文章來源：晶格半導體

原文作者：晶格半導體

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

直拉硅單晶生長的過程是熔融的多晶硅逐漸結(jié)晶生長為固態(tài)的單晶硅的過程，沒有雜質(zhì)的本征硅單晶的電阻率很高，幾乎不會導電，沒有市場應用價值，因此通過人為的摻雜進行雜質(zhì)引入，我們可以改變、控制硅單晶的電阻率。

直拉硅單晶生長時，結(jié)晶過程依靠等溫規(guī)律完成，在同一個水平面上，晶體的邊緣總是先于中心結(jié)晶，于是，由于結(jié)晶時間不同，在晶體生長時，其等溫線必然是彎曲的；同時，在雜質(zhì)濃度較小時，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，在同一個水平面上，由于生長結(jié)晶速度不同，不同等溫面的電阻率就不同，于是，當直拉硅棒被切割成硅片后，同一個硅片內(nèi)的電阻率就必然不會是均勻的。

受堝轉(zhuǎn)、晶轉(zhuǎn)、拉速等參數(shù)的影響，直拉硅單晶的生長界面通常都是凸向晶體，這就造成了在同一個硅片內(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，同一硅片內(nèi)的電阻率均勻性就越好。常見摻雜晶體的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

在單晶生長過程中，由于硅原子之間的擠壓，無論<100>晶向還是<111>晶向的硅單晶，都會產(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)象會導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會強于<100>晶向的硅單晶。因此，<100>晶向硅單晶的均勻性會好于<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，可以通過強制對流抑制自然對流，使等溫面趨于平緩，也可以提高電阻率均勻性。當然，拉速過高或者晶轉(zhuǎn)過高，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，水平磁場的加入也可以有效抑制熱對流，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對材料進行摻雜的一種技術。當硅中的同位素30Si受到熱中子照射時，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遠好于普通摻雜。

但是，由于過長的輻照時間會極大的增加成本，因此NTD單晶很難做到非常低的電阻率，但是對于目標電阻率在30~1000Ωcm的單晶，NTD技術可以良好的實現(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，同時成本又高于直拉單晶，因此市場應用不多。

5、退火

由于直拉硅單晶拉制過程中石英坩堝的使用，單晶中氧施主的引入無法避免。氧施主在單晶中存在， 會影響單晶電阻率。對于重摻單晶，這種影響并不顯著，但對于輕摻單晶，必須進行退火，以消除氧施主。