第九章-单晶硅制备-杂质分凝和氧污染

直拉单晶硅中的杂质杂质分凝由两种或两种以上元素构成的固溶体，在高温熔化后，随着温度的降低将重新结晶，形成固溶体。杂质在固体和熔体中的浓度是不同的，在结晶的过程中会发生偏析，称为分凝现象。在固溶体体结晶时，如果固相和液相接近平衡状态，即以无限缓慢的速度从熔体中凝固出固体，固相中的杂质的浓度为，液相中该杂质的浓度为，则两者的比值为该杂质在此晶体中的平衡分凝系数LCSC0SLCKC实际晶体生长时，不可能达到平衡状态，也就是说固体不可能以无限缓慢的速度从熔体中结晶，因此，熔体中的杂质不是均匀分布的。例如，杂质在熔体中扩散的速度小于晶体结晶的速度的话，则在固液界面熔体一侧会出现杂质的堆积，形成一层杂质富集层。此时固液界面处固体一侧杂质浓度和液体中杂质浓度的比值，称为有效分凝系数SLCKeC有效分凝系数和平衡分凝系数遵循BPS关系(普凡方程)000(1)efDKKKKe石英坩埚单晶硅棒石墨加热器熔硅石墨坩埚坩埚旋转石英坩埚溶解热对流方向氧进入单晶硅棒内表面挥发氧污染氧在晶体硅中的浓度要受到固溶度的限制，在硅的熔点温度附近，氧的平衡固溶度为，随着晶体硅温度的降低，硅中氧的固溶度会逐渐下降，在1000℃以上其表达式为1832.7510cm2231.52910exp()eVOcmkT由于在晶体硅的生长过程中存在分凝现象，一般认为其分凝系数为1.25，因此在实际直拉单晶硅中，氧浓度表现为头部高、尾部低。①熔硅与石英坩埚作用，生成SiO进入硅熔体②通过机械对流、自然对流等方式，SiO传输到熔体表面，以气体形式挥发。③少量的SiO溶解在熔硅中，以氧原子形态存在于液体硅中，最终进入直拉单晶硅。22SiSiOSiO氧以间隙态存在于晶体硅中，形成Si-O-Si键结合氧是Cz硅中含量最高杂质，它在硅中行为也很复杂。总的说来，硅中氧既有益也有害。（1）增加机械强度氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错有钉扎作用，因而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型变（如弯曲翘曲等）。这是氧对硅单晶性能的最大贡献之一，也是Cz硅单晶在集成电路领域广泛应用的主要原因之一（2）形成氧热施主硅中氧以过饱和间隙态存在于硅单晶中。当直拉单晶硅在300~500℃热处理时，会产生与氧相关的施主效应，此时，n型晶体硅的电阻率下降，p型晶体硅的电阻率上升。施主效应严重时，甚至能使p型晶体硅转化为n型晶体硅，这种与氧相关的施主被称为“热施主”。研究表明，热施主是双施主，即每个热施主可以向硅基体提供2个电子，其能级分别位于导带下0.06~0.07eV和0.13~0.15eV处。因此，当产生的热施主浓度较高时，会直接影响太阳电池的性能。热氧施主可以在300℃~500℃范围内生成，而且在450℃是最有效的热施主生成温度。一旦生成热施主，可以在550℃以上用短时间热处理予以消除，通常利用的热施主消除温度为650℃。除温度外，单晶硅原生氧浓度是影响热施主浓度的最大因素。通常认为，热施主浓度主要取决于单晶硅中的初始氧浓度，其初始形成速率与氧浓度的4次方成正比，其最大浓度与氧浓度的3次方成正比。另外，晶体硅中的其他杂质也会影响热施主的生成，研究已经指出，碳、氮会抑制热施主的生成，而氢会促进热施主的形成。除热施主外，含氧的直拉单晶硅在550℃~850℃热处理时，还会形成新的与氧相关的施主，被称为“新施主”，具有与热施主相近的性质。但是它的生成一般需要10h左右，甚至更长。对于太阳电池用直拉单晶硅，其冷却过程虽然要经过该温区，但是要少于10h；另外硅太阳电池的工艺一般不会长时间热处理，所以，对于太阳电池用直拉单晶硅而言，新施主的作用和影响一般可以忽略。（3）氧成淀氧在直拉单晶硅中通常是以过饱和间隙态存在，因此，在合适的热处理条件下，氧在硅中要析出，除了氧热施主以外，氧析出的另一种形式是氧沉淀。