本發(fā)明涉及硅材料中非金屬原子的擴(kuò)散技術(shù)，特別涉及在室溫環(huán)境下激勵(lì)硅中非金屬原子擴(kuò)散的方法。

背景技術(shù)：

硅材料中不可避免地含有碳、氧、氮等非金屬元素。這些非金屬雜質(zhì)對(duì)硅材料的器件性質(zhì)有重要影響，如硅中氧沉淀有內(nèi)吸雜的作用，會(huì)阻礙過渡金屬的外擴(kuò)散；氧-硼復(fù)合對(duì)的形成，在硅太陽能電池中會(huì)與光子結(jié)合造成光衰現(xiàn)象，降低電池效率。在硅材料中引入磷、砷等雜質(zhì)原子，在硅中起淺施主作用，而引入硼等雜質(zhì)原子，起到淺受主作用。擴(kuò)散所導(dǎo)致的硅中砷和硼等濃度分布改變，將對(duì)硅材料和器件的性能有重要影響。

雜質(zhì)原子在單晶硅中擴(kuò)散通常需要七、八百甚至上千攝氏度的高溫和很長時(shí)間，不僅程序復(fù)雜成本高昂，而且加熱過程中很容易受到來自周圍環(huán)境的雜質(zhì)的玷污，對(duì)于硅器件來說，高溫?cái)U(kuò)散方法還會(huì)導(dǎo)致器件性能嚴(yán)重退化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種簡單便捷的在室溫而非高溫的環(huán)境條件下激勵(lì)硅中非金屬雜質(zhì)原子擴(kuò)散的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種激勵(lì)硅中非金屬雜質(zhì)原子擴(kuò)散的方法，在室溫環(huán)境下，對(duì)硅材料或者硅器件進(jìn)行電感耦合等離子體(inductivelycoupledplasma，以下簡稱icp)處理。

實(shí)驗(yàn)證明，icp可以激勵(lì)硅中p、b、as、o、n、f等非金屬原子擴(kuò)散。

icp處理的載氣為惰性氣體，例如氦氣，真空度至少為1e-2pa，通常在5e-3pa左右。

進(jìn)一步的，icp處理的功率為10～10000w，優(yōu)選為50～1000w，更優(yōu)選為100～750w；處理時(shí)間為30sec～60min，優(yōu)選為1min～10min。

所述硅材料包括硅晶，但不限于硅晶片。

本發(fā)明通過icp激勵(lì)非金屬雜質(zhì)原子在硅中的擴(kuò)散，其可能原理如下：

在icp處理過程中，激勵(lì)射頻電源通過感應(yīng)線圈將能量傳輸給反應(yīng)室內(nèi)的氣體使之電離，形成等離子體，并產(chǎn)生輝光。在等離子體中電子溫度很高，可達(dá)2000-10000k。等離子體中 的正離子和電子撞擊硅片表面，導(dǎo)致表面缺陷區(qū)，并產(chǎn)生了大量基本點(diǎn)缺陷：空位缺陷v。這是驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)原子擴(kuò)散的原動(dòng)力。

易氧化的非金屬雜質(zhì)原子，如b、p、as等，在硅中和氧結(jié)合形成雜質(zhì)-氧原子對(duì)(i-o)存在。icp產(chǎn)生的空位型缺陷所釋放的空位v運(yùn)動(dòng)到i-o原子對(duì)附近，奪取其o，形成v-o對(duì)，如反應(yīng)式(1)所示：

v+i-o→v-o+i(1)

被還原的非金屬雜質(zhì)原子i的代位或間隙擴(kuò)散系數(shù)一般都遠(yuǎn)大于i-o的擴(kuò)散系數(shù)。

另一方面，硅中雜質(zhì)原子代位擴(kuò)散系數(shù)ds有公式：

式(2)中a是幾何因子，由晶體結(jié)構(gòu)決定；v0是振動(dòng)頻率，ev表示雜質(zhì)原子附近形成空位所需要的能量，es表示該原子移動(dòng)到鄰近空位需要跨域的勢壘。

由于icp產(chǎn)生大量空位型缺陷所釋放的v，非金屬雜質(zhì)原子附近很容易出現(xiàn)空位，這意味ev會(huì)明顯減小，從而擴(kuò)散系數(shù)呈指數(shù)級(jí)別增大。無論是被空位還原的b、p、as等易氧化非金屬雜質(zhì)原子，還是o、n、f等不易氧化的非金屬雜質(zhì)原子，在硅中主要以代位形式存在，在icp產(chǎn)生的大量空位的作用下，其代位擴(kuò)散系數(shù)會(huì)顯著增大，從而可能實(shí)現(xiàn)室溫?cái)U(kuò)散。

