深能级瞬态谱检测电子级多晶硅中的痕量Zn元素含量的研究应用

＊支云云 薛心禄,2 王志强 岳玉芳

（1.青海芯测科技有限公司 青海 810000 2.青海省新能源材料与储能技术重点实验室 青海 810000）

引言

电子级多晶硅是生产制造半导体硅片最基础也是最主要的原材料之一，被称为电子信息产业的“粮食”，其纯度需达到11N甚至更高，如此高的纯度要求对电子级多晶硅的制备技术、检测技术和质量管理都提出了极高的要求。虽然我国电子级多晶硅产品生产技术指标已经能够比肩国际一流水平，但国内大多数能够生产高纯电子级多晶硅企业的产品质量稳定性仍亟待提升。究其主要原因有电子级多晶硅生产过程杂质控制与消除方法和国外仍存有差距、杂质对晶圆品质的影响机理方面的研究不够深入、产品检测方面的技术水平需要进一步提升等。

当前，能够对电子级多晶硅中的微量杂质元素进行检测的设备众多，根据检测范围的不同，主要分为紫外可见分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）法、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法、高分辨电感耦合和等离子体质谱（HR-ICP-MS）法等，按照等级要求的不同，高分辨电感耦合和等离子体质谱（HR-ICP-MS）法检测设备相较其它检测方法灵敏度更高，且可同时检测多种元素，检测效率更高效，但此方法无法有效分析电子级多晶硅中杂质元素的存在形式、缺陷的深能级及界面态。为了解决此问题，本文主要研究用深能级瞬态谱技术检测电子级多晶硅中的痕量杂质，同步分析杂质元素的存在形式，解决生产产品杂质元素来源及控制方法，为电子级多晶硅生产企业提高产品质量提供经验和思路，同时也可进一步推动电子级多晶硅产品和其他中间产品在下游高端市场的应用，保障我国集成电路产业安全与可持续发展。

1.实验部分

(1)实验仪器

德国PhysTech公司FD1030。

(2)样品制备

传统深能级测试样品采用上电极为肖特基接触，下电极是欧姆接触电极。但对于较厚高阻的样品可以采用双肖特基结进行制样。基本原理是两个串联的肖特基电容，电容由较小电容决定，因此当C2＞C1时，整体的电容约等于C1也就是较小的电容。

图1 样品制备示意图

图2 实际样品制备

实际测试过程中上电极采用In金属高温熔化成为肖特基接触，电极直径约5mm，下电极采用ZnHg合金形成肖特基接触，样品直径约为20mm，厚度约为2mm。

(3)测试条件

电子级多晶硅样品测试深能级采用脉冲变温测试方式，测试模式采用电容测试模式。

(4)测试流程及方法

①变温深能级测试的流程是首先找准单个温度点的瞬态参数，也就是下图中右侧区域的参数，单个温度点的参数应该满足一个标准的RC放电曲线，然后按照图中的参数，进行变温扫描选定温度区域内的所有瞬态，程序会根据所有瞬态进行进一步拟合得到能级的位置和浓度等信息。

②电容深能级测试模式，进行变温深能级测试之前，首先要找准用于激发的深能级信号的参数。因此首先进行瞬态测试。其瞬态如下图所示。

图3 300K对应瞬态测试曲线

瞬态参数说明：

Tau：不同参数拟合下的放电常数；

NT：测试到的绝对的缺陷密度；

NTS：测试到的相对的缺陷密度，也就是上表面电极下的缺陷密度；

Tauclass：瞬态曲线对进行拟合计算出来的当前数据的等级，40以下不可信。

③光激发方式测试：电子级多晶硅块属于电阻较高且缺陷密度较小的材料，可采用光激发的方式进行尝试。也就是光生深能级瞬态谱（Optical-DLTS）用于增加信号的强度。激发光光源为一个532nm绿光LD激光二极管，并结合电脉冲激发两者共同作用以求最大效果。

2.结果与讨论

(1)变温电容测试结果

(2)变温电容测试结果分析

从图4可以看出450K之前没有发现有效的能够进行拟合的特征峰，450K之后有巨大下降趋势，可能是热激发导致的。由于趋势在下降过程中没有结束，因此不能做为拟合依据。实验结果表明，电子级多晶硅块的缺陷可能较少，因此进一步增加激发是解决这一问题的可能方法。

图4 变温电容测试结果

(3)光激发深能级测试结果

分别测试350K、300K、250K、200K、150K、100K、84K光激发深能级瞬态曲线，结果如图5～图11所示。

图5 350K瞬态曲线

图6 300K瞬态曲线

图7 250K瞬态曲线

图8 200K瞬态曲线

图9 150K瞬态曲线

图10 100K瞬态曲线

图11 84K瞬态曲线

(4)光激发深能级测试结果分析

从图12～图14的实验结果可以看出，采用了光生瞬态谱之后，不同温度下的瞬态谱都显示出较好的瞬态特性，但变温测试结果仍然显示出较大的噪声。这说明测试本身并没有问题，样品本身确实不存在过多的可以采用深能级瞬态谱进行探测的缺陷。在多次尝试后，没有得到有效拟合数据。同时在光激发的条件下，NT的浓度处于1014cm-3。值得指出的是实验中在137K时发现一个相对略微明显的峰。随即调取了该温度下的瞬态结果。能级位置在导带下Ec-Et=0.26eV浓度约在2×1014cm-3，推测应该是Zn元素产生的能级。

图12 变温光生瞬态深能级

图13 光生深能级数据图谱

图14 137K对应的瞬态

3.结语

本论文研究了利用深能级瞬态谱测试电子级多晶硅中Zn元素含量，完善了芯测公司检测分析能力，有利于提高新能源分公司电子级多晶硅在国内市场中的竞争力，对我国发展高端电子产业具有重要意义。但在电子级多晶硅生产过程中经常还会检测出Na、Al、K、Ca、Fe、Cr、Ni、Cu等金属元素，因此，后续在Zn元素研究测试的基础上将开展利用深能级瞬态谱测试其他金属元素含量的工作，进一步确定金属杂质在多晶硅产品中的含量及存在形式。