NTD區熔硅單晶品質改善方法研究

佟宇薇

【摘 要】本文從原始單晶生長、中子輻照、熱處理等過程分析了影響NTD（中子輻照嬗變摻雜）區熔硅單晶品質的因素，并結合實際情況得出了雜質、中照反應堆類型、熱處理工藝等對單晶電阻率和少子壽命產生影響的結論，提出了改善產品品質的一些方法。

【關鍵詞】NTD；電阻率；少子壽命

一、前言

區熔硅傳統市場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。節能減排已經成為我國的長期國策，國家在鼓勵利用新能源的同時，也倡導建立節能型社會。IGBT器件作為高耐壓、大電流、高速度、低飽和壓降的開關型器件，被廣泛應用于需要功率變換的消費電子、工業控制、電動汽車、新能源發電、高壓輸變電與智能電網、機車牽引等領域，并成為高壓大電流條件下的首選節能型器件。

以IGBT為代表的新型電力電子器件的快速增長，為區熔單晶硅的發展提供了廣闊市場空間和不可多得的機遇。02專項目標里也提到，面向高壓大功率IGBT芯片產品制造需求，研究滿足1200V-6500V IGBT 芯片產業化對區熔硅單晶的要求。市場應用對產品品質提出的要求：高電阻率及面內高一致性、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級品率。其主要用于制作對功率集成器件和各類新型電力電子器件。

2.NTD硅單晶生產流程圖：

三、影響NTD單晶品質因素分析及改善方法

3.1 FZ單晶生產過程分析：

3.1.1 FZ本征單晶RRV改善

依據中照前后單晶雜質濃度計算，要保證中照后單晶RRV滿足要求，在常規工藝下，電阻率中照比須大于8：1，這種情況對于原始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行拉制，生產成本提高。但工藝改進后（引入正反轉），獲得相同RRV情況下，電阻率中照比可降低至5：1，生產成本降低。

3.2 中照過程影響

3.2.1 輕重水堆的區別

核反應時，為防止中子速度過快，影響核反應效果，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為熱能，速度變慢的中子稱為熱中子。現在的反應堆幾乎都利用熱中子，因此慢化劑是反應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堆被稱為重水反應堆，或簡稱為重水堆現在的反應堆幾乎都利用熱中子，因此慢化劑是反應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量的話，便失去了意義。所以，重水是非常優異的慢化劑，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堆被稱為輕水反應堆，包括沸騰水堆和加壓水堆輕水也就是一般的水，廣泛地被用于反應堆的慢化劑和冷卻劑。與重水相比，輕水有廉價的長處，此外其減速效率也很高

3.2.2 輕重水堆對電阻率的影響

結論：同一條件下，輕水堆輻照單晶漂移率較重水堆更大，實際生產中的規律與相關理論研究結果規律一致。

3.2.3 如何消除或減少反應堆類型對NTD單晶電阻率的影響

1.通過模擬計算，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，單晶內產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950℃）。

3.3 熱處理過程影響分析

3.3.1 來自熱處理過程的沾污

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

來自熱處理過程的的污染有： [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）其它由于清洗過程不嚴格而殘存在晶體表面上的雜質等， 清洗室純度、試劑、氣體、容器等純度， 操作工藝合理與否， 純水質量等也都會給單晶帶來意外污染[5]。

熱處理前的腐蝕及熱處理過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2號液： 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， 因為重金屬雜質對少數載流子壽命有致命的影響。

增加2號液清洗后，晶體表面金屬離子含量降低，但晶體整體壽命沒有明顯改善。

② 石英管鈍化法

H2O和HCl在高溫狀態下分解的氧原子和氯原子比較活潑，特別是Cl，它與Na等金屬離子有較強烈的作用。相關研究表明，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、吸收晶體內部雜質，即晶體內部具有正電性的金屬離子在Cl的負電性的作用下，能向外擴散 。

在實際應用中，此方法具備方法簡單易實現，成本低等優點，但同時也存在缺點：1、尾氣對設備、廠房及人員損害大；2、通過實際驗證，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膜，隔絕外界金屬沾污，同時在晶體表而形成損傷，產生延伸缺陷，成為吸除中心，使晶體內的雜質、缺陷向表面運動，在吸除中心被吸除。

P2O5+SiSiO2+P

優點：通過實際應用驗證，對金屬離子的隔離和吸除效果好，少子壽命提高明顯；

缺點：

1、 P2O5粉末吸水性極強，容易在配制溶液時發生如下反應：

P2O5+H2OH3PO3

五氧化二磷與乙醇中的水或空氣中的水汽反應生成磷酸，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，且處理過程容易引人其它雜質。

b、CVD（化學氣相沉積）法制備磷硅玻璃

原理分析：在高溫下使用氮氣將三氯氧磷帶入石英管，通過三氯氧磷和單晶表面進行反應，得到磷原子。經過一定時間，磷原子從四周進入晶體的表面層，并且通過硅原子之間的空隙向晶體內部滲透擴散在擴散過程中，POCL3與O2反應生成P2O5淀積在晶體表面。P2O5與Si反應又生成SiO2和磷原子，這樣就在硅片表面形成一層含有磷元素的SiO2保護膜，在隔絕外界金屬雜質進入的同時，這個P的摻雜區對晶體內部的金屬雜質也有吸除效果。

PCl3+O2P2O5+Cl2

P2O5+SiSiO2+P

優點：工藝方法穩定性高，P2O5沉積均勻度好，過程中引入其它雜質幾率小；風險：此方法多用于光伏和IC器件擴散摻雜工藝中，在晶體上的應用效果有待驗證。

參考文獻：

[1] L. Jastrzebski，G. W. Cullen. R. Soydan，G.Harbeke，J. Lagowski，S. Vecrumba，W. H. Henry. J. Electrochhem. Soc. 134：466（1987）.

[2] 吳莉莉，惠國華，潘敏，陳裕泉，李婷，張孝彬. 電暈放電納米碳管氣敏傳感器的實驗研究[J]. 浙江大學學報（工學版），2007，41（5）：732-735.

[3] W. v. Ammon et al.， 1988.

[4] 闕端麟，陳修治. 硅材料科學與技術（上），514.

[5] 張維連. 用少子壽命變化監測硅單晶退火工藝的污染，中國電子期刊，63-65.endprint