原生硅料對(duì)半導(dǎo)體器件品質(zhì)的影響研究

孟慶平 楊愛靜

摘 要：硅材料在各種晶體三極管、尤其是功率器件制造方面仍是最主要的材料，從近十年的發(fā)展?fàn)顩r來看，雖然多晶硅在我國(guó)得到長(zhǎng)足發(fā)展，但高品質(zhì)多晶硅仍然需要進(jìn)口。本文對(duì)硅料指標(biāo)對(duì)半導(dǎo)體器件品質(zhì)的影響進(jìn)行了深入分析，研究結(jié)果對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)高質(zhì)量多晶硅具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：硅料；半導(dǎo)體；器件；品質(zhì)；影響

引言：硅是最重要的半導(dǎo)體材料， 集成電路芯片和傳感器是基于半導(dǎo)體單晶硅片制造而成。多晶硅行業(yè)的利潤(rùn)空間被不斷壓縮，企業(yè)之間從規(guī)模的競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀竞唾|(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。因此，多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量直接決定企業(yè)的命運(yùn)。

1、原生多晶硅料和半導(dǎo)體器件品質(zhì)參數(shù)

1.1原生多晶硅料品質(zhì)參數(shù)

以工業(yè)硅為原料采用改良西門子法生產(chǎn)的多晶硅，分別采用ICP-MS、低溫傅立葉變換紅外光譜、硅多晶氣氛區(qū)熔基P檢驗(yàn)法和真空區(qū)熔基B檢驗(yàn)法等，對(duì)三氯氫硅中的雜質(zhì)和多晶硅產(chǎn)物中的P、B、C、O含量及其P、B電阻率進(jìn)行了檢測(cè)，其主要質(zhì)量指標(biāo)有施主雜質(zhì)濃度（基磷電阻率）、受主雜質(zhì)濃度（基硼電阻率）、少數(shù)載流子壽命、氧濃度、碳濃度、表面和基體金屬雜質(zhì)。

1.2半導(dǎo)體器件品質(zhì)參數(shù)

硅單晶的主要技術(shù)參數(shù) 硅單晶主要技術(shù)參數(shù)有導(dǎo)電型號(hào)、電阻率、氧碳含量、晶體缺陷、體鐵金屬、表金屬測(cè)試（Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Al、Na、K）、少數(shù)載流子壽命、表面質(zhì)量（顆粒度）、幾何參數(shù)檢驗(yàn)（厚度、總厚度變化、平整度、局部平整度、彎曲度、翹曲度等）、晶向及晶向偏離度、DSOD。

導(dǎo)電類型：導(dǎo)電類型由摻入的施主或受主雜質(zhì)決定。P型單晶多摻硼，N型單晶多摻磷，外延片襯底用N型單晶摻銻或砷。電阻率與均勻度：拉制單晶時(shí)摻入一定雜質(zhì)以控制單晶的電阻率。由于雜質(zhì)分布不勻，電阻率也不均勻。電阻率均勻性包括縱向電阻率均勻度、斷面電阻率均勻度和微區(qū)電阻率均勻度。它直接影響器件參數(shù)的一致性和成品率。非平衡載流子壽命：光照或電注入產(chǎn)生的附加電子和空穴瞬即復(fù)合而消失，它們平均存在的時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命。非平衡載流子壽命同器件放大倍數(shù)、反向電流和開關(guān)特性等均有關(guān)系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度，存在重金屬雜質(zhì)會(huì)使壽命值大大降低。晶向與晶向偏離度：常用的單晶晶向多為 （111）和（100）。晶體的軸與晶體方向不吻合時(shí)，其偏離的角度稱為晶向偏離度。晶體缺陷：生產(chǎn)電子器件用的硅單晶除對(duì)位錯(cuò)密度有一定限制外，不允許有小角度晶界、位錯(cuò)排、星形結(jié)構(gòu)等缺陷存在。位錯(cuò)密度低于 200/厘米□者稱為無(wú)位錯(cuò)單晶，無(wú)位錯(cuò)硅單晶占產(chǎn)量的大多數(shù)。在無(wú)位錯(cuò)硅單晶中還存在雜質(zhì)原子、空位團(tuán)、自間隙原子團(tuán)、氧碳或其他雜質(zhì)的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈狀或螺旋狀者稱為旋渦缺陷。熱加工過程中，硅單晶微缺陷間的相互作用及變化直接影響集成電路的成敗。

