NTD區(qū)熔硅單晶品質(zhì)改善方法研究

佟宇薇

【摘 要】本文從原始單晶生長(zhǎng)、中子輻照、熱處理等過(guò)程分析了影響NTD（中子輻照嬗變摻雜）區(qū)熔硅單晶品質(zhì)的因素，并結(jié)合實(shí)際情況得出了雜質(zhì)、中照反應(yīng)堆類型、熱處理工藝等對(duì)單晶電阻率和少子壽命產(chǎn)生影響的結(jié)論，提出了改善產(chǎn)品品質(zhì)的一些方法。

【關(guān)鍵詞】NTD；電阻率；少子壽命

一、前言

區(qū)熔硅傳統(tǒng)市場(chǎng)主要是制作電力電子器件如普通晶閘管SCR、電力晶體管GTR、GTO，而絕緣柵雙極晶體管IGBT以及光電子器件主要作為新興市場(chǎng)。節(jié)能減排已經(jīng)成為我國(guó)的長(zhǎng)期國(guó)策，國(guó)家在鼓勵(lì)利用新能源的同時(shí)，也倡導(dǎo)建立節(jié)能型社會(huì)。IGBT器件作為高耐壓、大電流、高速度、低飽和壓降的開(kāi)關(guān)型器件，被廣泛應(yīng)用于需要功率變換的消費(fèi)電子、工業(yè)控制、電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電、高壓輸變電與智能電網(wǎng)、機(jī)車牽引等領(lǐng)域，并成為高壓大電流條件下的首選節(jié)能型器件。

以IGBT為代表的新型電力電子器件的快速增長(zhǎng)，為區(qū)熔單晶硅的發(fā)展提供了廣闊市場(chǎng)空間和不可多得的機(jī)遇。02專項(xiàng)目標(biāo)里也提到，面向高壓大功率IGBT芯片產(chǎn)品制造需求，研究滿足1200V-6500V IGBT 芯片產(chǎn)業(yè)化對(duì)區(qū)熔硅單晶的要求。市場(chǎng)應(yīng)用對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)提出的要求：高電阻率及面內(nèi)高一致性、高少子壽命.

二、NTD-FZ硅單晶工藝原理介紹

1.中子輻照嬗變摻雜產(chǎn)品介紹及工藝原理：

NTD法在硅中引入了均勻分布的施主雜質(zhì)磷，使單晶具有均勻的電阻率分布。這一工藝大大提高了原始單晶硅材料的有效利用率，電阻率均勻性好，從而大幅度改善單晶硅性能，保證了器件的成品率和優(yōu)級(jí)品率。其主要用于制作對(duì)功率集成器件和各類新型電力電子器件。

2.NTD硅單晶生產(chǎn)流程圖：

三、影響NTD單晶品質(zhì)因素分析及改善方法

3.1 FZ單晶生產(chǎn)過(guò)程分析：

3.1.1 FZ本征單晶RRV改善

依據(jù)中照前后單晶雜質(zhì)濃度計(jì)算，要保證中照后單晶RRV滿足要求，在常規(guī)工藝下，電阻率中照比須大于8：1，這種情況對(duì)于原始FZ本征單晶的要求較高，尤其是高阻NTD單晶就需要選用高成本的高阻多晶料進(jìn)行拉制，生產(chǎn)成本提高。但工藝改進(jìn)后（引入正反轉(zhuǎn)），獲得相同RRV情況下，電阻率中照比可降低至5：1，生產(chǎn)成本降低。

3.2 中照過(guò)程影響

3.2.1 輕重水堆的區(qū)別

核反應(yīng)時(shí)，為防止中子速度過(guò)快，影響核反應(yīng)效果，需要使用慢化劑減慢中子速度，減速后的中子能量最后都變?yōu)闊崮?，速度變慢的中子稱為熱中子。現(xiàn)在的反應(yīng)堆幾乎都利用熱中子，因此慢化劑是反應(yīng)堆不可缺少的組成部分。

用重水即氧化氘（D2O）作為慢化劑的核反應(yīng)堆被稱為重水反應(yīng)堆，或簡(jiǎn)稱為重水堆現(xiàn)在的反應(yīng)堆幾乎都利用熱中子，因此慢化劑是反應(yīng)堆不可缺少的組成部分慢化劑與中子碰撞使中子亦即減少中子的數(shù)量的話，便失去了意義。所以，重水是非常優(yōu)異的慢化劑，它與石墨并列是最常用的慢化劑。

用輕水作為慢化劑和冷卻劑的核反應(yīng)堆被稱為輕水反應(yīng)堆，包括沸騰水堆和加壓水堆輕水也就是一般的水，廣泛地被用于反應(yīng)堆的慢化劑和冷卻劑。與重水相比，輕水有廉價(jià)的長(zhǎng)處，此外其減速效率也很高

3.2.2 輕重水堆對(duì)電阻率的影響

結(jié)論：同一條件下，輕水堆輻照單晶漂移率較重水堆更大，實(shí)際生產(chǎn)中的規(guī)律與相關(guān)理論研究結(jié)果規(guī)律一致。

3.2.3 如何消除或減少反應(yīng)堆類型對(duì)NTD單晶電阻率的影響

1.通過(guò)模擬計(jì)算，為了保證漂移率滿足要求，摻氮單晶不可以使用輕水堆輻照；

2.輕水堆輻照條件下，單晶受到快中子輻射的劑量比重水堆高，單晶內(nèi)產(chǎn)生的空位型缺陷濃度也要高，因此需要更高的熱處理溫度才能消除（但不可超過(guò)950℃）。