在晶体生长完成后的冷却过程和硅器件的加工过程中，单晶硅要经历不同的热处理过程。在低温热处理时，过饱和的氧一般聚集形成氧施主；在相对高温热处理或多步热处理循环时，过饱和的氧就析出形成样氧沉淀。氧经高温或多步热处理，会发生析出生成氧成淀。氧成淀是中性的，主要成分为SiOx，没有电学性能，体积是硅原子的2.25倍。在形成沉淀时，会从成淀体中向晶体内发射自间隙硅原子，导致硅晶格中自间隙原子饱和而发生偏析，产生位错、层错等二次缺陷。影响单晶硅中氧沉淀形成、结构、分布和状态的因素：①初始氧浓度②热处理的温度③热处理的时间④碳、氮及其他杂质原子的浓度、原始晶体硅的生长条件、热处理气氛、次序等。初始氧浓度时决定氧沉淀的主要因素之一。①初始氧浓度影响氧沉淀的另一个因素是热处理的温度。因为氧在硅中的固溶度随温度的下降而不断下降。所以，具有一定浓度的氧在不同温度时的过饱和度是不同的，这是氧沉淀产生的必要条件。②热处理的温度当温度较低时，间隙氧的过饱和度大，形核驱动力强，但是氧的扩散速率较低。但温度较高时，氧的扩散速率大，易于形成氧沉淀，但是间隙氧的过饱和度小，形核驱动力弱。因此，在不同温度下的氧沉淀是氧的过饱和度和氧扩散竞争的结果。研究证明，氧沉淀过程是氧的扩散过程，是受氧扩散控制的。而温度不仅影响氧的过饱和度，而且影响氧的扩散。在一定温度下，热处理时间是决定氧沉淀的重要因素。③热处理的时间①氧沉淀少量形成，表现出一个孕育期；②氧沉淀快速增加；③氧沉淀增加缓慢，接近饱和。此时，间隙氧浓度趋近该温度下的饱和固溶度。通常，直拉单晶硅在高温形成氧沉淀时有三个阶段：④碳、氮及其他杂质原子的浓度、原始晶体硅的生长条件、热处理气氛、次序等。⑤原生氧沉淀的影响直拉单晶硅中的碳直拉单晶硅中的碳杂质主要来自于多晶硅原料、晶体生长炉内的保护气体以及石英坩埚与石墨加热器的反应等。石英与石墨件的反应为C+SiO2=SiO+COCO+Si=SiO+CCO与SiO相比，不易挥发，若不及时排除，大多数就会进入熔硅中与硅反应，生成的SiO大部分从熔体表面挥发，而碳则留在了熔体中。对于太阳电池用直拉单晶硅，其原料来源并不完全是高纯多晶硅，还包括微电子用直拉单晶硅的头尾料；而且，晶体生长的控制也不如微电子用直拉单晶硅严格，所以其碳浓度相对较高。碳在硅中的基本性质碳在硅中处于替位位置。由于它是四价元素，属非电活性杂质。在特殊情况下，碳在硅晶体中也可以以间隙态存在。当碳原子处于晶格位置时，因为碳原子半径小于硅原子半径，晶格会发生形变。目前，采用减压拉晶和热屏系统，CO大量被保护气体带走，有利于减少硅晶体中的碳浓度。碳在硅中的平衡分凝系数为0.07，在直拉硅单晶中头部浓度小，尾部浓度大。替位碳的测量方法也是红外吸收光谱法。碳和氧沉淀一般认为碳能促进氧沉淀的形成，特别是在低氧硅中，碳对氧成淀的生成有强烈的促进作用。因碳的原子半径比硅小，引起晶格形变，容易吸引氧原子在其附近聚集，形成氧成淀核心，为氧成淀提供异质核。•试验，对低碳硅单晶中的间隙氧浓度，在900℃以下热处理仅有少量成淀；对高碳硅单晶中的间隙氧浓度，在600℃以下热处理氧浓度急剧减少，而硅晶体中的碳浓度也大幅减少，说明了碳促使氧沉淀生成一般认为，碳的半径比硅小，因为引入晶格畸变，容易吸引氧原子在谈原子附近偏聚，形成氧沉淀的核心，为氧沉淀提供异质核心，从而促进氧沉淀的形核。进一步而言，碳如果吸附在氧沉淀和基面上，还能降低氧沉淀的界面能，起到稳定氧沉淀核心的作用。碳促进氧沉淀形成的原理主要原因在于氧原子和碳原子在氧聚集的初期形成大量的C-O复合体。到目前为止，这个复合体的结构、性质还不是很清楚。碳对氧沉淀和氧施主产生影响的主要原因直拉单晶硅中的金属杂质金属，特别是过渡金属是硅材料中非常重要的杂质，他们在单晶硅中一般以间隙态、替位态、复合体、沉淀存在。金属杂质的引入方式①硅片滚圆、切片、倒角、磨片等制备过程中，直接与金属工具接触；②在硅片清洗或湿化学抛光过程中，使用不够纯的化学试剂；③在工艺过程中，使用不锈钢等金属设备。