一种室温下吸除硅材料中金属杂质的方法

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一种室温下吸除硅材料中金属杂质的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及去除硅材料中金属杂质的方法,特别涉及一种在室温而非高温的条件 下去除硅材料中的金属杂质的方法。
【背景技术】
[0002] 硅单晶中都含有如铁、镍、铬、锂和铝等微量金属杂质,且器件在制备过程中不可 避免地受到各种金属杂质不同程度的沾污。这些杂质的存在,会降低非平衡载流子寿命或 补偿决定材料导电类型和导电率的浅杂质,对硅器件的性能有不利影响,有的影响还很严 重。例如,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,把过渡金属杂质提取到非活 性区域,在那里沉积下来,从而降低硅单晶或硅器件有源区中这些杂质的含量。对于硅材料 来说,过渡金属杂质在硅禁带中通常具有深能级,从而决定少数载流子寿命。吸杂可以减少 硅材料中过渡金属杂质,从而减少载流子复合,增加少数载流子寿命。与此同时,还降低过 渡金属对硅中浅掺杂的补偿,减少过渡金属硅化物的含量,因此是一个提高半导体器件性 能的有效途径。工业上用于制备太阳能电池的太阳能级硅片,由于控制成本的需要,提纯工 艺相对简单,使得硅片中金属杂质含量偏高,制约了太阳电池效率的提升。因此,对于太阳 能级硅材料来说,吸杂具有更为重要的意义。
[0003] 通常吸杂方法分为两大类:一类是内吸杂,主要是利用硅中的氧沉淀作为吸收杂 质的缺陷区;另一类是背面吸杂,如利用机械损伤、磷扩散、铝合金、离子注入、激光辐射和 多晶硅沉积等进行吸杂。但无论是内吸杂技术还是背面吸杂技术,它们有一个共同点,即需 要七、八百乃至上千摄氏度的高温和很长时间,因此,吸杂仅适用于硅材料,一般不适用于 硅器件,因为长时间的高温处理会破坏硅器件。
[0004] 通常来讲,吸杂工艺首先需要制备吸杂缺陷区。吸杂缺陷区是指可用于吸除硅晶 片中待清洁区或硅器件中有源区中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吸杂 的要求,通常需要对原有缺陷区进行改造,成为改造缺陷区;或引入能满足吸杂要求的新缺 陷区。
[0005] 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10 18cnr3量级,室温下氧沉淀形成的缺陷区也是原有缺陷区;离子注入在退火后 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。
[0006] 在大多数情况下,原有缺陷区还不能满足吸杂要求,改造原有缺陷区或引入新缺 陷区往往是必要的,其目的是改善吸杂效果,尽可能使之满足要求。为改善吸杂效果而特 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洗、氧化或钝化等处理,改变其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,如特意改变注入离子种类、退火温度、时间和方式,来改变原有缺陷区中各种缺陷的 密度和比例,使原有缺陷区变成改造缺陷区。
[0007] 为了达到更好的吸杂目的,还可以人为引入新的缺陷区,该新缺陷区应位于邻近 硅晶片待清洁区或硅器件有源区处,其间距一般明显小于1微米。引入新缺陷区的方法很 多,例如:在硅晶片或未封装器件的表面喷沙、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;进行特定的扩散和/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有重要影响。应根据硅材料或器件的 具体吸杂要求进行实验后确定。
[0008] 发明人在已获授权的中国发明专利"一种提高太阳电池转换效率的方 法"(ZL201210328185.X)中指出:在以等离子体处理等方法制造表面缺陷区的条件下,低剂 量伽玛射线辐照能够将硅中杂质在室温下提取到表面缺陷区。相关的两篇论文(J.Phys. D:Appl.Phys. 47(2014)065101J.Phys.D:Appl.Phys. 48(2015) 105101)也已先后发表。然 而,上述室温下吸除硅材料或硅器件中金属杂质的方法需要以伽玛射线射线作为吸杂的激 励源,处理成本较高且操作较为复杂。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于提供一种更为简单便捷的在室温下吸除硅材料中金属杂质 (包括过渡金属和其它金属杂质)的方法。
[0010] 本发明的技术方案如下:
[0011] 一种吸除硅材料中金属杂质的方法,在室温下对硅晶片或硅器件进行电感耦合等 离子体(InductivelyCoupledPlasma,以下简称ICP)处理,功率为1~2000W,时间为1~ 60min,在娃晶片或娃器件表面形成缺陷区的同时将娃中的金属杂质吸至表面。
[0012] 所述ICP处理的功率优选为50~1000W,更优选为100~750W;时间优选为2~ 10min〇
[0013] 上述吸除硅材料中金属杂质的方法可在室温下将硅中的Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu等 过渡金属元素和Li、Na、Mg、Al、K、Ca等轻金属元素驱赶到ICP导致的表面缺陷区。
[0014] 我们先前的研宄,如前述已授权专利201210328185.X,认为ICP处理的作用仅限 于在硅材料表面制造深度为10-200nm的表面缺陷区,要驱动金属杂质向表面缺陷区扩散 必须进行伽玛射线辐照。然而,新的实验证据表明,较大功率的ICP处理除了能起到制造表 面缺陷区的作用之外,还是驱动许多金属杂质向所形成的表面缺陷区扩散的原动力。也就 是说,仅采用较大功率的ICP处理就可以在室温下完成对硅中金属的吸杂。
[0015] 本发明的ICP室温吸杂方法的可能原理如下:
[0016] 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,这里除比原子尺度大得多的缺陷 外还包括最基本的点缺陷:硅自间隙I和空位V。即使在很低的温度下,I和V也能在硅晶 片中快速扩散,它们是驱动金属杂质室温扩散的原动力。硅中金属杂质可处于代位或间隙 位
再多了解一些
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