2、硅料拉制單晶的兩種工藝

硅單晶按拉制方法不同分為無(wú)坩堝區(qū)熔（FZ）單晶與有坩堝直拉（CZ）單晶。

2.1區(qū)熔單晶：區(qū)熔單晶不受坩堝污染，純度較高，適于生產(chǎn)電阻率高于20歐·厘米的N型硅單晶（包括中子嬗變摻雜單晶）和高阻 P型硅單晶。由于含氧量低，區(qū)熔單晶機(jī)械強(qiáng)度較差。大量區(qū)熔單晶用于制造高壓整流器、晶體閘流管、高壓晶體管等器件。

2.2直拉單晶：直接法易于獲得大直徑單晶，但純度低于區(qū)熔單晶，適于生產(chǎn)20歐？厘米以下的硅單晶。由于含氧量高，直拉單晶機(jī)械強(qiáng)度較好。大量直拉單晶用于制造MOS集成電路、大功率晶體管等器件。外延片襯底單晶也用直拉法生產(chǎn)，外延片是在硅單晶片襯底（或尖晶石、藍(lán)寶石等絕緣襯底）上外延生長(zhǎng)硅單晶薄層而制成，大量用于制造雙極型集成電路、高頻晶體管、小功率晶體管等器件。

3、原生硅料對(duì)半導(dǎo)體器件品質(zhì)的影響

3.1少數(shù)載流子壽命：少子壽命的長(zhǎng)短反映了半導(dǎo)體材料的內(nèi)在質(zhì)量，如晶體結(jié)構(gòu)的完整性、所含雜質(zhì)以及缺陷的多少，硅晶體的缺陷和雜質(zhì)往往是非平衡載流子的復(fù)合中心。

3.2碳含量：硅中的碳含量也是表征硅材料質(zhì)量的重要參數(shù)。硅中碳的引入主要是多晶硅原料或CZ工藝中由石墨部件來的。多晶硅原料里的碳主要來自生產(chǎn)多晶的原料（如H2、SiHCl3）或使用的石墨部件（如夾持硅芯的石墨頭）等。一般要求多晶硅中的碳含量﹤5×1017原子個(gè)數(shù)/CM3（﹤5ppma）。碳在硅晶體中處于替代位置，它是中性等電子雜質(zhì)，它可以與其它雜質(zhì)或缺陷形成復(fù)合體、或形成沉淀、或誘生新的缺陷降低半導(dǎo)體器件的擊穿電壓。

3.3氧含量：硅中氧含量甚高，氧的存在有益也有害。直拉硅單晶氧含量在5～40ppm范圍內(nèi)；區(qū)熔硅單晶氧含量可低于1ppm。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實(shí)現(xiàn)PN結(jié)表面鈍化和保護(hù)，還可以形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，制造MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路，使PN結(jié)具有良好特性，使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長(zhǎng)、可靠性好、熱傳導(dǎo)好，并能在200℃高溫下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。硅中氧含量的高低是硅材料質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，硅中氧的引入是多晶原料或CZ工藝中從石英坩堝的SiO2進(jìn)入的。多晶原料里的氧主要是在生產(chǎn)多晶硅時(shí)使用的原料（如氫氣中的H2O、O2）引入的。一般要求多晶硅中的氧含量≤1×1018原子個(gè)數(shù)/CM3（≤1ppma）。單晶硅中的氧多以間隙氧的形式存在。過飽和的間隙氧會(huì)在晶體中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷（熱施主、新施主），這將對(duì)半導(dǎo)體器件的性能帶來不良影響。

