直拉區(qū)熔聯(lián)合法硅單晶生長技術(shù)研究

龐炳遠(yuǎn)，閆 萍，索開南，董軍恒，劉 洪

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

直拉區(qū)熔聯(lián)合法首先是利用直拉法將塊狀多晶制備成區(qū)熔設(shè)備能使用的棒狀多晶，之后利用區(qū)熔法脫出多晶棒中的高氧含量，并制備成區(qū)熔單晶。采用成熟、穩(wěn)定的直拉工藝，可以方便且較為準(zhǔn)確地將硅單晶的電阻率控制在較低的目標(biāo)范圍內(nèi)，但該工藝的缺點(diǎn)是材料中的氧含量較高，單晶的少子壽命較低；采用區(qū)熔工藝可以保證材料的純度，但該工藝很難實(shí)現(xiàn)通過直接摻雜的工藝方式精確地控制低阻單晶的雜質(zhì)含量。通過直拉區(qū)熔聯(lián)合法，可以兼顧直拉法及區(qū)熔法的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以通過直拉工藝中的直接摻雜實(shí)現(xiàn)較低的電阻率，同時(shí)還可以通過區(qū)熔工藝有效地降低直拉工藝引入的氧含量，并有效地提高單晶的少子壽命和材料的可靠性。與區(qū)熔中照單晶和區(qū)熔氣摻單晶相比，通過直拉區(qū)熔聯(lián)合法研制單晶可大幅度地降低生產(chǎn)成本，為硅單晶生產(chǎn)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 單晶生長設(shè)備

直拉單晶生長設(shè)備：TDR-62B 直拉爐；

區(qū)熔單晶生長設(shè)備：CFG4/1400P 區(qū)熔爐。

1.1.2 主要原材料

多晶硅：塊狀直拉料；

摻雜劑：N 型摻磷母合金；

籽晶：直拉用<100>籽晶和區(qū)熔用<111>籽晶。

1.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

1.2.1 直拉法生長N 型摻雜<100> 硅單晶

在TDR-62B 直拉爐上，通過直拉工藝摻雜母合金并生長直徑60 mm 的低阻<100> 硅單晶，單晶尾部有意留成錐形。經(jīng)測(cè)試，直拉硅單晶的軸向電阻率分布如表1 所示。

由表1 可以看出，由于雜質(zhì)的分凝作用，直拉單晶的軸向電阻率分布在2.65～5.63 Ω·cm 之間，且呈現(xiàn)出頭部高、尾部低的明顯趨勢(shì)，分布較為分散。在單晶尾部切取樣片后，檢測(cè)其徑向電阻率變化為13.2%，氧含量為7.5×17 cm-3，碳含量為不大于1×16 cm-3。

表1 直拉硅單晶軸向電阻率分布

1.2.2 區(qū)熔法生長N 型<111> 硅單晶

常規(guī)工藝中，對(duì)于無論是直拉法還是區(qū)熔法生長的N 型硅單晶，由于雜質(zhì)分凝作用的存在，單晶的軸向電阻率分布均呈現(xiàn)出頭部高、尾部低的特點(diǎn)。通過直拉工藝和區(qū)熔工藝聯(lián)合研制硅單晶時(shí)，為保證最終研制出的硅單晶具有較好的軸向電阻率均勻性，在進(jìn)行區(qū)熔硅單晶生長時(shí)，采用直拉硅單晶的尾部作為區(qū)熔用硅棒的頭部。

由工藝特點(diǎn)決定，直拉硅單晶的表面形狀不適合直接進(jìn)行區(qū)熔硅單晶生長，需經(jīng)過一定的處理后才能使用。首先，對(duì)直拉硅單晶的尾部進(jìn)行磨錐；其次，將直拉硅單晶表面的棱線打磨光滑；最后，對(duì)直拉硅單晶的頭部進(jìn)行磨槽，以便用于區(qū)熔工藝中硅棒的挾持和懸掛。將硅棒表面形狀打磨好，并通過酸處理工藝后，便可將該硅棒用于區(qū)熔硅單晶生長。