3.3 熱處理過(guò)程影響分析

3.3.1 來(lái)自熱處理過(guò)程的沾污

金屬污染是硅片產(chǎn)生誘生缺陷、器件功能劣化根源之一，這些金屬雜質(zhì)在硅中形成局部深能級(jí)， 降低少子壽命， 增大漏電流， 造成器件特性不穩(wěn)定。熱處理工序中， 雜質(zhì)污染品體的機(jī)會(huì)很多， 雜質(zhì)， 特別是重金屬和堿金屬雜質(zhì)的污染是造成半導(dǎo)體器件特性不穩(wěn)定和參數(shù)劣化， 可靠性差， 成品率低的重要因素。而這些雜質(zhì)又往往和工藝誘生缺陷的產(chǎn)生有密切關(guān)系[5]。

來(lái)自熱處理過(guò)程的的污染有： [5]

（1） 石英管件污染：

（2） 在退火爐受到的沾污（atm/75mm）[5]

此類金屬沾污主要來(lái)源于退火爐中的電爐絲、爐筒及陶瓷件等部件

（3）其它由于清洗過(guò)程不嚴(yán)格而殘存在晶體表面上的雜質(zhì)等， 清洗室純度、試劑、氣體、容器等純度， 操作工藝合理與否， 純水質(zhì)量等也都會(huì)給單晶帶來(lái)意外污染[5]。

熱處理前的腐蝕及熱處理過(guò)程容易造成金屬離子沾污影響單晶少子壽命，須采取措施控制。

3.3.2 改善NTD單晶熱處理后少子壽命方法

① 入爐前的處理方法

（1） 去離子水沖洗， HF、HNO3 的混合液腐蝕，去離子水沖凈。

（2） 過(guò)2號(hào)液： HCL∶H2O2∶H2O∶= 1∶2∶7的混合腐蝕硅棒

目的：消除硅棒表面的重金屬和其它雜質(zhì)， 因?yàn)橹亟饘匐s質(zhì)對(duì)少數(shù)載流子壽命有致命的影響。

增加2號(hào)液清洗后，晶體表面金屬離子含量降低，但晶體整體壽命沒(méi)有明顯改善。

② 石英管鈍化法

H2O和HCl在高溫狀態(tài)下分解的氧原子和氯原子比較活潑，特別是Cl，它與Na等金屬離子有較強(qiáng)烈的作用。相關(guān)研究表明，此方法下，Cl主要起三種作用：

a、與石英管及硅舟等器具表面的金屬離子化合，起清潔作用；

b、與樣品表面沾污的Na+等雜質(zhì)元素化合，使Na+失去電性而成為電中性，因此起著一種鈍化作用；endprint

c、吸收晶體內(nèi)部雜質(zhì)，即晶體內(nèi)部具有正電性的金屬離子在Cl的負(fù)電性的作用下，能向外擴(kuò)散 。

在實(shí)際應(yīng)用中，此方法具備方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在缺點(diǎn)：1、尾氣對(duì)設(shè)備、廠房及人員損害大；2、通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，壽命改善效果有限。

③ 磷硅玻璃法

五氧化磷溶液浸泡法

P2O5溶液在晶體表面形成磷硅玻璃保護(hù)膜，隔絕外界金屬沾污，同時(shí)在晶體表而形成損傷，產(chǎn)生延伸缺陷，成為吸除中心，使晶體內(nèi)的雜質(zhì)、缺陷向表面運(yùn)動(dòng)，在吸除中心被吸除。

P2O5+SiSiO2+P

優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，對(duì)金屬離子的隔離和吸除效果好，少子壽命提高明顯；

缺點(diǎn)：

1、 P2O5粉末吸水性極強(qiáng)，容易在配制溶液時(shí)發(fā)生如下反應(yīng)：

P2O5+H2OH3PO3

五氧化二磷與乙醇中的水或空氣中的水汽反應(yīng)生成磷酸，影響五氧化二磷的沉積效果

2、 溶液浸泡法沉積P2O5均勻度難控制，且處理過(guò)程容易引人其它雜質(zhì)。

b、CVD（化學(xué)氣相沉積）法制備磷硅玻璃

原理分析：在高溫下使用氮?dú)鈱⑷妊趿讕胧⒐?，通過(guò)三氯氧磷和單晶表面進(jìn)行反應(yīng)，得到磷原子。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，磷原子從四周進(jìn)入晶體的表面層，并且通過(guò)硅原子之間的空隙向晶體內(nèi)部滲透擴(kuò)散在擴(kuò)散過(guò)程中，POCL3與O2反應(yīng)生成P2O5淀積在晶體表面。P2O5與Si反應(yīng)又生成SiO2和磷原子，這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2保護(hù)膜，在隔絕外界金屬雜質(zhì)進(jìn)入的同時(shí)，這個(gè)P的摻雜區(qū)對(duì)晶體內(nèi)部的金屬雜質(zhì)也有吸除效果。

PCl3+O2P2O5+Cl2

P2O5+SiSiO2+P

優(yōu)點(diǎn)：工藝方法穩(wěn)定性高，P2O5沉積均勻度好，過(guò)程中引入其它雜質(zhì)幾率小；風(fēng)險(xiǎn)：此方法多用于光伏和IC器件擴(kuò)散摻雜工藝中，在晶體上的應(yīng)用效果有待驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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