一种室温下吸除硅晶片或硅器件中过渡金属杂质的方法技术

本发明专利技术公开了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剂量小于5000Gy低剂量电子辐照，使硅晶片待清洁区或硅器件有源区中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浓度。相比于现有的硅材料吸杂方法，该方法在室温下进行，因而不仅可用于硅晶片还可用于硅器件吸杂，且该方法不限于单晶或多晶硅片及硅器件，也适用于其它半导体材料（如锗）和相应器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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。本专利技术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专利技术的两个关键环节。本专利技术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。为了达到更好的吸杂目的而人为引入新的缺陷区，该缺陷区应控制在离硅晶片待清洁区或硅器件有源区边缘小于3微米的范围。引入新缺陷区的方法很多，例如：在硅晶片或器件的表面喷沙、磨损；刻蚀各种沟、槽、洞；离子注入或轰击；等离子体处理；进行激光或非相干光辐照；进行附加的扩散和/或合金过程等。引入新缺陷区所用方法、强度和具体参数，对引入新缺陷区的性质都有重要影响。应根据硅材料或器件的情况进行实验后确定。本专利技术的技术方案是利用硅晶片或硅器件的吸杂缺陷区，包括原有缺陷区、改造缺陷区和引入的新缺陷区，通过低剂量（小于5000Gy，通常小于500Gy）电子辐照来吸除硅晶片表层和硅器件有源区的过渡金属杂质，提高硅器件的性能。需要指出的是，电子辐照通常在半导体晶格中引入点缺陷，少数载流子寿命和载流子浓度随之下降，会带来负面影响，造成器件性能下降。而本专利技术采用的电子辐照加吸杂缺陷区的方案来吸杂，由于电子辐照剂量低，通常小于500Gy，带来的负面影响小，通常可忽略。电子辐照源可采用电子加速器或β射线辐射源如32P、90Sr、90Y、147Pm等。对于电子加速器来说，关键控制参数是电子能量、辐照剂量和剂量率；对β射线辐射源，则是辐照剂量和剂量率。当电子辐照硅晶片时，在一定剂量率下，逐渐增加辐照剂量，由于电子辐照在硅中产生点缺陷，一般认为硅晶片的少数载流子寿命τ应随辐照剂量的上升而单调下降。我们的实验证明随辐照剂量的上升，具有合适吸杂缺陷区的硅晶片的τ的下降要比没有吸杂缺陷区的硅晶片为慢，在辐照初期，前者甚至出现了τ随辐照剂量的上升而上升的反常现象。这可以用硅片中起复合中心作用的过渡金属杂质被提取到吸杂缺陷区来解释。当辐照剂量不断上升，所产生的点缺陷也不断增加，而硅片中过渡金属杂质的提取过程会逐渐趋于穷尽，最终，τ必将随辐照剂量的上升而下降。在辐照初期τ的上升和较大辐照剂量下τ的下降之间，τ达到极大值。如果以辐照剂量为横座标，而以无量纲量的τ/τo作为纵座标，其中τo是辐照前...

【技术保护点】
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剂量小于5000Gy低剂量电子辐照，使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；其中，所述硅晶片待清洁区是指在硅晶片表面下深度小于5微米的区域；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小于3微米的吸杂缺陷区。

【技术特征摘要】
1.一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剂量小
于5000Gy低剂量电子辐照，使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；
其中，所述硅晶片待清洁区是指在硅晶片表面下深度小于5微米的区域；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小于3微米的吸杂缺陷区。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在原有缺陷区的基础上对硅晶片或硅器件进行电
子辐照后，如果无法达到预期的吸杂效果，则对硅晶片或硅器件的原有缺陷区进行改造或
引入新缺陷区，然后再进行电子辐照，最终满足吸杂要求。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用下述方法中的一种或多种对硅晶片待清洁区
或硅器件有源区附近的原有缺陷区进行改造：在硅晶片或未封装硅器件表面进行清洁、氧
化或钝化处理；改变器件制造过程中离子注入和/或退火的参数。

【专利技术属性】
技术研发人员：徐万劲，秦国刚，张瑜，秦来香，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11