文章來(lái)源：晶格半導(dǎo)體

原文作者：晶格半導(dǎo)體

本文介紹了影響硅單晶電阻率均勻性的原因。

硅單晶片電阻率分布的特點(diǎn)

直拉硅單晶生長(zhǎng)的過(guò)程是熔融的多晶硅逐漸結(jié)晶生長(zhǎng)為固態(tài)的單晶硅的過(guò)程，沒(méi)有雜質(zhì)的本征硅單晶的電阻率很高，幾乎不會(huì)導(dǎo)電，沒(méi)有市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，因此通過(guò)人為的摻雜進(jìn)行雜質(zhì)引入，我們可以改變、控制硅單晶的電阻率。

直拉硅單晶生長(zhǎng)時(shí)，結(jié)晶過(guò)程依靠等溫規(guī)律完成，在同一個(gè)水平面上，晶體的邊緣總是先于中心結(jié)晶，于是，由于結(jié)晶時(shí)間不同，在晶體生長(zhǎng)時(shí)，其等溫線(xiàn)必然是彎曲的；同時(shí)，在雜質(zhì)濃度較小時(shí)，可以將固相與液相中雜質(zhì)濃度的比值，也就是分凝系數(shù)K視為常數(shù)，這樣一來(lái)，在同一個(gè)水平面上，由于生長(zhǎng)結(jié)晶速度不同，不同等溫面的電阻率就不同，于是，當(dāng)直拉硅棒被切割成硅片后，同一個(gè)硅片內(nèi)的電阻率就必然不會(huì)是均勻的。

受堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)、拉速等參數(shù)的影響，直拉硅單晶的生長(zhǎng)界面通常都是凸向晶體，這就造成了在同一個(gè)硅片內(nèi)，中心電阻率低，邊緣電阻率高。

硅單晶片電阻率均勻性的影響因素

1、摻雜晶體

根據(jù)摻雜晶體的不同，硅單晶分為摻入III族雜質(zhì)晶體B的P型單晶和摻入VI族雜質(zhì)P、As、Sb的N型硅單晶。

摻雜晶體不同，分凝系數(shù)K也不同，于是，根據(jù)等溫規(guī)律，K越接近于1時(shí)，同一硅片內(nèi)的電阻率均勻性就越好。常見(jiàn)摻雜晶體的K值如下表 。即摻B硅片，也就是P型硅片的均勻性要好于N型硅片。

2、晶向

在單晶生長(zhǎng)過(guò)程中，由于硅原子之間的擠壓，無(wú)論<100>晶向還是<111>晶向的硅單晶，都會(huì)產(chǎn)生小平面。小平面處的雜質(zhì)濃度異于其他區(qū)域的現(xiàn)象叫小平面現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電阻率均勻性變差。而由于(111)面的原子面密度大于(100)面，所以<111>晶向的硅單晶的小平面效應(yīng)會(huì)強(qiáng)于<100>晶向的硅單晶。因此，<100>晶向硅單晶的均勻性會(huì)好于<111>晶向的硅單晶。

3、拉晶參數(shù)

提高拉速，可以提高硅單晶的凝固速度，使固液界面趨于平坦，從而提高電阻率均勻性。提高硅單晶的晶體旋轉(zhuǎn)速度，可以通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流抑制自然對(duì)流，使等溫面趨于平緩，也可以提高電阻率均勻性。當(dāng)然，拉速過(guò)高或者晶轉(zhuǎn)過(guò)高，都有可能造成等溫面反轉(zhuǎn)，使硅片邊緣電阻率值低于中心值，因此，拉速和晶轉(zhuǎn)都必須控制在合理范圍內(nèi)。另外，水平磁場(chǎng)的加入也可以有效抑制熱對(duì)流，提高電阻率均勻性。

4、中子嬗變摻雜

中子嬗變摻雜(NTD)是采用中子輻照的辦法來(lái)對(duì)材料進(jìn)行摻雜的一種技術(shù)。當(dāng)硅中的同位素30Si受到熱中子照射時(shí)，捕獲中子才產(chǎn)生放射性同位素31Si，隨后，31Si嬗變?yōu)榉€(wěn)定的同位素31P，從而達(dá)到了n型摻雜的目的。由于30Si的分布較均勻，因此，NTD單晶的電阻率均勻性可遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于普通摻雜。

但是，由于過(guò)長(zhǎng)的輻照時(shí)間會(huì)極大的增加成本，因此NTD單晶很難做到非常低的電阻率，但是對(duì)于目標(biāo)電阻率在30~1000Ωcm的單晶，NTD技術(shù)可以良好的實(shí)現(xiàn)。中子嬗變摻雜一般用于區(qū)熔單晶。直拉單晶的中子嬗變摻雜盡管在理論上可以實(shí)現(xiàn)，但由于這種單晶雖然具有良好的電阻率均勻性，但氧含量卻不如區(qū)熔單晶，同時(shí)成本又高于直拉單晶，因此市場(chǎng)應(yīng)用不多。

5、退火

由于直拉硅單晶拉制過(guò)程中石英坩堝的使用，單晶中氧施主的引入無(wú)法避免。氧施主在單晶中存在， 會(huì)影響單晶電阻率。對(duì)于重?fù)絾尉В@種影響并不顯著，但對(duì)于輕摻單晶，必須進(jìn)行退火，以消除氧施主。