n型高阻硅单晶电阻率均匀性的控制

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600 A/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=[（ρa-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。

　　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 <111>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。