[发明专利]一种室温下吸除硅晶片或硅器件中过渡金属杂质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及室温下去除硅晶片和硅器件中过渡金属杂质的方法，具体涉及在室温下利用低剂量电子辐照和吸杂缺陷区来吸除硅晶片或硅器件中的过渡金属杂质，从而提高硅晶片质量或硅器件性能的方法。

背景技术

硅晶片和硅器件中都含有如铜、铁、镍和金等过渡金属杂质，且器件制备过程中也不可避免地受到多种过渡金属杂质不同程度的沾污，这些杂质的存在对硅器件的性能有严重的不利影响。在大规模集成电路、太阳能电池、光电探测器等硅器件工艺中要尽量降低过渡金属杂质含量。通常采用吸杂技术并与合理的工艺方案相结合，把过渡金属杂质吸引到一定区域沉积下来，以达到降低硅单晶或硅器件有源区中过渡金属杂质的目的。对于硅材料来说决定少数载流子寿命的主要因素是半导体中的深能级杂质缺陷，过渡金属杂质在硅禁带中通常具有深能级。吸杂工艺就是要减少硅材料中过渡金属杂质，增加少数载流子寿命，降低过渡金属对硅中浅掺杂的补偿，减少过渡金属硅化物的含量，从而提高半导体器件性能。

通常吸杂方法（如背面损伤、磷扩散和铝合金等方法）多需要五、六百乃至上千摄氏度的高温，几十分钟至十几小时的时间，这种长时间高温很可能破坏器件结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在室温下就可进行的低成本的吸除硅晶片或硅器件中过渡金属杂质的方法。

本发明的技术方案如下：

一种吸除硅晶片或硅器件中过渡金属杂质的方法，在室温下对硅晶片或硅器件进行低剂量电子辐照（辐照剂量小于5000Gy），使位于硅晶片待清洁区或硅器件有源区内的过渡金属杂质向附近的吸杂缺陷区扩散，从而降低硅晶片待清洁区或硅器件有源区内的过渡金属杂质的浓度（参见图1）。其中，所述硅晶片待清洁区是指在硅晶片表面下一定深度范围的区域（通常深度小于5微米），该区域将用于制备硅器件的有源区；所述附近的吸杂缺陷区是指与硅晶片待清洁区或硅器件有源区边缘距离通常小于3微米的吸杂缺陷区。

本发明方法的原理可以通过图1进行直观的描述，不过需要注意的是，为方便描述，图1仅给出了吸杂缺陷区位于硅晶片表面的情况，实际情况是吸杂缺陷区不限于表面，既可以位于待清洁区的上面，也可以位于待清洁区的下面或侧面。吸附过程中，过渡金属杂质原子是向附近缺陷区扩散。在高能电子束4辐照下硅中的硅自间隙密度增加，根据Kick out机制（一个硅自间隙原子运动到代位的过渡金属原子处，将过渡金属原子挤入间隙中，而硅自间隙原子进入代位位置），处于硅晶格间隙中的过渡金属原子的浓度大大增加，从而大大加快了过渡金属在室温下扩散的速度。而过渡金属2在吸杂缺陷区3附近的溶解度远高于它在完整硅晶格中的溶解度，因而在室温下某些过渡金属2（如金）由待清洁区或硅有源区向吸杂缺陷区3扩散并沉积（杂质扩散方向如图1(b)中箭头5所示），在硅晶片表层一定深度范围形成低过渡金属杂质含量的区域6。

吸杂缺陷区和低剂量电子辐照是本发明的两个关键环节。本发明所述吸杂缺陷区是指可用于吸除硅晶片待清洁区或硅器件有源区中过渡金属杂质的缺陷区域。吸杂缺陷区可以分为原有缺陷区、改造缺陷区和新缺陷区三种。对于大部分单晶硅器件，原有缺陷区往往还不能满足要求，通常需要进行改造，成为改造缺陷区或引入新缺陷区，使吸杂缺陷区满足吸杂的要求。

原有缺陷区是指硅晶片或硅器件按正常的制备工艺制造完成后，硅晶片待清洁区或硅器件有源区附近已经存在的缺陷区。例如：由于晶格的周期排列在表面终止，原子排列发生重构，所以硅晶片表面就是一个原有缺陷区；直拉硅方法制备的晶片，由于直拉硅材料中富含氧，氧含量高达10¹⁸cm^-3量级，室温下氧沉淀形成原有缺陷区；离子注入即便在退火后还残存的缺陷区和多晶硅材料晶粒间界也都是原有缺陷区。对于用多晶硅半导体材料按正常结构与工艺制备的太阳电池，原有缺陷区加上低剂量电子辐照就有一定吸除p-n结区过渡金属杂质的作用。在电子辐照过程中能起有效吸杂作用的原有缺陷区，与硅晶片待清洁区或硅器件有源区的距离通常小于3微米。

在大多数情况下，原有缺陷区不能满足吸杂要求，改造原有缺陷区或引入新缺陷区是必要的。其目的是改善吸杂效果，尽可能使之满足要求。其中为改善电子辐照吸杂效果而特意改变材料、器件结构与工艺，从而改造原有缺陷区而成的缺陷区称为改造缺陷区。例如：在硅片或未封装器件表面进行清洁、氧化或钝化等处理，改变表面状态来改造原有缺陷区；利用离子注入退火后残存的缺陷作为原有缺陷区情况下，改变离子注入和/或退火的参数，如特意改变退火温度、时间和方式，来改变原有缺陷区中缺陷的密度和种类，成为改造缺陷区。