由于icp在硅晶片表面造成大量空位型缺陷，部分非金屬雜質(zhì)原子可進(jìn)入這些空位型缺陷，降低了其表面濃度，使得體內(nèi)非金屬雜質(zhì)原子向表面擴(kuò)散?？傊帽炯夹g(shù)方法可在室溫條件下改變非金屬雜質(zhì)元素在硅中的分布。

本發(fā)明方法利用較大功率電感耦合等離子體處理硅片，使得硅中非金屬雜質(zhì)在室溫環(huán)境下被激勵(lì)擴(kuò)散，這種方法無需高溫，方便快捷，成本低廉，受二次污染的程度遠(yuǎn)較高溫為小。由于本發(fā)明方法在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，所以，不僅可用于改善硅材料的性能，還可以在硅器件制作完成后，運(yùn)用該方法使器件中非金屬雜質(zhì)原子室溫?cái)U(kuò)散，以改進(jìn)器件的性能。

附圖說明

圖1：p型太陽能級(jí)硅單晶片在750w的icp處理2分鐘后，as原子濃度隨深度的分布變化圖。

圖2：p型太陽能級(jí)硅單晶片在750w的icp處理2分鐘后，f原子濃度隨深度的分布變化圖。

圖3：p型太陽能級(jí)硅單晶片在750w的icp處理2分鐘后，b原子濃度隨深度的分布變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1：

選用p型太陽能級(jí)直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先將單晶硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化層。接著對(duì)硅片的拋光面進(jìn)行icp處理，載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，處理時(shí)間2min，功率為750w。最后用sims手段測量硅片樣品中as雜質(zhì)原子濃度隨深度的分布。從圖1中可以看出，硅晶片表面as的濃度從1e19atoms/cm³上升到了1e21atoms/cm³，表面as濃度增加說明as雜質(zhì)原子在室溫下的擴(kuò)散速度顯著增強(qiáng)，icp輻照可以激勵(lì)as在硅中室溫環(huán)境下的擴(kuò)散。

實(shí)施例2：

選用p型太陽能級(jí)直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先將單晶硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化層。接著對(duì)硅片的拋光面進(jìn)行icp處理，載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，處理時(shí)間2min，功率為750w。最后用sims手段測量硅片樣品中o元素雜質(zhì)濃度隨深度的分布。從圖2中可以看出，硅晶片表面o的濃度從1e19atoms/cm³上升到了1e21atoms/cm³，表面f濃度增加說明o雜質(zhì)原子在室溫下的擴(kuò)散速度顯著增強(qiáng)，icp輻照可以激勵(lì)o在硅中室溫環(huán)境下的擴(kuò)散。

實(shí)施例3：

選用p型太陽能級(jí)直拉硅單晶圓片，單面拋光，電阻率1.9ω·cm，厚度625μm。首先將單晶硅片用丙酮、乙醇、去離子水分別進(jìn)行超聲清洗10min。然后浸入2％的hf溶液去除硅片表面的自然氧化層。接著對(duì)硅片的拋光面進(jìn)行icp處理，載氣為氦氣，流量22sccm，真空度5e-3pa左右，處理時(shí)間2min，功率為750w。最后用sims手段測量硅片樣品中b元素雜質(zhì)濃度隨深度的分布。從圖3中可以看出，硅晶片表面b的濃度從1e18atoms/cm³上升到了1e19atoms/cm³,提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，表面b濃度增加說明b雜質(zhì)原子在室溫下的擴(kuò)散速度顯 著增強(qiáng)，icp輻照可以激勵(lì)b在硅中室溫環(huán)境下的擴(kuò)散。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種激勵(lì)硅中非金屬雜質(zhì)原子擴(kuò)散的方法。在室溫環(huán)境下，對(duì)硅材料或者硅器件進(jìn)行電感耦合等離子體(ICP)處理，可以激勵(lì)硅中P、B、As、O、N、F等非金屬原子擴(kuò)散。該方法無需高溫，方便快捷，成本低廉，受二次污染的程度遠(yuǎn)較高溫為小，不僅可用于改善硅材料的性能，還可以在硅器件制作完成后，運(yùn)用該方法改進(jìn)器件的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：秦國剛;謝兮兮;侯瑞祥;李磊;徐萬勁
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2015.12.25
技術(shù)公布日：2017.07.04