直拉区熔联合法硅单晶生长技术研究

庞炳远，闫 萍，索开南，董军恒，刘 洪

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220)

直拉区熔联合法首先是利用直拉法将块状多晶制备成区熔设备能使用的棒状多晶，之后利用区熔法脱出多晶棒中的高氧含量，并制备成区熔单晶。采用成熟、稳定的直拉工艺，可以方便且较为准确地将硅单晶的电阻率控制在较低的目标范围内，但该工艺的缺点是材料中的氧含量较高，单晶的少子寿命较低；采用区熔工艺可以保证材料的纯度，但该工艺很难实现通过直接掺杂的工艺方式精确地控制低阻单晶的杂质含量。通过直拉区熔联合法，可以兼顾直拉法及区熔法的优点，不仅可以通过直拉工艺中的直接掺杂实现较低的电阻率，同时还可以通过区熔工艺有效地降低直拉工艺引入的氧含量，并有效地提高单晶的少子寿命和材料的可靠性。与区熔中照单晶和区熔气掺单晶相比，通过直拉区熔联合法研制单晶可大幅度地降低生产成本，为硅单晶生产开辟了一个新的领域。

1 实验与结果

1.1 实验条件

1.1.1 单晶生长设备

直拉单晶生长设备：TDR-62B 直拉炉；

区熔单晶生长设备：CFG4/1400P 区熔炉。

1.1.2 主要原材料

多晶硅：块状直拉料；

掺杂剂：N 型掺磷母合金；

籽晶：直拉用<100>籽晶和区熔用<111>籽晶。

1.2 实验及结果

1.2.1 直拉法生长N 型掺杂<100> 硅单晶

在TDR-62B 直拉炉上，通过直拉工艺掺杂母合金并生长直径60 mm 的低阻<100> 硅单晶，单晶尾部有意留成锥形。经测试，直拉硅单晶的轴向电阻率分布如表1 所示。

由表1 可以看出，由于杂质的分凝作用，直拉单晶的轴向电阻率分布在2.65～5.63 Ω·cm 之间，且呈现出头部高、尾部低的明显趋势，分布较为分散。在单晶尾部切取样片后，检测其径向电阻率变化为13.2%，氧含量为7.5×17 cm-3，碳含量为不大于1×16 cm-3。

表1 直拉硅单晶轴向电阻率分布

1.2.2 区熔法生长N 型<111> 硅单晶

常规工艺中，对于无论是直拉法还是区熔法生长的N 型硅单晶，由于杂质分凝作用的存在，单晶的轴向电阻率分布均呈现出头部高、尾部低的特点。通过直拉工艺和区熔工艺联合研制硅单晶时，为保证最终研制出的硅单晶具有较好的轴向电阻率均匀性，在进行区熔硅单晶生长时，采用直拉硅单晶的尾部作为区熔用硅棒的头部。

由工艺特点决定，直拉硅单晶的表面形状不适合直接进行区熔硅单晶生长，需经过一定的处理后才能使用。首先，对直拉硅单晶的尾部进行磨锥；其次，将直拉硅单晶表面的棱线打磨光滑；最后，对直拉硅单晶的头部进行磨槽，以便用于区熔工艺中硅棒的挟持和悬挂。将硅棒表面形状打磨好，并通过酸处理工艺后，便可将该硅棒用于区熔硅单晶生长。

在进行区熔硅单晶生长时，为了减小环境气体的热传导及热对流作用，从而减小单晶生长界面的弯曲，达到提高单晶径向电阻率均匀性的目的，本实验采用了相对较低的炉内气氛压力120 kPa，炉内气氛采用了氩气及0.5%氮气的混合气体；为了增加熔体搅拌作用，提高单晶的径向电阻率均匀性，在下轴旋转速率采用6 r/min 的同时，适当地提高了上轴的反向旋转速率至3 r/min。

通过区熔法共生长出两段直径50 mm (2 英寸)的硅单晶，第一段为采用4.5 mm/min 生长速度得到的硅棒前1/2 长度的FS001；第二段为采用3.2 mm/min 生长速度得到的硅棒剩余长度的FS002。两段硅单晶的轴向电阻率测试结果见表2，其它参数测试结果见表3。

表2 硅单晶轴向电阻率分布

2 讨 论

从表2 中可以看出，两段硅单晶的轴向电阻率呈现出头部低、尾部高的趋势，分布较直拉单晶有所集中。由于杂质分凝的作用，在单晶的生长方向上会产生杂质的推移和聚集，采用直拉单晶的尾部作为区熔单晶的头部，可以有效地提高单晶轴向电阻率的均匀性。从表2 中可以看出，硅棒头部1/2长度区域所生长的第一段单晶FS001，由于采用了相对较快的生长速度4.5 mm/min，杂质分凝效果不明显，杂质基本上都被固定在了原有位置上，致使单晶的轴向电阻率分布和直拉单晶原料一致；之后的剩余硅棒所生长的第二段硅单晶FS002，由于采用了相对较慢的生长速度3.2 mm/min，杂质分凝产生了一定的作用，杂质适当地向尾部方向进行了推移，致使杂质在轴向上分布更均匀，提高了单晶的轴向电阻率均匀性。

