尾部氧的含量较低。单晶径向氧含量是中心高而边缘低。
造成氧在硅晶体中头部高尾部低的原因是由于在硅晶体生长过程中，硅熔体的量在不断减少，硅熔体与石英坩埚的接触面积不断减少，石英坩埚与硅熔体的接触反应面积变小，反应产生的SiO量随生长出单晶长度的增加而减小，而硅熔体的表面积即挥发面在硅单晶的
生长过程中基本保持不变，硅熔体表面的SiO的挥发氧流量在晶体生长过程中基本保持不变，从而导致进入晶体的氧流量随着晶体长度的增加不断减少。晶体径向氧浓度中心高是因为中心被晶体覆盖的熔硅的挥发远不如晶体边缘所致。
3 直拉单晶硅氧含量及其均匀性对晶体质量的影响
氧是直拉单晶硅中含量最高的杂质，氧在单晶硅中行为复杂，目前认为单晶硅中氧的作用既有害也有利。
硅中氧的溶解度随温度的降低而降低，硅器件加工过程所涉及的温度区间为850～1 200 ℃；因此，直拉硅片中的间隙氧浓度在器件加工过程中都是过饱和的，间隙氧原子在过饱和度的驱动下会聚集形成热施主、氧沉淀及二次缺陷等。硅中氧的作用如下。
1) 位于间隙位置的氧对位错，起到钉扎作用，可增加晶体的机械强度，避免硅片在器件工艺的热过程中发生形变(如弯曲和翘曲等)。
2) 形成热施主。热施主现象的存在会影响轻掺硅单晶电阻率的真实性，导致 N 形样品电阻率下降和 P 形样品电阻率升高，从而影响硅片径向电阻率分布的均匀性，使电阻率热稳定
江水悠悠性变差，电子器件成品率下降[2]。
3) 过饱和的氧经过高温和多步热处理，会从硅中析出，形成氧沉淀。在形成氧沉淀时，会诱发产生位错和层错等二次缺陷。由于位错等缺陷有吸附杂质特别是金属杂质的作用，工艺上常用氧沉淀来吸除器件制造过程中的金属杂质污物，这种工艺称为内吸杂或本征吸除工艺[3]。在硅片近表面一定深度的范围通常是器件的有源区，氧沉淀及其诱生的二次缺陷一般存在于器件的有源区，会成为载流子的复合中心，增加漏电流，使电子器件的特性变差，另外，过多的氧沉淀会导致硅片翘曲，使硅片的几何参数变差，不利于硅片的光刻；因此，在直拉单晶硅时控制一定量的氧浓度是非常必要的。
4 减少单晶硅氧含量及提高其分布均匀性的途径
在单晶硅直拉法中，晶体中的氧含量及其均匀性主要取决于熔体中的流动状态以及拉晶工艺参数。可设法控制晶体生长过程中氧随石英坩埚的溶解进入硅熔体的溶解速率，通过强制调节熔体对流来控制经由熔体对流而传输的氧含量及分布状况。晶体生长过程中控氧方法主要有2大类：1) 通过控制拉晶条件来获得预期的最佳氧含量及其分布；2) 设计新的晶体生产方法，强制附加某种外界因素的影响，以有效控制熔体热对流，从而达到控氧目的。
前者可通过采用合适的氩气流量或炉内压力、热场、埚位、晶转和埚转等手段控氧，后者可通过将硅熔体置于一定的磁场环境中达到控氧的目的。
4.1 控制拉晶条件
北京冬残奥会4.1.1 改变氩气流量或炉内压力
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，在单晶炉膛里通过氩气流清洗，以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。