原子态的金属从两方面影响硅材料和器件的性能：①影响载流子浓度②影响少数载流子寿命电活性深能级复合中心就金属原子具有电活性而言。当其浓度很高时，就会与晶体中的掺杂起补偿作用，影响载流子浓度。金属在晶体硅中更多是以沉淀形式出现。一旦沉淀，它们并不影响晶体硅中载流子的浓度，但是会影响载流子的寿命，如晶体硅中常见的金属铁、铜和镍。金属沉淀对晶体硅和器件的影响取决于沉淀的大小、沉淀的密度和化学性质。金属沉淀金属杂质浓度对少数载流子寿命的影响为：τ0=1/υσN式中，τ0为少数载流子寿命；υ为载流子的热扩散速率；σ为少数载流子的俘获面积；N为金属杂质浓度，cm-3。①金属沉淀出现在晶体硅内，它能使少数载流子的寿命减少，降低其扩散长度，漏电流增加；金属沉淀在晶体硅不同部位对其产生的影响②金属沉淀出现在空间电荷区，会增加漏电流，软化器件的反向I-V特性，这种沉淀对太阳电池的影响尤为重要；③金属沉淀出现在表面，对集成电路而言，这将导致删氧化层完整性的明显降低，能引起击穿电压的降低，但是，但太阳电池的影响很有限。硅中金属的固溶度从图5.28中还可以看出，金属在硅中饱和固溶度最大的是铜和镍，其最大固溶度约为1018cm-3。显然，与磷、硼等掺杂剂相比，硅中金属杂质的固溶度很小，而硅中磷和硼的最大固溶度分别可达1021cm-3和5×1020cm-3，相差2-3个数量级。铁、铜和镍是单晶硅中的主要金属杂质，其固溶度也相对较高。表5.1列出了他们在高温时的固溶度随温度的变化。由图5.28和表5.1都可以看出，随着温度的降低，金属在硅中的饱和固溶度迅速减小，特别是外推到室温，金属在硅中的固溶度更小。因此，硅中金属大多是过饱和状态，而且硅中金属的扩散相对较快，所以，如果晶体硅在高温处理后冷却速率不够快，金属一般都以复合体或沉淀形式存在。硅中金属的扩散系数与磷、硼掺杂剂或氧、碳杂质相比，金属杂质在硅中的扩散是很快的，最快额扩散系数可达10-4cm2/s。对于快扩散金属铜而言，在1000℃以上仅数秒就能穿过650μm后的硅片。由此可见，一旦晶体硅额某部分被金属污染，很容易扩散到整个硅片。表5.2列出了晶体硅中常见金属铁、铜和镍的扩散系数，其中铜和镍的扩散系数相近，扩散速率大，而锰和铁相似，扩散速率相对较小。由图5.29还可以看出，随着原子系数的增加，金属的扩散速率也在增大；在同一温度下的不同金属之间，或同一金属在不停温度下，扩散速率相差很大，可达5个数量级，而金属锌例外，在高温下，其扩散系数基本相同。金属原子在晶体硅中的扩散一般以间隙和替位扩散两种方式进行。金属原子在晶体硅中的扩散方式间隙扩散就是金属原子处于晶体硅的间隙位置。扩散时它从一个间隙位置移动到另一个间隙位置。替位扩散则有空位机制和“踢出”机制。显然，间隙扩散要比替位扩散快。而晶体硅中的绝大部分金属处于间隙位置，以间隙方式扩散，所以扩散速率相对较快。硅中金属的测量晶体硅中的金属杂质常常以沉淀形式出现，而且总的浓度又比较低，所以，硅中金属浓度的直接测量相对比较困难，缺乏实用、常规的测量技术，通常可以通过测量其他参数来确定硅中金属的浓度。金属在硅中存在有单个原子和沉淀两种状态，因此，硅中金属杂质的测量可以分为三种情况：①测量硅中各个金属杂质总体的浓度；②测量硅中的各个金属单个原子状态的浓度；③测量硅中金属沉淀的浓度。测量晶体硅中总的杂质（包括金属原子和沉淀）浓度方法：①中子活化法②二次离子质谱法③原子吸收谱法④小角度全反射X射线荧光法（TXRF）测量硅中各个金属杂质总体的浓度①中子活化法：中子活化分析是以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度（主要是伽玛射线），进行物质中元素的定性和定量分析。能够测量几乎所有种类的金属杂质，但它需要中子辐射源，测量周期长，费用大。测量硅中各个金属杂质总体的浓度测量硅中各个金属杂质总体的浓度②二次离子质谱法：用一次离子束轰击表面，将样品表面的原子溅射出来成为带电的离子，然后用磁分析器或四极滤质器所组成的质谱仪分析离子的荷/质比，便