中子嬗变掺杂直拉硅的退火工艺

摘要

一种中子嬗变掺杂直拉硅的退火工艺，其工序是：将自然直拉硅单晶进行中子嬗变掺杂，清洗处理后，送入经过清洗处理的高温扩散炉内进行热退火。该工艺可与器件制造中的热工序结合，因此可以大大节省工时和能耗。经过此工艺处理的硅单晶可得到真实的少子寿命和准确的目标电阻率。用此硅片制备电子元器件，成品率和电参数均可大大提高。因此，可广泛用于中子嬗变掺杂直拉硅的热处理。

说明书

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本发明涉及一种中子嬗变掺杂直拉硅的退火工艺。

在1980年中国金属学会出版的半导体材料论文集104-141页，公开了一种对区熔硅进行中子嬗变掺杂的退火工艺，其工艺方法是，对区熔硅进行中子嬗变掺杂后，在用氮气或氩气作保护气氛的扩散炉内750℃-850℃恒温1-2小时，然后随炉缓慢冷却。这种工艺的不足之处是：①少子寿命（非平衡少数载流子）值有时偏低，同时表现稳定性、重复性差;②由于直拉硅比区熔硅氧的含量要高出一个数量级，中子嬗变直拉硅在750℃-850℃热退火时，辐照施主浓度最大，硅单晶电阻率明显低于目标电阻率。因此，中子嬗变掺杂直拉硅不能沿用中子嬗变掺杂区熔硅的热退火工艺。

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供一种能获得准确目标电阻率和真实的少子寿命的中子嬗变掺杂直拉硅的退火工艺。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

1、先用氧和含氯气氛清洗扩散炉石英管和所用器皿;

2、中子嬗变掺杂后的直拉硅单晶清洗处理后，送入在氧和含氯气氛保护下1000℃-1180℃的扩散炉内恒温1-2小时;

3、随炉缓冷至800℃-850℃时恒温3-5分钟;

4、从炉内取出，空气冷却。

保护气氛的通入方法是在扩散炉高温恒温过程中，开始先通入氧和含氯气氛10-15分钟，然后单独通入氧气，其流量为30-40毫升/分。保护气氛中的氧可用高纯氧，保护气氛中的含氯气氛可用氯化氢或三氯乙烷或二氯乙稀。

本发明下面结合实施例作进一步详述：

实施例1：

原始直拉硅单晶N型〈100〉;

直径：76.2毫米

电阻率：250欧姆、厘米

氧含量：1.2×10¹⁸/立方厘米

碳含量：2×10¹⁶/立方厘米

中子嬗变掺杂后的目标电阻率：

5-8欧姆、厘米

1、将高纯氧（5个“9”）用盐酸鼓泡法通入扩散炉石英管内，清洗炉管和所用器皿;

2、将上述直拉硅单晶进行中子嬗变掺杂，然后清洗处理，用石英舟送入1100℃的扩散炉内，恒温1.5个小时，在硅单晶送入炉内的同时，将高纯氧（5个“9”）用盐酸鼓泡法通入扩散炉内10分钟，然后单独通入高纯氧，其流量为35毫升/分;

3、随炉内缓冷至800℃时恒温3分钟;

4、从炉内取出，空气冷却。

退火处理后硅单晶，少子寿命：120微秒

目标电阻率：6.67欧姆、厘米

实施例2：

原始直拉硅单晶，N型〈111〉

直径：60毫米

电阻率：350欧姆、厘米

氧含量：1×10¹⁸/立方厘米

碳含量：2×10¹⁶/立方厘米

中子嬗变掺杂后的目标电阻率：

30-35欧姆、厘米

1、将高纯氧（5个“9”）用盐酸鼓泡法通入扩散炉石英管内，清洗炉管和所用器皿;

2、将上述直拉硅单晶进行中子嬗变掺杂后，清洗处理，用石英舟送入1180℃的扩散炉内恒温2小时;在硅单晶送入炉内的同时，将高纯氧（5个“9”）用盐酸鼓泡法通入扩散炉内15分钟，然后单独通入高纯氧，其流量为35毫升/分;

3、随炉缓冷至800℃时恒温5分钟;

4、从炉内取出，空气冷却。

退火处理后的硅单晶，少子寿命：350微秒

目标电阻率：33欧姆、厘米

中子嬗变掺杂直拉硅单晶退火条件与结果。（见附表）

保护气氛用高纯氧和含氯气氛，或用盐酸鼓泡法通入，此时氧气除带入HCl以外，并带入少量的水，带水的氯气要比干燥的化学活泼性强，易与金属杂质及其氧化物反应，以使管内清洁，避免沾污。以铜和铁为例，其反应为：

或生成[CuCl₄]^3-络离子

氯化物熔点低，极易挥发，从而起到了清洗以避免沾污的作用。另外，高纯氧作保护气氛，在硅片表面要生长极薄的氧化膜，它可以防止重金属杂质向硅晶体内扩散。因而，可以保证退火工艺达到“清洁热处理”的要求。从而提高少子寿命值及其稳定性。

经多次实验证明，直拉硅单晶进行中子嬗变掺杂后，在600℃-1000℃温度范围内等时退火都要产生辐照施主（N型硅），这是一种与辐照有关的多余施主。由于辐照施主的存在，辐照硅在上述温度范围内，退火以后的电阻率都要低于目标电阻率。施主被激活的温度范围在600℃-1000℃，而且施主的初始产生率极大，并且最大施主浓度所对应的退火温度为800℃-850℃，施主的激活为不可逆，并且高温稳定性好，在1000℃-1180℃时退火可基本消除。因而，可以达到准确的目标电阻率。由于退火温度较高，为了保证晶体的完整性，采取了随炉缓冷和快冷相结合的冷却办法。

本发明的退火工艺与现有技术相比有如下的优点：

1、可避免重金属杂质的沾污，能达到“清洁热处理”的要求，以提高少子寿命值及其稳定性。

2、可消除辐照施主，获得准确的目标电阻率。

3、由于退火温度与器件热工序温度相近似，故该退火工艺可以与器件制造热工序相结合，因而，可以节省工时和能耗，并能提高器件成品率和电参数。