单晶硅中氧杂质控制的重要性
时间：2025-04-23 发布人：admin 点击数：0
在直拉单晶硅的生长过程中，石英坩埚中的二氧化硅（SiO2）会溶解进入硅熔体中，是氧杂质的主要来源之一。石英坩埚是直拉法生长单晶硅最常用的材料，其与硅熔体的反应需在高温环境下进行，通常在 1420℃以下，反应方程式为：SiO2 +Si→2SiO。生成的 SiO 蒸汽压力为 12kPa，当到达硅熔体自由表面后会以气体形式挥发，但只有约 1%的部分会进入熔硅中，这是因为硅熔体的对流和扩散作用。多晶硅原料本身也含有氧杂质，其浓度一般在1016~1017atom/cm3，在后续的单晶生长过程中会被引入到单晶硅中。在单晶硅的生长和器件制造过程中，由于各种温度的热处理，过饱和的间隙氧会在硅晶体中偏聚和沉淀，形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷，氧杂质对硅材料和器件的性能有不利影响，如导致硅片翘曲、引入二次缺陷等。氧沉淀是氧杂质在高温处理过程中与硅结合形成的一种沉淀物，其形态多样，包括片状、球形等。氧沉淀的生成对单晶硅的内在品质及器件性能具有深远影响，具体而言，氧沉淀能够诱发二次缺陷，缺陷可能对器件的性能与可靠性产生不利影响。此外，氧杂质在晶体内部可通过扩散方式进行迁移，这一迁移过程对晶体的均匀性与品质产生影响。氧的扩散行为同样受到掺杂元素及热处理条件的显著影响。例如，重掺杂元素如硼、磷和砷能够显著改变氧的扩散速率与路径，进而影响晶体的整体性能。潘国刚深入探讨了氧杂质对 N 型单晶硅导电性和光电转换效率的显著影响。研究指出，当硅单晶中氧含量较高时，晶片边缘易形成明显的位错排，断面则伴随大量层错与位错缺陷的产生。这些缺陷不仅局限于晶片内部，更会部分渗透至外延层中的晶体管区域，从而引发晶体管结漏电现象。与之相对，当硅单晶中氧含量处于较低水平时，晶片内部的缺陷数量明显减少，但缺陷分布呈现不均匀态势，使得硅单晶片在遭受金属污染时，无法有效吸附杂质，进而导致材料性能的失效。
