直拉硅单晶的氧和碳.pdf

直拉硅单晶的氧和碳

直拉硅单晶中的氧和碳是一类很重要的杂质，氧和碳在直拉单晶中，可能形成微沉淀，

可能在微沉淀基础上形成微缺陷，严重影响单晶质量，影响大规模集成电路性能和制造。

氧原子在硅单晶中大部以间隙原子状态存在，成Si-O-Si状态或SiO和SiO状态，熔点

24

183

时，氧在固态硅的溶解度为(2.75±0.15)×10/cm，在熔硅中的溶解度为（2.20±0.15)×

183163173

10/cm。直拉硅单晶的氧主要来源于多晶硅，它的含氧量一般为10/cm~10/cm数量级，

173183

而直拉单晶硅中的氧含量一般在6×10/cm~2×10/cm，可见，单晶生长过程中有大量的氧

进入。

石英坩埚对硅单晶的氧沾污非常严重，在1420℃以上高温下，硅熔体和石英坩埚进行化

学反应：

Si(熔体)+SiO(固体)=2SiO

2

反应结果，石英坩埚上生成一层固体一氧化硅，并不断溶解于熔硅中，生成一氧化硅气

体也会溶解于熔硅，使熔硅氧浓度增高。

氩气氛下拉晶时，氩气中的氧会以不同形成溶入熔硅中，使硅单晶氧浓度增高。

直拉硅单晶一般单晶并没有部氧浓度高，尾部氧浓度低，单晶新面中心氧浓度高，边缘

氧浓度低。硅单晶的这种氧浓度分布既受坩埚污染影响，也受拉晶时氧蒸发和氧分凝效应影

响。坩埚中熔硅虽然离坩埚壁越近氧浓度越高，但在拉晶过程中，被单晶覆盖的熔硅氧不能

蒸发，其余部分氧蒸发较快，在熔硅对流作用下，形成单晶中氧含量边缘高中心低的现象。

氧在硅中的平衡分凝系数一般认为是1.25，这很容易解释硅单晶头部含氧高尾部含氧低的事

实。但是，从硅氧二元相图看，氧在硅中的平衡分凝系数应该小于1，这和一般认为氧在硅

中平衡分凝系数等于1.25相矛盾。氧在单晶中分布呈并没有部高尾部低现象可以这样解释：

由于多晶硅熔化时温度高，硅和石英坩埚（SiO）反应激烈，大量的硅氧物进入熔硅，它们

2

比重小，浮于熔硅上部，使得生长的单晶氧含量头部高，单晶在以后生长中，虽然硅和石英

坩埚继续反应生成硅氧物进入熔硅，但由于温度较低反应缓慢，而且由于晶体和坩埚转动搅

拌熔体中氧蒸发作用增强，使单晶尾部氧含量降低。另外由于目前都是测量硅中的间隙氧，

不是全部氧，因此也会出现差异。总之，氧在硅单晶中行为复杂，一些现象还不甚清楚。目

前对硅单晶中氧的作用认为既有害，也有利。氧在硅单晶中形成氧沉淀，产生微缺陷和氧条

纹，影响单晶质量也可以利用硅单晶含氧高的特点制造某些大规模集成电路，化害为利。

1

16317

碳原子在硅单晶中处于替位状态，直拉硅单晶碳浓度在5×10个/厘米至3×10个/厘

3163163

米，碳的来源有三个：多晶硅含碳量一般为1×10个/厘米至3×10个/厘米，单晶炉热

系统的石墨器件和保护气氛（氩气）中残留的氧在高温下进行化学反应。

C+O=2COC+O=CO

222

2CO+O=2CO2CO=CO+C

2