在進(jìn)行區(qū)熔硅單晶生長時(shí)，為了減小環(huán)境氣體的熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流作用，從而減小單晶生長界面的彎曲，達(dá)到提高單晶徑向電阻率均勻性的目的，本實(shí)驗(yàn)采用了相對(duì)較低的爐內(nèi)氣氛壓力120 kPa，爐內(nèi)氣氛采用了氬氣及0.5%氮?dú)獾幕旌蠚怏w；為了增加熔體攪拌作用，提高單晶的徑向電阻率均勻性，在下軸旋轉(zhuǎn)速率采用6 r/min 的同時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣吡松陷S的反向旋轉(zhuǎn)速率至3 r/min。

通過區(qū)熔法共生長出兩段直徑50 mm (2 英寸)的硅單晶，第一段為采用4.5 mm/min 生長速度得到的硅棒前1/2 長度的FS001；第二段為采用3.2 mm/min 生長速度得到的硅棒剩余長度的FS002。兩段硅單晶的軸向電阻率測(cè)試結(jié)果見表2，其它參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 硅單晶軸向電阻率分布

2 討 論

從表2 中可以看出，兩段硅單晶的軸向電阻率呈現(xiàn)出頭部低、尾部高的趨勢(shì)，分布較直拉單晶有所集中。由于雜質(zhì)分凝的作用，在單晶的生長方向上會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)的推移和聚集，采用直拉單晶的尾部作為區(qū)熔單晶的頭部，可以有效地提高單晶軸向電阻率的均勻性。從表2 中可以看出，硅棒頭部1/2長度區(qū)域所生長的第一段單晶FS001，由于采用了相對(duì)較快的生長速度4.5 mm/min，雜質(zhì)分凝效果不明顯，雜質(zhì)基本上都被固定在了原有位置上，致使單晶的軸向電阻率分布和直拉單晶原料一致；之后的剩余硅棒所生長的第二段硅單晶FS002，由于采用了相對(duì)較慢的生長速度3.2 mm/min，雜質(zhì)分凝產(chǎn)生了一定的作用，雜質(zhì)適當(dāng)?shù)叵蛭膊糠较蜻M(jìn)行了推移，致使雜質(zhì)在軸向上分布更均勻，提高了單晶的軸向電阻率均勻性。

表3 硅單晶其它參數(shù)測(cè)試結(jié)果

直拉單晶中的氧原子是由單晶生長過程中熔硅同石英坩堝高溫反應(yīng)生成SiO 進(jìn)入硅晶體而產(chǎn)生的，其氧含量一般高達(dá)1×1018cm-3。在區(qū)熔單晶生長過程中，與采用區(qū)熔專用原料相比，采用直拉單晶作為區(qū)熔工藝的原料，原料會(huì)向熔區(qū)引入更多的氧原子。從表3 中可以看出，兩段硅單晶中的氧、碳含量均不大于1×16 cm-3，其測(cè)量值已低于現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備的測(cè)量精度，和普通區(qū)熔單晶的氧、碳含量接近。這表明，區(qū)熔工藝中的高溫硅熔區(qū)將直拉硅棒引入的SiO 幾乎揮發(fā)殆盡，最后只有極少部分氧原子進(jìn)入了區(qū)熔硅單晶。

區(qū)熔工藝中，單晶的旋轉(zhuǎn)有利于雜質(zhì)從生長界面的富集層內(nèi)向熔體中擴(kuò)散，同時(shí)，在單晶的旋轉(zhuǎn)以及重力的作用下，熔體中的雜質(zhì)將向生長界面的某些區(qū)域聚集，進(jìn)而決定了雜質(zhì)在單晶生長界面的分布情況[1]。本文采取了區(qū)熔工藝的常規(guī)控制方法，從表3 中可以看出，兩段硅單晶的徑向電阻率均勻性分別為25.2%～29.7%和12.3%～24.9%，與普通區(qū)熔單晶的20%～30%接近，低于普通直拉單晶的10%～15%，這表明硅單晶的徑向電阻率均勻性主要由CFG4/1400P 區(qū)熔爐穩(wěn)定熱場[2]下的區(qū)熔工藝決定。

