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摘要：在电子半导体器件制造中，单晶硅的氧浓度会严重影响单晶硅产品的性能，也是单晶硅生长过程中较难控制的环节。本文介绍了直拉单晶法中氧杂质的来源、对单晶硅的影响以及氧浓度的控制方法。
关键词：直拉单晶氧浓度电子半导体集成电路
单晶硅是微电子工业的基础材料，广泛用于集成电路和功率半导体器件的制造，成为当今信息社会的基石，同时也是太阳能光伏电池的主要材料，直拉单晶硅是利用切氏法（czochralski）制备，称为CZ单晶硅。目前主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面。在单晶硅直拉工艺引入的众多杂质中，氧对材料的性能影响最大，在表征单晶硅质量的众多参数中，氧含量及其均匀性是最重要的参数之一，也是在硅晶体生长过程中较难控制的参数。
1直拉单晶硅的氧杂质
直拉单晶硅存在杂质中氧是主要杂质，石英坩埚的晶体生长过程是一种轻微的污染，直拉硅中的元素杂质是不可避免的；氧空位结合，形成微缺陷；也可以聚集形成具有电性质的氧簇，可能是氧沉淀的形式，引入诱导缺陷。研究发现，利用氧的沉淀性质，设计“内吸杂”工艺，可以达到吸除直拉单晶硅中的金属杂质，提高集成电路产品成品率的作用，因此，人们对直拉单晶硅中的氧开始了有控制的利用。
直拉单晶硅的生长需要利用高纯的石英坩埚，虽然石英坩埚的熔点要高于硅材料的熔点（1420），但是，在如此的高温过程中，熔融的液态硅会侵蚀石英坩埚，导致少量的氧进入熔硅，最终进入直拉单晶硅。直拉单晶硅中的氧一般在（5～20）×1017cm-3范围内，以过饱和间隙状态存在于晶体硅中。
2氧对直拉单晶硅的影响
氧在硅中大部分处于间隙位置，它的振动所形成的硅在11o6cm-1产生红外吸收带的Si-O键，这也符合空缺产生836cm-1红外吸收带。在直拉硅单晶是350~500热处理几十个小时的治疗，效果会产生热施主。随着硅单晶的生长方法（Czochralski的1018atoms／cm3的氧含量）是最著名的热施主效应，浮区晶体（氧含量1016atoms／cm3）热施主效应不明显，除了500~800长时间的热处理，将有一个新的供体的效果，现在，只有较高的氧含量，单晶（5×1017atoms/立方厘米氧含量）。由于热施主的存在，样品的电阻率降低，p型样品的电阻率增大。这些特性改变了硅片径向电阻率的均匀性，导致电阻率的热稳定性降低，成品率下降。氧对硅中少数载流子寿命的影响也是非常复杂的。可能与硅的电阻率变化有类似的机制。
3直拉单晶硅氧浓度的控制方法
在直拉法生产中，氧掺入硅单晶的途径是从石英（SiO2）坩埚溶解进入硅熔体，溶解的氧经由熔体的对流和扩散传输到晶体/熔体界面或自由表面。由于氧在熔体中的扩散系数相当小，所以氧主要是通过对流的传输的。如果要控制原始直拉硅中氧含量和分布的均匀性，就必须控制晶体生长过程中氧从石英坩埚溶解到熔体的速度，控制熔体流动以控制熔体输送的氧量。控制氧的主要方法可分为两类：一是通过调节牵引条件获得最佳氧含量和分布的期望值。第二，设计了一种新的晶体生产方法，以抑制外界因素的影响，改变流动方式，达到控制氧的目的。
3.1拉晶条件的调控
增加氩气流量，降低炉内压力有利于氧含量的降低。为了防止在熔融二氧化硅缩合和氧饱和度，SiO气体挥发的硅表面熔融的单晶炉内氩气除去。另一目的是同时以CO气体避免重新融化，导致晶棒的碳污染。用氩气还原单晶硅炉中的钴和SiO的分压，并从炉中取出SiO和CO，以减少溶解到熔融硅中的量。减压提拉法可使结晶炉保持低压，提高SiO2的蒸发率，使氩气炉快速交换，降低硅氧含量。
合理的热场有利于晶体的生长。在熔体中，径向温度梯度应适当小，纵向温度梯度应适当。加热器是热场的关键部件，它降低了加热器在热场中的尺寸，即降低加热器高度或减小加热器的径向尺寸，有助于降低氧浓度及其分布的均匀性。在提拉过程中，熔体中的热对流是由温度差产生的，从加热器加热坩埚的侧面，加热器的大小的变化实际上是改变温度场的温度分布，从而使热场温度分布更加合理，纵向温度梯度的增大程度的径向温度梯度和降低熔体的作用，从而影响和氧含量的分布，影响晶体质量。
当初始位置在低石英坩埚坩埚位置，中间位置是靠近加热器，加热功率熔化炉时低，与石英坩埚壁温底低，不熔氧在硅中的浓度；同时，坩埚的位置低的温度梯度也使得纵向进行，进入氧浓度在熔体也小，可以降低氧含量。但初始坩埚位置减小，加热器功率降低，晶体温度梯度下降，晶体生长速率下降，熔体消耗时间长，生产效率低，初始坩埚位置过高或过低都不利于晶体生长。
直拉单晶硅的晶体生长，晶体在一定的角速度旋转时，在相反方向的坩埚旋转，他们又强迫对流的直接作用，搅拌均匀熔体熔融硅，硅氧杂质，旋转的影子在单晶硅晶体和坩埚年轮生长过程是多方面的，不只有好的和坏的。一般认为，当晶体转速增大时，径向氧浓度分布趋于均匀。但速度过快会产生湍流，不利于位错的自由生长，也不利于杂质的均匀分布。坩埚的旋转可以使杂质均匀分布在整个熔化，而是由坩埚旋转引起的对流和热对流的方向是一致的，这使在熔体中的温度波动，和氧浓度在铸锭和熔融随坩埚旋转速度的增加。在单晶硅的某些生长条件下，合适的晶体和坩埚的转速是非常重要的。在实际生产和分配常用的高速、低速水晶坩埚，以控制氧的均匀性，还可以采用变速和晶体坩埚提拉技术来实现氧气的分配。
3.2磁拉法（MCZ）法
由于熔硅较大的电导率，磁场可以控制熔体的运动，所以一个磁场直拉法，即MCZ法。其主要优点有：（1）杂质的微观控制，特别是氧的可控性。（2）通过减少坩埚的污染来提高坩埚的浓度。（3）由于边界层的增加，杂质的有效分离系数增大，杂质分布的宏观和微观均匀性得到改善。因此，MCZ方法可以生产大直径硅单晶，氧含量低、可控。早期的MCZ法可分为两种：vmcz（加轴向磁场）和hmcz（外加横向磁场）。
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