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，并能在200℃高温下运行等优点。硅中氧含量的高低是硅材料质量好坏的重要指标，硅中氧的引入是多晶原料或CZ工艺中从石英坩埚的SiO2进入的。多晶原料里的氧主要是在生产多晶硅时使用的原料（如氢气中的H2O、O2）引入的。一般要求多晶硅中的氧含量≤1×1018原子个数/CM3（≤1ppma）。单晶硅中的氧多以间隙氧的形式存在。过饱和的间隙氧会在晶体中偏聚、沉淀而形成氧施主、氧沉淀及二次缺陷（热施主、新施主），这将对半导体器件的性能带来不良影响。

3.4施受主杂质：当多晶硅中硼杂质含量高于磷杂质含量时，多晶硅显示为P型；当多晶硅磷杂质含量高于硼杂质含量时，多晶硅显示为N型；当多晶硅中硼、磷杂质接近时，多晶硅显示为混合型。当多晶硅中硼、磷杂质含量过高时，会使电阻率降低，影响单晶电阻率及少数载流子寿命，进而影响后续半导体器件性能。当N型多晶硅中磷杂质浓度较高时，少数载流子为空穴，空穴受到外界作用激发定向移动时，一方面受到电子的吸引力越大，另一方面与电子碰撞的机率越大，因而少数载流子越易复合，因而寿命越低，反之寿命越高。当多晶硅为P型多晶硅时，受主杂质浓度越高，多晶硅的电阻率越低。对于N型半导体，施主杂质浓度一定的条件下，受主杂质浓度越高，其电阻率越高。对于P型半导体，受主杂质浓度一定的条件下，施主杂质浓度越高，其电阻率越高。参与补偿，影响多晶硅的测试电阻率，使测试电阻率不能真实的反应多晶硅杂质的浓度，甚至误判为高纯半导体。

3.5体表金属：基体金属杂质主要来源于金属硅原料，生产用SiHCl3、H2、Cl2、HCl，辅助介质N2、Ar以及生产设备涉及的器、泵、管道、阀门，基体金属污染时多晶硅生产过程中不能消除的一部分。因此，所有的介质、设备、容器、管道需要高度的密封管理并且控制接触污染，使潜在污染在许可的条件下最大限度的降低。多晶硅表面污染是指多晶硅表面的沾污，這种污染发生在CVD（气相沉积）过程之后，即当炉罩被打开时，多晶硅棒的表面暴露在环境容器中时空气中的金属颗粒和有机粒子与多晶硅表面接触粘附在其表面上，同时金属原子在接触多晶硅晶格时会以一定的速度将扩散到多晶硅晶体内部。硅中的金属杂质都属于有害杂质，它们会在硅晶体中形成深能级中心或沉淀而影响材料及器件的性能。硅晶体中存在的单个金属原子有电活性，是深能级复合中心，大幅度降低少子寿命、减少少子扩散长度；金属原子还会沉淀在SiO2/Si的界面上，降低器件的击穿电压；金属杂质也会在硅晶体中形成金属复合体（如：Fe-B对、Fe-Au复合体等）或与Si形成M-Si沉淀相（M为Ti、Co、Ni等），这些金属复合体和金属沉淀对材料和器件都有不良影响。

4、结论

为适应超大规模集成电路的需要，高完整性高均匀度（尤其是氧的分布） 的硅单晶制备技术正在发展，进口数据中所有的分立器件、集成电路用多晶硅全部进口，国内高品质多晶硅缺口仍然巨大。

参考文献：

[1]浅析电子级多晶硅影响因素[J].王晓军，牛聪明，红星，李生生.内蒙古科技与经济.2013（13）

[2]Yang Z.Modified Siemens electronic grade polysilicon production quality influencing factors[J].World Nonferrous Metals，2015.