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n型高阻硅单晶电阻率均匀性的控制

n型高阻硅单晶电阻率均匀性的控制

2008/12/8 16:39:00

摘要:通过不同工艺的拉晶实验,发现晶转、拉速、热对流等因素对高阻n〈111〉硅单晶径向电阻率均匀性有所影响。采用水平磁场拉晶工艺,通过提高晶转、增大拉速、减小热对流等,可有效提高硅单晶径向电阻率均匀性。

关键词:硅单晶; 电阻率; 均匀性; 磁场强度   

1 引言   

        高阻n型〈111〉硅单晶被广泛用在功率器件方面。近年来许多功率器件厂家为提高成品率,对硅单晶的电阻率径向均匀性提出了更为严格的要 求。普遍要求n型〈111〉Φ100mm硅单晶片的电阻率不均匀性小于15%,有的单位甚至要求小于10%。n〈111〉晶向硅单晶生长过程中,易出现(111)小平面,存在小平面效应,由于磷的分凝系数小,使得其径向电阻率均匀性较差,出现中心低周围高的现象,影响器件局部电性能,对器件参数的一致性产生不良影响。采用普通工艺拉制高阻n型〈111〉Φ100mm电阻率在38-55Ω·㎝硅单晶,电阻率径向不均匀性在20%左右或更高;采用提高晶转速度,增加拉速等,可以使电阻率径向不均匀性控制在15%-20%,而采用一般的磁场拉晶工艺,可使硅片电阻率不均匀性控制在15%以内,采用改进的磁场拉晶工艺,电阻率不均匀性可控制在10%以内。

2 实验   

实验1   采用TDR-70B单晶炉,300mm热场,拉制n型〈111〉电阻率38-55Ω·cm Φ100mm硅单晶,晶转为15,25r/min,埚转为6 r/min,初始提速为1.4,1.6mm/min,拉制4棵电阻率38-55Ω·cm,硅单晶,编号分别为70-1,70-2,70-3,70-4。

实验2   采用TDR-70B单晶炉,配备水平磁场,300mm 热场,拉制n型〈111〉,电阻率38-55Ω·cm,Φ100mm硅单晶,磁场强度分别为600A/m,800 A/m,1000A/m,拉速为1.4mm/min,晶转为15r/min。拉制4棵单晶,编号分别为M70-1,M70-2,M70-3,M70-4。

  在拉制出的单晶电阻率合格部分头尾各取一样片,经过退火,消除氧施主效应后,按GB11073-89的硅片径向电阻率变化的测量方法,测量电阻率径向不均匀性,其计算方法为 Δρ∕ρ=[(ρ a-ρc)/ρc ]×100   其中,ρc为硅片中心测得的两次电阻率平均值;ρa为硅片半径中点或边缘6mm处测得4个电阻率平均值。

  各次实验测量结果分别列于表1、表2。(表略)

3 结果分析与结论   

从表1的数据可见,在不加磁场的情况下,当晶转相同时,提高拉速可使硅单晶径向电阻率均匀性提高。因为增加拉速,可使晶体凝固速度增加,使界面趋向平坦,有利于抑制小平面的出现,使电阻率均匀性提高。但增加拉速有一定的限制,一般控制在2.0mm/min以内。为进一步提高电阻率均匀性,可增加晶转的速度,增加晶体转速,会使固液界面从下向上运动的高温流增大,起到抑制热对流的作用,当晶转强迫对流占优势时,生长界面由凸转平,甚至凹向熔体,这样有利于抑制小平面的出现,提高电阻率的径向均匀性。

由于在拉晶工艺中拉速和晶转都有一定的限制,在这一范围内,只能小幅提高电阻率的径向均匀性,远不能达到用户所提出的要求。为此本文进一步采用磁场下的拉晶工艺,拉制出实验2中的4棵单晶,实验结果见表2。

从表2所拉制的四棵单晶可见,在拉晶工艺中加入磁场可有效提高单晶的电阻率径向均匀性。由于加入了水平磁场,在洛伦兹力的作用下,抑制了熔体热对流,对晶转引起的强迫对流有加强作用。热对流是熔硅的温差和地球引力引起的,它的产生能加剧熔体与石英坩埚的反应,使石英坩埚中的氧、硼、铅等杂质更多地进入熔体和晶体中;同时,热对流还引起液面波动、熔体温度变化、晶体生长速度起伏,在晶体中形成杂质条纹和旋涡花纹。为了抑制热对流,在拉晶过程中加入了磁场,利用洛伦兹力的作用,使熔硅的热对流运动减弱。随着磁场强度的增加,熔硅热对流逐渐减弱,甚至完全抑制了热对流,从而有效地提高单晶的电阻率均匀性。在磁场强度增加的过程中,磁场强度越高,熔体的径向温度梯度越小,拉晶难度越大。本文改进了热场,调整了单晶工艺,比如增加坩埚的转速,加大氩气的流量和压力等,保证了高强度磁 场下单晶的顺利拉制,使n型 Φ100mm高阻硅单晶的径向电阻率不均匀性控制在10%以内。

总之,要提高n〈111〉硅单晶径向电阻率均匀性,可从通过外加磁场减小热对流、增加晶转速度、提高拉速三方面着手。而采用磁场拉晶工艺,是目前改善单晶电阻率径向均匀性最有效的方法。

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