原生硅料对半导体器件品质的影响研究.docx

?

?

原生硅料对半导体器件品质的影响研究

?

?

孟庆平杨爱静

摘要：硅材料在各种晶体三极管、尤其是功率器件制造方面仍是最主要的材料，从近十年的发展状况来看，虽然多晶硅在我国得到长足发展，但高品质多晶硅仍然需要进口。本文对硅料指标对半导体器件品质的影响进行了深入分析，研究结果对于稳定生产高质量多晶硅具有一定的参考价值。

关键词：硅料；半导体；器件；品质；影响

引言：硅是最重要的半导体材料，集成电路芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制造而成。多晶硅行业的利润空间被不断压缩，企业之间从规模的竞争，转变为成本和质量的竞争。因此，多晶硅产品质量直接决定企业的命运。

1、原生多晶硅料和半导体器件品质参数

1.1原生多晶硅料品质参数

以工业硅为原料采用改良西门子法生产的多晶硅，分别采用ICP-MS、低温傅立叶变换红外光谱、硅多晶气氛区熔基P检验法和真空区熔基B检验法等，对三氯氢硅中的杂质和多晶硅产物中的P、B、C、O含量及其P、B电阻率进行了检测，其主要质量指标有施主杂质浓度（基磷电阻率）、受主杂质浓度（基硼电阻率）、少数载流子寿命、氧浓度、碳浓度、表面和基体金属杂质。

1.2半导体器件品质参数

硅单晶的主要技术参数硅单晶主要技术参数有导电型号、电阻率、氧碳含量、晶体缺陷、体铁金属、表金属测试（Fe、Cr、Ni、Zn、Cu、Al、Na、K）、少数载流子寿命、表面质量（颗粒度）、几何参数检验（厚度、总厚度变化、平整度、局部平整度、弯曲度、翘曲度等）、晶向及晶向偏离度、DSOD。

导电类型：导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷，外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。电阻率与均匀度：拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。非平衡载流子寿命：光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失，它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度，存在重金属杂质会使寿命值大大降低。晶向与晶向偏离度：常用的单晶晶向多为（111）和（100）。晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。晶体缺陷：生产电子器件用的硅单晶除对位错密度有一定限制外，不允许有小角度晶界、位错排、星形结构等缺陷存在。位错密度低于200/厘米□者称为无位错单晶，无位错硅单晶占产量的大多数。在无位错硅单晶中还存在杂质原子、空位团、自间隙原子团、氧碳或其他杂质的沉淀物等微缺陷。微缺陷集合成圈状或螺旋状者称为旋涡缺陷。热加工过程中，硅单晶微缺陷间的相互作用及变化直接影响集成电路的成败。

2、硅料拉制单晶的两种工艺

硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔（FZ）单晶与有坩埚直拉（CZ）单晶。

2.1区熔单晶：区熔单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧·厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。

2.2直拉单晶：直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧？厘米以下的硅单晶。由于含氧量高，直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产，外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。

3、原生硅料对半导体器件品质的影响

3.1少数载流子寿命：少子寿命的长短反映了半导体材料的内在质量，如晶体结构的完整性、所含杂质以及缺陷的多少，硅晶体的缺陷和杂质往往是非平衡载流子的复合中心。

3.2碳含量：硅中的碳含量也是表征硅材料质量的重要参数。硅中碳的引入主要是多晶硅原料或CZ工艺中由石墨部件来的。多晶硅原料里的碳主要来自生产多晶的原料（如H2、SiHCl3）或使用的石墨部件（如夹持硅芯的石墨头）等。一般要求多晶硅中的碳含量﹤5×1017原子个数/CM3（﹤5ppma）。碳在硅晶体中处于替代位置，它是中性等电子杂质，它可以与其它杂质或缺陷形成复合体、或形成沉淀、或诱生新的缺陷降低半导体器件的击穿电压。

3.3氧含量：硅中氧含量甚高，氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5～40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属-氧化物-半导体结构，制造MOS场效应晶体管和集成电路，使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导好，并能