區(qū)熔工藝中，單晶生長固液界面處的熱場主要受線圈電磁場分布和晶體散熱等因素的影響。在整顆單晶生長過程中，線圈與單晶生長固液界面的距離整體變化不大，可以認(rèn)為能量的供給是持續(xù)穩(wěn)定的。與單晶的等經(jīng)生長階段相比，單晶的放肩階段具有較大的散熱變化，導(dǎo)致該階段的固液界面形狀變化較大。區(qū)熔單晶的徑向電阻率分布受固液界面處溶質(zhì)邊界層中雜質(zhì)分布的影響，該影響主要表現(xiàn)為散熱條件變化引起的固液界面形狀變化和單晶生長工藝參數(shù)（晶體生長速度、晶體旋轉(zhuǎn)速、原料旋轉(zhuǎn)速度等）變化引起的熔體湍流分布的變化，在以上兩種變化的共同作用下，引起溶質(zhì)邊界層中雜質(zhì)分布的變化。因現(xiàn)有工藝在放肩階段的放肩角度和工藝參數(shù)等工藝條件的可變性較大，導(dǎo)致徑向雜質(zhì)分布在放肩階段和等經(jīng)起始階段容易出現(xiàn)較大的波動(dòng)，本實(shí)驗(yàn)所生長的FS002 單晶頭部的徑向電阻率均勻性較好就是工藝條件較大可變性的一種可能情況。

N 型硅單晶的非平衡少數(shù)載流子（空穴）壽命主要受載流子（電子）濃度和金屬雜質(zhì)濃度的影響。多晶原料的質(zhì)量和所經(jīng)歷的工藝環(huán)境直接決定了硅單晶中雜質(zhì)的種類和數(shù)量，直拉工藝的采用使晶體具有較高的雜質(zhì)含量，區(qū)熔工藝通過雜質(zhì)分凝和雜質(zhì)蒸發(fā)的雙重作用又可去除一部分雜質(zhì)。從表3 中可以看出，硅單晶的少子壽命為500～700 μs，低于普通區(qū)熔單晶的1 000 μs，但高于普通直拉單晶的100 μs，這表明區(qū)熔工藝有效地去除了由直拉工藝引入的一部分有害雜質(zhì)的含量，有效地提升了最終單晶的少子壽命，但由于原料和直拉工藝引入了較多有害雜質(zhì)（石英坩堝中的硼、鋁等雜質(zhì)的引入等），區(qū)熔工藝去除有害雜質(zhì)的作用畢竟有限，因此，最終研制的硅單晶未能達(dá)到普通區(qū)熔單晶高少子壽命的水平。

從表3 中可以看出，兩段硅單晶均無漩渦缺陷。區(qū)熔工藝中，漩渦缺陷主要受單晶直徑和生長速度的影響[3]，較低的生長速度才會(huì)產(chǎn)生漩渦缺陷，當(dāng)生長速度高于某個(gè)閾值時(shí)，漩渦缺陷就不會(huì)在出現(xiàn)。對(duì)于50 mm(2 英寸)的單晶，本實(shí)驗(yàn)所采用的3.2 mm/min 及以上的生長速度，是不會(huì)產(chǎn)生漩渦缺陷的。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，直拉區(qū)熔聯(lián)合法通過直拉工藝和區(qū)熔工藝的結(jié)合，研制出了低氧含量的低阻硅單晶。直拉區(qū)熔聯(lián)合法通過區(qū)熔工藝有效地降低了晶體內(nèi)的氧含量，所研制硅單晶的氧含量在1×16 cm-3以下。直拉區(qū)熔聯(lián)合法研制的硅單晶的軸向電阻率分布主要受直拉工藝影響，其軸向電阻率均勻性要優(yōu)于普通直拉單晶。直拉區(qū)熔聯(lián)合法研制的硅單晶的少子壽命主要受載流子濃度和金屬雜質(zhì)濃度的影響，通過區(qū)熔工藝可以得到較高的少子壽命。直拉區(qū)熔聯(lián)合法研制的硅單晶的徑向電阻率分布和漩渦缺陷主要由區(qū)熔工藝決定。

[1] 闕端麟，陳修治. 硅材料科學(xué)與技術(shù)[M]. 杭州：杭州大學(xué)出版社，2000.220-233.

[2] 閆萍，索開南，龐炳遠(yuǎn). 生長系統(tǒng)對(duì)高阻區(qū)熔硅單晶徑向電阻率變化的影響[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2011，40(9)：11-14.

[3] 楊樹人，王宗昌，王兢. 半導(dǎo)體材料[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004.98-101.