3.4施受主雜質(zhì)：當(dāng)多晶硅中硼雜質(zhì)含量高于磷雜質(zhì)含量時(shí)，多晶硅顯示為P型；當(dāng)多晶硅磷雜質(zhì)含量高于硼雜質(zhì)含量時(shí)，多晶硅顯示為N型；當(dāng)多晶硅中硼、磷雜質(zhì)接近時(shí)，多晶硅顯示為混合型。當(dāng)多晶硅中硼、磷雜質(zhì)含量過高時(shí)，會(huì)使電阻率降低，影響單晶電阻率及少數(shù)載流子壽命，進(jìn)而影響后續(xù)半導(dǎo)體器件性能。當(dāng)N型多晶硅中磷雜質(zhì)濃度較高時(shí)，少數(shù)載流子為空穴，空穴受到外界作用激發(fā)定向移動(dòng)時(shí)，一方面受到電子的吸引力越大，另一方面與電子碰撞的機(jī)率越大，因而少數(shù)載流子越易復(fù)合，因而壽命越低，反之壽命越高。當(dāng)多晶硅為P型多晶硅時(shí)，受主雜質(zhì)濃度越高，多晶硅的電阻率越低。對(duì)于N型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)濃度一定的條件下，受主雜質(zhì)濃度越高，其電阻率越高。對(duì)于P型半導(dǎo)體，受主雜質(zhì)濃度一定的條件下，施主雜質(zhì)濃度越高，其電阻率越高。參與補(bǔ)償，影響多晶硅的測(cè)試電阻率，使測(cè)試電阻率不能真實(shí)的反應(yīng)多晶硅雜質(zhì)的濃度，甚至誤判為高純半導(dǎo)體。

3.5體表金屬：基體金屬雜質(zhì)主要來源于金屬硅原料，生產(chǎn)用SiHCl3、H2、Cl2、HCl，輔助介質(zhì)N2、Ar以及生產(chǎn)設(shè)備涉及的器、泵、管道、閥門，基體金屬污染時(shí)多晶硅生產(chǎn)過程中不能消除的一部分。因此，所有的介質(zhì)、設(shè)備、容器、管道需要高度的密封管理并且控制接觸污染，使?jié)撛谖廴驹谠S可的條件下最大限度的降低。多晶硅表面污染是指多晶硅表面的沾污，這種污染發(fā)生在CVD（氣相沉積）過程之后，即當(dāng)爐罩被打開時(shí)，多晶硅棒的表面暴露在環(huán)境容器中時(shí)空氣中的金屬顆粒和有機(jī)粒子與多晶硅表面接觸粘附在其表面上，同時(shí)金屬原子在接觸多晶硅晶格時(shí)會(huì)以一定的速度將擴(kuò)散到多晶硅晶體內(nèi)部。硅中的金屬雜質(zhì)都屬于有害雜質(zhì)，它們會(huì)在硅晶體中形成深能級(jí)中心或沉淀而影響材料及器件的性能。硅晶體中存在的單個(gè)金屬原子有電活性，是深能級(jí)復(fù)合中心，大幅度降低少子壽命、減少少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；金屬原子還會(huì)沉淀在SiO2/Si的界面上，降低器件的擊穿電壓；金屬雜質(zhì)也會(huì)在硅晶體中形成金屬?gòu)?fù)合體（如：Fe-B對(duì)、Fe-Au復(fù)合體等）或與Si形成M-Si沉淀相（M為Ti、Co、Ni等），這些金屬?gòu)?fù)合體和金屬沉淀對(duì)材料和器件都有不良影響。

4、結(jié)論

為適應(yīng)超大規(guī)模集成電路的需要，高完整性高均勻度（尤其是氧的分布） 的硅單晶制備技術(shù)正在發(fā)展，進(jìn)口數(shù)據(jù)中所有的分立器件、集成電路用多晶硅全部進(jìn)口，國(guó)內(nèi)高品質(zhì)多晶硅缺口仍然巨大。

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