n型高阻硅單晶電阻率均勻性的控制

1 引言

　　高阻n型〈111〉硅單晶被廣泛用在功率器件方面。近年來許多功率器件廠家為提高成品率，對硅單晶的電阻率徑向均勻性提出了更為嚴格的要求。普遍要求n型〈111〉Φ100mm硅單晶片的電阻率不均勻性小于15%，有的單位甚至要求小于10%。n〈111〉晶向硅單晶生長過程中，易出現（111）小平面，存在小平面效應，由于磷的分凝系數小，使得其徑向電阻率均勻性較差，出現中心低周圍高的現象，影響器件局部電性能，對器件參數的一致性產生不良影響。采用普通工藝拉制高阻n型〈111〉Φ100mm電阻率在38~55Ω·㎝硅單晶，電阻率徑向不均勻性在20%左右或更高；采用提高晶轉速度，增加拉速等，可以使電阻率徑向不均勻性控制在15%~20%，而采用一般的磁場拉晶工藝，可使硅片電阻率不均勻性控制在15%以內，采用改進的磁場拉晶工藝，電阻率不均勻性可控制在10%以內。

　　2 實驗

　　實驗1　　采用TDR-70B單晶爐，300mm熱場，拉制n型〈111〉電阻率38~55Ω·cm Φ100mm硅單晶，晶轉為15，25r/min，堝轉為6 r/min，初始提速為1.4，1.6mm/min，拉制4棵電阻率38~55Ω·cm，硅單晶，編號分別為70-1，70-2，70-3，70-4。

　　實驗2　　采用TDR-70B單晶爐，配備水平磁場，300mm熱場，拉制n型〈111〉，電阻率38~55Ω·cm，Φ100mm硅單晶，磁場強度分別為600 A/m，800 A/m，1000A/m，拉速為1.4mm/min,晶轉為15r/min。拉制4棵單晶，編號分別為M70-1，M70-2，M70-3，M70-4。

　　在拉制出的單晶電阻率合格部分頭尾各取一樣片，經過退火，消除氧施主效應后，按GB11073-89 的硅片徑向電阻率變化的測量方法，測量電阻率徑向不均勻性，其計算方法為
　　Δρ∕ρ=[（ρa-ρc）/ρc]×100
　　其中，ρc為硅片中心測得的兩次電阻率平均值；ρa為硅片半徑中點或邊緣6mm處測得4個電阻率平均值。
　　各次實驗測量結果分別列于表1、表2。

　　3 結果分析與結論

　　從表1的數據可見，在不加磁場的情況下，當晶轉相同時，提高拉速可使硅單晶徑向電阻率均勻性提高。因為增加拉速，可使晶體凝固速度增加，使界面趨向平坦，有利于抑制小平面的出現，使電阻率均勻性提高。但增加拉速有一定的限制，一般控制在2.0mm/min以內。為進一步提高電阻率均勻性，可增加晶轉的速度，增加晶體轉速，會使固液界面從下向上運動的高溫流增大，起到抑制熱對流的作用，當晶轉強迫對流占優勢時，生長界面由凸轉平，甚至凹向熔體，這樣有利于抑制小平面的出現，提高電阻率的徑向均勻性。

　　由于在拉晶工藝中拉速和晶轉都有一定的限制，在這一范圍內，只能小幅提高電阻率的徑向均勻性，遠不能達到用戶所提出的要求。為此本文進一步采用磁場下的拉晶工藝，拉制出實驗2中的4棵單晶，實驗結果見表2。

　　從表2所拉制的四棵單晶可見，在拉晶工藝中加入磁場可有效提高單晶的電阻率徑向均勻性。由于加入了水平磁場，在洛倫茲力的作用下，抑制了熔體熱對流，對晶轉引起的強迫對流有加強作用。熱對流是熔硅的溫差和地球引力引起的，它的產生能加劇熔體與石英坩堝的反應，使石英坩堝中的氧、硼、鉛等雜質更多地進入熔體和晶體中；同時，熱對流還引起液面波動、熔體溫度變化、晶體生長速度起伏，在晶體中形成雜質條紋和旋渦花紋。為了抑制熱對流，在拉晶過程中加入了磁場，利用洛倫茲力的作用，使熔硅的熱對流運動減弱。隨著磁場強度的增加，熔硅熱對流逐漸減弱，甚至完全抑制了熱對流，從而有效地提高單晶的電阻率均勻性。在磁場強度增加的過程中，磁場強度越高，熔體的徑向溫度梯度越小，拉晶難度越大。本文改進了熱場，調整了單晶工藝，比如增加坩堝的轉速，加大氬氣的流量和壓力等，保證了高強度磁場下單晶的順利拉制，使n型 <111>Φ100mm高阻硅單晶的徑向電阻率不均勻性控制在10%以內。

　　總之，要提高n〈111〉硅單晶徑向電阻率均勻性，可從通過外加磁場減小熱對流、增加晶轉速度、提高拉速三方面著手。而采用磁場拉晶工藝，是目前改善單晶電阻率徑向均勻性最有效的方法。