原生硅料對半導體器件品質的影響研究

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，從近十年的發展狀況來看，雖然多晶硅在我國得到長足發展，但高品質多晶硅仍然需要進口。本文對硅料指標對半導體器件品質的影響進行了深入分析，研究結果對于穩定生產高質量多晶硅具有一定的參考價值。

關鍵詞：硅料；半導體；器件；品質；影響

引言：硅是最重要的半導體材料， 集成電路芯片和傳感器是基于半導體單晶硅片制造而成。多晶硅行業的利潤空間被不斷壓縮，企業之間從規模的競爭，轉變為成本和質量的競爭。因此，多晶硅產品質量直接決定企業的命運。

1、原生多晶硅料和半導體器件品質參數

1.1原生多晶硅料品質參數

以工業硅為原料采用改良西門子法生產的多晶硅，分別采用ICP-MS、低溫傅立葉變換紅外光譜、硅多晶氣氛區熔基P檢驗法和真空區熔基B檢驗法等，對三氯氫硅中的雜質和多晶硅產物中的P、B、C、O含量及其P、B電阻率進行了檢測，其主要質量指標有施主雜質濃度（基磷電阻率）、受主雜質濃度（基硼電阻率）、少數載流子壽命、氧濃度、碳濃度、表面和基體金屬雜質。

1.2半導體器件品質參數

硅單晶的主要技術參數 硅單晶主要技術參數有導電型號、電阻率、氧碳含量、晶體缺陷、體鐵金屬、表金屬測試（Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Al、Na、K）、少數載流子壽命、表面質量（顆粒度）、幾何參數檢驗（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。

導電類型：導電類型由摻入的施主或受主雜質決定。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：拉制單晶時摻入一定雜質以控制單晶的電阻率。由于雜質分布不勻，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電阻率均勻度。它直接影響器件參數的一致性和成品率。非平衡載流子壽命：光照或電注入產生的附加電子和空穴瞬即復合而消失，它們平均存在的時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、反向電流和開關特性等均有關系。壽命值又間接地反映硅單晶的純度，存在重金屬雜質會使壽命值大大降低。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，其偏離的角度稱為晶向偏離度。晶體缺陷：生產電子器件用的硅單晶除對位錯密度有一定限制外，不允許有小角度晶界、位錯排、星形結構等缺陷存在。位錯密度低于 200/厘米□者稱為無位錯單晶，無位錯硅單晶占產量的大多數。在無位錯硅單晶中還存在雜質原子、空位團、自間隙原子團、氧碳或其他雜質的沉淀物等微缺陷。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坩堝區熔（FZ）單晶與有坩堝直拉（CZ）單晶。

2.1區熔單晶：區熔單晶不受坩堝污染，純度較高，適于生產電阻率高于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，區熔單晶機械強度較差。大量區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，但純度低于區熔單晶，適于生產20歐？厘米以下的硅單晶。由于含氧量高，直拉單晶機械強度較好。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，外延片是在硅單晶片襯底（或尖晶石、藍寶石等絕緣襯底）上外延生長硅單晶薄層而制成，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、原生硅料對半導體器件品質的影響

3.1少數載流子壽命：少子壽命的長短反映了半導體材料的內在質量，如晶體結構的完整性、所含雜質以及缺陷的多少，硅晶體的缺陷和雜質往往是非平衡載流子的復合中心。

3.2碳含量：硅中的碳含量也是表征硅材料質量的重要參數。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原子個數/CM3（﹤5ppma）。碳在硅晶體中處于替代位置，它是中性等電子雜質，它可以與其它雜質或缺陷形成復合體、或形成沉淀、或誘生新的缺陷降低半導體器件的擊穿電壓。

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；區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現PN結表面鈍化和保護，還可以形成金屬-氧化物-半導體結構，制造MOS場效應晶體管和集成電路，使PN結具有良好特性，使硅器件具有耐高壓、反向漏電流小、效率高、使用壽命長、可靠性好、熱傳導好，并能在200℃高溫下運行等優點。硅中氧含量的高低是硅材料質量好壞的重要指標，硅中氧的引入是多晶原料或CZ工藝中從石英坩堝的SiO2進入的。多晶原料里的氧主要是在生產多晶硅時使用的原料（如氫氣中的H2O、O2）引入的。一般要求多晶硅中的氧含量≤1×1018原子個數/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），這將對半導體器件的性能帶來不良影響。

3.4施受主雜質：當多晶硅中硼雜質含量高于磷雜質含量時，多晶硅顯示為P型；當多晶硅磷雜質含量高于硼雜質含量時，多晶硅顯示為N型；當多晶硅中硼、磷雜質接近時，多晶硅顯示為混合型。當多晶硅中硼、磷雜質含量過高時，會使電阻率降低，影響單晶電阻率及少數載流子壽命，進而影響后續半導體器件性能。當N型多晶硅中磷雜質濃度較高時，少數載流子為空穴，空穴受到外界作用激發定向移動時，一方面受到電子的吸引力越大，另一方面與電子碰撞的機率越大，因而少數載流子越易復合，因而壽命越低，反之壽命越高。當多晶硅為P型多晶硅時，受主雜質濃度越高，多晶硅的電阻率越低。對于N型半導體，施主雜質濃度一定的條件下，受主雜質濃度越高，其電阻率越高。對于P型半導體，受主雜質濃度一定的條件下，施主雜質濃度越高，其電阻率越高。參與補償，影響多晶硅的測試電阻率，使測試電阻率不能真實的反應多晶硅雜質的濃度，甚至誤判為高純半導體。

3.5體表金屬：基體金屬雜質主要來源于金屬硅原料，生產用SiHCl3、H2、Cl2、HCl，輔助介質N2、Ar以及生產設備涉及的器、泵、管道、閥門，基體金屬污染時多晶硅生產過程中不能消除的一部分。因此，所有的介質、設備、容器、管道需要高度的密封管理并且控制接觸污染，使潛在污染在許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，這種污染發生在CVD（氣相沉積）過程之后，即當爐罩被打開時，多晶硅棒的表面暴露在環境容器中時空氣中的金屬顆粒和有機粒子與多晶硅表面接觸粘附在其表面上，同時金屬原子在接觸多晶硅晶格時會以一定的速度將擴散到多晶硅晶體內部。硅中的金屬雜質都屬于有害雜質，它們會在硅晶體中形成深能級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金屬原子有電活性，是深能級復合中心，大幅度降低少子壽命、減少少子擴散長度；金屬原子還會沉淀在SiO2/Si的界面上，降低器件的擊穿電壓；金屬雜質也會在硅晶體中形成金屬復合體（如：Fe-B對、Fe-Au復合體等）或與Si形成M-Si沉淀相（M為Ti、Co、Ni等），這些金屬復合體和金屬沉淀對材料和器件都有不良影響。

4、結論

為適應超大規模集成電路的需要，高完整性高均勻度（尤其是氧的分布） 的硅單晶制備技術正在發展，進口數據中所有的分立器件、集成電路用多晶硅全部進口，國內高品質多晶硅缺口仍然巨大。

參考文獻：

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