作者：特变电工新疆新能源股份有限公司  程小理、陈洁、苏金玉、李仪成、阮善斌、马燕 

    单晶拉制过程中，由于头部氧施主效应影响，往往会出现晶棒的头部电阻率虚高，而这也正是影响单晶成品率及成本的主要因素之一。行业内对高阻硅棒的热处理工艺备受关注，但至今仍未见合理的工艺报道。传统的热处理工艺大都是针对高阻单晶硅片进行退火，工艺处理不仅繁琐，而且完善度不够。

　　众所周知，氧是直拉单晶硅中的主要杂质，它主要来源于晶体生长过程中石英坩埚的污染，其反应式为：Si + SiO2=2SiO。氧是直拉单晶硅中不可避免的轻元素杂质。氧在单晶硅中主要以间隙态的形式存在，不显电活性，在晶体降温过程中，间隙氧在450℃左右会聚集产生显电活性的SiO42-，提供电子成为施主，称为氧施主现象。文献报道在400～700℃温度范围内，氧沉淀呈棒状结构；在700～1000℃温度范围内是平板状结构；在高温退火中，会生成多面体沉淀，对晶格产生很大应力，在很大程度上影响晶体中点缺陷的浓度及分布，从而影响随后的氧沉淀过程。为了减少高温热处理导致的杂质重新分布和扩散对超浅节产生的危害，目前科研人员正在探索低温工艺。一般来说，直拉硅中的氧在300～500℃的热处理中会形成热施主（TDs），它引起硅材料电学性能的改变，从而使器件失效。普通直拉硅单晶（CZ），一般在氩气下650℃退火0.5h以上就可将热施主绝大部分去除，即使过饱和的间隙氧沉淀下来，使硅片的电阻率达到真实值。然而这种工艺不仅需要保护气，而且容易使硅片发生翘曲、崩边等异常情况。

　　  本文借助新型石英保护罩装置及大容积的热处理设备，在720℃和750℃温度下，对高阻单晶圆棒/方棒进行了退火，并利用四探针法和WT-1000对退火后的晶棒端面中心电阻率及少子寿命进行了检测。通过数据对比，探索出了一种高阻硅棒退火的最佳工艺方法。结合氧施主效应理论分析并讨论了热处理后电阻率变化的根本原因。

　　实验过程与方法

　　实验选取p型<100>晶向的8英寸高阻直拉单晶硅棒10根，直径204mm-206mm，长度在100mm-200mm之间，样品被分成5组，如表1为设计的热处理实验方案，实验电阻率目标值1-3Ω·cm，少子寿命目标值为≥10μs。试验采用的热处理设备为马弗炉，退火前首先将新购的石英直筒罩擦拭干净，在适当的温度内在马弗炉内煅烧若干时间；其次重新检测并记录需要退火晶棒的电阻率，用酒精布将表面擦拭干净，超声适当的时间，之后将表面擦拭干净装入垫有碳毡（已煅烧）的栅栏中。退火过程：要将大马弗炉加功率升温，温度达到750℃时，保温若干时间，待温度稳定后将栅栏整体送至于石英直筒罩中部位置，保温30min后，将晶棒取出按照预期设计的试验方案冷却至常温。然后用四探针法测试热处理晶棒的电阻率，并切样片后用WT-1000检测样片钝化后的少子寿命值。

　　表1.单晶硅棒热处理方案设计

 [page]

　　实验结果与分析

　　如表2为退火前后晶棒电阻率及少子寿命测试数据。结合硅棒退火前后少子寿命和电阻率变化曲线（图1和图2），并对比Ⅱ、Ⅳ和Ⅰ、Ⅴ试验结果后发现，高阻圆棒/方棒在720℃或750℃热处理30min后，室内自然冷却和风机吹拂下的快速冷却时，晶棒的端面中心电阻率呈现不同的变化值，通过快速冷却即可实现电阻率降至合格范围内；对比实验Ⅰ和Ⅴ数据可以看出，在有石英罩保护装置的情况下，退火后晶棒不仅电阻率实现了降低，而且少子寿命也在合格范围之内。这是由于本次实验完全在没有保护气体的情况下进行，在750℃温度下硅单晶经历了热处理，炉内杂质或晶棒表皮内杂质离子尤其是某些金属离子会以很快的速度扩散至晶棒体内，以各种形式存在，降低单晶硅棒的少子寿命值。石英罩在一定程度上可以隔离炉内杂质离子的这种扩散污染，使得少子寿命降低幅度较小。

　　从图1和图2也可以看出，无论采用何种方式冷却，退火前后少子寿命和电阻率均有下降趋势。另外，采用单晶圆棒或方棒退火，只要避免退火过程的可能污染并且实现快速冷却，都可以使电阻率和少子寿命回归到目标值范围内。但是在实际的实验过程中，采用方棒退火相比圆棒而言增大了晶棒崩边的几率，并且可能使边缘少子寿命出现异常。

　　表2.单晶硅棒热处理前后电阻率及少子寿命数据

　　图1.退火前后少子寿命变化曲线

　　Fig1. The curve of minority carrier lifetime before and after thermal process   

　　图2. 退火前后电阻率变化曲线

　　Fig2.  The curve of resistivity before and after thermal process[page]

　　众所周知，单晶硅棒氧含量从头部到尾部逐渐减小。一般而言，在直拉单晶硅中，一般都存在热施主效应，使得刚制备的直拉单晶硅头部电阻率出现虚高现象。对于直拉单晶硅而言，热施主是一种无法避免的与氧有关的缺陷，晶体生长过程中，降温过程相对缓慢，且头部在450℃停留时间较长，所以头部更容易产生氧施主作用，通过在650℃热处理可以消除原生的氧热施主，恢复真实的电阻率。这是因为在650℃-800℃温度区退火时，氧的扩散能力强，氧沉淀易于长大。在驱动力的作用下，间隙氧开始均匀成核，聚集形成氧沉淀，致使间隙氧浓度降低。换句话说即间隙氧浓度的消失主要归结于氧沉淀的迅速长大，而核心正是原生氧沉淀。另外，低温热处理时氧的过饱和度较大并且此时的成核临界半径较小，所以低温热处理时氧沉淀易成核。由此可见晶棒冷却时必须要快速跨过氧施主形成的温度区域，才能使晶棒电阻率恢复到合格范围之内。这就不难解释冷却方式Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ电阻率没有降到合格范围内的原因。

　　总结

　　本文研究了在750℃和720℃下p型单晶高阻硅棒的退火试验，通过对退火晶棒的快速冷却，使得单晶拉制过程生成的热施主效应在退火后即被完全消除，电阻率和载流子浓度回复到硅棒的真实值。结合氧施主在硅棒中退火前后的表现，讨论了电阻率降低的根本原因。此次硅棒/方棒的退火不仅可以避免因硅片退火而出现的崩边、翘曲等问题，而且方便、易于操作。为单晶硅棒成品率的提高及成本的降低起到了一定的推动作用。