表3 硅单晶其它参数测试结果

直拉单晶中的氧原子是由单晶生长过程中熔硅同石英坩埚高温反应生成SiO 进入硅晶体而产生的，其氧含量一般高达1×1018cm-3。在区熔单晶生长过程中，与采用区熔专用原料相比，采用直拉单晶作为区熔工艺的原料，原料会向熔区引入更多的氧原子。从表3 中可以看出，两段硅单晶中的氧、碳含量均不大于1×16 cm-3，其测量值已低于现有测试设备的测量精度，和普通区熔单晶的氧、碳含量接近。这表明，区熔工艺中的高温硅熔区将直拉硅棒引入的SiO 几乎挥发殆尽，最后只有极少部分氧原子进入了区熔硅单晶。

区熔工艺中，单晶的旋转有利于杂质从生长界面的富集层内向熔体中扩散，同时，在单晶的旋转以及重力的作用下，熔体中的杂质将向生长界面的某些区域聚集，进而决定了杂质在单晶生长界面的分布情况[1]。本文采取了区熔工艺的常规控制方法，从表3 中可以看出，两段硅单晶的径向电阻率均匀性分别为25.2%～29.7%和12.3%～24.9%，与普通区熔单晶的20%～30%接近，低于普通直拉单晶的10%～15%，这表明硅单晶的径向电阻率均匀性主要由CFG4/1400P 区熔炉稳定热场[2]下的区熔工艺决定。

区熔工艺中，单晶生长固液界面处的热场主要受线圈电磁场分布和晶体散热等因素的影响。在整颗单晶生长过程中，线圈与单晶生长固液界面的距离整体变化不大，可以认为能量的供给是持续稳定的。与单晶的等经生长阶段相比，单晶的放肩阶段具有较大的散热变化，导致该阶段的固液界面形状变化较大。区熔单晶的径向电阻率分布受固液界面处溶质边界层中杂质分布的影响，该影响主要表现为散热条件变化引起的固液界面形状变化和单晶生长工艺参数（晶体生长速度、晶体旋转速、原料旋转速度等）变化引起的熔体湍流分布的变化，在以上两种变化的共同作用下，引起溶质边界层中杂质分布的变化。因现有工艺在放肩阶段的放肩角度和工艺参数等工艺条件的可变性较大，导致径向杂质分布在放肩阶段和等经起始阶段容易出现较大的波动，本实验所生长的FS002 单晶头部的径向电阻率均匀性较好就是工艺条件较大可变性的一种可能情况。

N 型硅单晶的非平衡少数载流子（空穴）寿命主要受载流子（电子）浓度和金属杂质浓度的影响。多晶原料的质量和所经历的工艺环境直接决定了硅单晶中杂质的种类和数量，直拉工艺的采用使晶体具有较高的杂质含量，区熔工艺通过杂质分凝和杂质蒸发的双重作用又可去除一部分杂质。从表3 中可以看出，硅单晶的少子寿命为500～700 μs，低于普通区熔单晶的1 000 μs，但高于普通直拉单晶的100 μs，这表明区熔工艺有效地去除了由直拉工艺引入的一部分有害杂质的含量，有效地提升了最终单晶的少子寿命，但由于原料和直拉工艺引入了较多有害杂质（石英坩埚中的硼、铝等杂质的引入等），区熔工艺去除有害杂质的作用毕竟有限，因此，最终研制的硅单晶未能达到普通区熔单晶高少子寿命的水平。

从表3 中可以看出，两段硅单晶均无漩涡缺陷。区熔工艺中，漩涡缺陷主要受单晶直径和生长速度的影响[3]，较低的生长速度才会产生漩涡缺陷，当生长速度高于某个阈值时，漩涡缺陷就不会在出现。对于50 mm(2 英寸)的单晶，本实验所采用的3.2 mm/min 及以上的生长速度，是不会产生漩涡缺陷的。

3 结 论

实验表明，直拉区熔联合法通过直拉工艺和区熔工艺的结合，研制出了低氧含量的低阻硅单晶。直拉区熔联合法通过区熔工艺有效地降低了晶体内的氧含量，所研制硅单晶的氧含量在1×16 cm-3以下。直拉区熔联合法研制的硅单晶的轴向电阻率分布主要受直拉工艺影响，其轴向电阻率均匀性要优于普通直拉单晶。直拉区熔联合法研制的硅单晶的少子寿命主要受载流子浓度和金属杂质浓度的影响，通过区熔工艺可以得到较高的少子寿命。直拉区熔联合法研制的硅单晶的径向电阻率分布和漩涡缺陷主要由区熔工艺决定。

[1] 阙端麟，陈修治. 硅材料科学与技术[M]. 杭州：杭州大学出版社，2000.220-233.

[2] 闫萍，索开南，庞炳远. 生长系统对高阻区熔硅单晶径向电阻率变化的影响[J]. 电子工业专用设备，2011，40(9)：11-14.

[3] 杨树人，王宗昌，王兢. 半导体材料[M]. 北京：科学出版社，2004.98-101.