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多晶硅生产工艺和反响原理

第一节多晶硅的根底知识

多晶硅的根底知识重要的半导体材料，化学元素符号Si，电子工业上使用的硅应

具有高纯度和优良的电学和机械等性能。硅是产量最大、应用最广的半导体材料，它

的产量和用量标志着一个国家的电子工业水平。

在研究和生产中，硅材料与硅器件相互促进。在第二次世界大战中，开始用硅制

作雷达的高频晶体检波器。所用的硅纯度特别低又非单晶体。1950年制出第一只硅

晶体管，提高了人们制备优质硅单晶的喜好。1952年用直拉法(CZ)培育硅单晶成功。

1953年又研究出无坩埚区域熔化法(FZ)，既可进行物理提纯又能拉制单晶。1955年

开始采纳锌复原四氯化硅法生产纯硅，但不能满足制造晶体管的要求。1956年研究

成功氢复原三氯氢硅法。对硅中微量杂质又通过一段时刻的探究后，氢复原三氯氢硅

法成为一种要紧的方法。到1960年，用这种方法进行工业生产已具规模。硅整流器

与硅闸流管的咨询世促使硅材料的生产一跃而居半导体材料的首位。60年代硅外延

生长单晶技术和硅平面工艺的出现，不但使硅晶体管制造技术趋于成熟，而且促使集

成电路迅速开展。80年代初全世界多晶硅产量已达2500吨。硅依旧有前途的太阳电

池材料之一。用多晶硅制造太阳电池的技术差不多成熟；无定形非晶硅膜的研究进展

迅速；非晶硅太阳电池开始进进市场。

化学成分硅是元素半导体。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分不

低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺进一定量的电活性杂质，以获得所要求的

导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳根基上极有害的杂质，它们的存

在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高，低于1ppm者可认为是低碳单晶。碳含量

超过3ppm时其有害作用已较显著。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。

硅的性质硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21电子伏。载

流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米/伏•秒，空穴迁移率为480厘米/伏•×

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10欧•厘米,掺杂后电阻率可操纵在10～10欧•厘米的宽广范围内，能满足制造各

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种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。热导

率较大。化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中能够用

氧化膜实现PN结外表钝化和保卫，还能够形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS

场效应晶体管和集成电路。上述性质使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，并能在200高温下运行

等优点。

硅单晶的要紧技术参数硅单晶要紧技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非

平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

导电类型导电类型由掺进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进一定杂质以操纵单晶的电阻率。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。它直截了当碍事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进产生的附加电子和空穴瞬即复合而消逝，它们

平均存在的时刻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

使寿命值大大落低。

晶向与晶向偏离度常用的单晶晶向多为(111)和(100)〔见图〕。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，不准许有小角度晶

界、位错排、星形结构等缺陷存在。位错密度低于200/厘米2者称为无位错单晶，

无位错硅单晶占产量的