一种室温环境中激励硅中非金属原子扩散的方法与流程

本发明涉及硅材料中非金属原子的扩散技术，特别涉及在室温环境下激励硅中非金属原子扩散的方法。

背景技术：

硅材料中不可避免地含有碳、氧、氮等非金属元素。这些非金属杂质对硅材料的器件性质有重要影响，如硅中氧沉淀有内吸杂的作用，会阻碍过渡金属的外扩散；氧-硼复合对的形成，在硅太阳能电池中会与光子结合造成光衰现象，降低电池效率。在硅材料中引入磷、砷等杂质原子，在硅中起浅施主作用，而引入硼等杂质原子，起到浅受主作用。扩散所导致的硅中砷和硼等浓度分布改变，将对硅材料和器件的性能有重要影响。

杂质原子在单晶硅中扩散通常需要七、八百甚至上千摄氏度的高温和很长时间，不仅程序复杂成本高昂，而且加热过程中很容易受到来自周围环境的杂质的玷污，对于硅器件来说，高温扩散方法还会导致器件性能严重退化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单便捷的在室温而非高温的环境条件下激励硅中非金属杂质原子扩散的方法。

本发明的技术方案如下：

一种激励硅中非金属杂质原子扩散的方法，在室温环境下，对硅材料或者硅器件进行电感耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，以下简称icp)处理。

实验证明，icp可以激励硅中p、b、as、o、n、f等非金属原子扩散。

icp处理的载气为惰性气体，例如氦气，真空度至少为1e-2pa，通常在5e-3pa左右。

进一步的，icp处理的功率为10～10000w，优选为50～1000w，更优选为100～750w；处理时间为30sec～60min，优选为1min～10min。

所述硅材料包括硅晶，但不限于硅晶片。

本发明通过icp激励非金属杂质原子在硅中的扩散，其可能原理如下：

在icp处理过程中，激励射频电源通过感应线圈将能量传输给反应室内的气体使之电离，形成等离子体，并产生辉光。在等离子体中电子温度很高，可达2000-10000k。等离子体中 的正离子和电子撞击硅片表面，导致表面缺陷区，并产生了大量基本点缺陷：空位缺陷v。这是驱动杂质原子扩散的原动力。

易氧化的非金属杂质原子，如b、p、as等，在硅中和氧结合形成杂质-氧原子对(i-o)存在。icp产生的空位型缺陷所释放的空位v运动到i-o原子对附近，夺取其o，形成v-o对，如反应式(1)所示：

v+i-o→v-o+i(1)

被还原的非金属杂质原子i的代位或间隙扩散系数一般都远大于i-o的扩散系数。

另一方面，硅中杂质原子代位扩散系数ds有公式：

式(2)中a是几何因子，由晶体结构决定；v0是振动频率，ev表示杂质原子附近形成空位所需要的能量，es表示该原子移动到邻近空位需要跨域的势垒。

由于icp产生大量空位型缺陷所释放的v，非金属杂质原子附近很容易出现空位，这意味ev会明显减小，从而扩散系数呈指数级别增大。无论是被空位还原的b、p、as等易氧化非金属杂质原子，还是o、n、f等不易氧化的非金属杂质原子，在硅中主要以代位形式存在，在icp产生的大量空位的作用下，其代位扩散系数会显著增大，从而可能实现室温扩散。

由于icp在硅晶片表面造成大量空位型缺陷，部分非金属杂质原子可进入这些空位型缺陷，降低了其表面浓度，使得体内非金属杂质原子向表面扩散。总之，利用本技术方法可在室温条件下改变非金属杂质元素在硅中的分布。

本发明方法利用较大功率电感耦合等离子体处理硅片，使得硅中非金属杂质在室温环境下被激励扩散，这种方法无需高温，方便快捷，成本低廉，受二次污染的程度远较高温为小。由于本发明方法在室温环境下实现，所以，不仅可用于改善硅材料的性能，还可以在硅器件制作完成后，运用该方法使器件中非金属杂质原子室温扩散，以改进器件的性能。

附图说明

图1：p型太阳能级硅单晶片在750w的icp处理2分钟后，as原子浓度随深度的分布变化图。

图2：p型太阳能级硅单晶片在750w的icp处理2分钟后，f原子浓度随深度的分布变化图。

图3：p型太阳能级硅单晶片在750w的icp处理2分钟后，b原子浓度随深度的分布变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

选用p型太阳能级直拉硅单晶圆片，单面抛光，电阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先将单晶硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别进行超声清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化层。接着对硅片的抛光面进行icp处理，载气为氦气，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，处理时间2min，功率为750w。最后用sims手段测量硅片样品中as杂质原子浓度随深度的分布。从图1中可以看出，硅晶片表面as的浓度从1e19atoms/cm³上升到了1e21atoms/cm³，表面as浓度增加说明as杂质原子在室温下的扩散速度显著增强，icp辐照可以激励as在硅中室温环境下的扩散。

实施例2：

选用p型太阳能级直拉硅单晶圆片，单面抛光，电阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先将单晶硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别进行超声清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化层。接着对硅片的抛光面进行icp处理，载气为氦气，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，处理时间2min，功率为750w。最后用sims手段测量硅片样品中o元素杂质浓度随深度的分布。从图2中可以看出，硅晶片表面o的浓度从1e19atoms/cm³上升到了1e21atoms/cm³，表面f浓度增加说明o杂质原子在室温下的扩散速度显著增强，icp辐照可以激励o在硅中室温环境下的扩散。

实施例3：

选用p型太阳能级直拉硅单晶圆片，单面抛光，电阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先将单晶硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别进行超声清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化层。接着对硅片的抛光面进行icp处理，载气为氦气，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，处理时间2min，功率为750w。最后用sims手段测量硅片样品中b元素杂质浓度随深度的分布。从图3中可以看出，硅晶片表面b的浓度从1e18atoms/cm³上升到了1e19atoms/cm³,提高了一个数量级，表面b浓度增加说明b杂质原子在室温下的扩散速度显 著增强，icp辐照可以激励b在硅中室温环境下的扩散。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种激励硅中非金属杂质原子扩散的方法。在室温环境下，对硅材料或者硅器件进行电感耦合等离子体(ICP)处理，可以激励硅中P、B、As、O、N、F等非金属原子扩散。该方法无需高温，方便快捷，成本低廉，受二次污染的程度远较高温为小，不仅可用于改善硅材料的性能，还可以在硅器件制作完成后，运用该方法改进器件的性能。

技术研发人员：秦国刚;谢兮兮;侯瑞祥;李磊;徐万劲
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2015.12.25
技术公布日：2017.07.04