生長(zhǎng)系統(tǒng)對(duì)高阻區(qū)熔硅單晶徑向電阻率變化的影響

閆 萍，索開(kāi)南，龐炳遠(yuǎn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

L4375-ZE區(qū)熔爐為國(guó)產(chǎn)區(qū)熔爐，爐膛高約2m，內(nèi)徑約為0.4m，上、下軸的最大行程為1m，目前可生長(zhǎng)單晶的最大直徑為55mm。由于具有高真空系統(tǒng)，因此采用該區(qū)熔爐可對(duì)多晶硅進(jìn)行區(qū)熔提純，并能研制P型高阻率單晶，但因是20世紀(jì)70年代的老設(shè)備，且產(chǎn)能有限，目前主要用于進(jìn)行科研課題的樣品研制。CFG/1400P區(qū)熔爐為從德國(guó)進(jìn)口的單晶爐，上、下軸行程為1.5m，爐膛直徑約為0.65m，可生長(zhǎng)單晶的直徑為45～104mm。

由于完成科研、生產(chǎn)任務(wù)的需要，我們有機(jī)會(huì)在兩臺(tái)區(qū)熔爐上分別生長(zhǎng)了同種規(guī)格的兩種高阻單晶，其中P型高阻單晶研制采用了在CFG/1400P區(qū)熔爐上、氬氣氣氛下區(qū)熔整形拉細(xì)的多晶，將該多晶用L4375-ZE爐經(jīng)多次區(qū)熔提純達(dá)到預(yù)期目標(biāo)后，再分別用兩臺(tái)區(qū)熔爐生長(zhǎng)單晶；而N型高阻單晶則為多晶在CFG/1400P區(qū)熔爐上、氬氣氣氛下區(qū)熔整形拉細(xì)后，再分別在兩臺(tái)區(qū)熔爐生長(zhǎng)單晶。不同單晶生長(zhǎng)系統(tǒng)生長(zhǎng)的單晶，其電阻率的徑向均勻性表現(xiàn)出了明顯的差異。

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1.1 設(shè)備及儀器

單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)采用L4375-ZE型區(qū)熔爐及德國(guó)進(jìn)口的CFG/1400P型區(qū)熔爐。

單晶電阻率檢測(cè)采用SZ－82數(shù)字式四探針測(cè)試儀，單晶導(dǎo)電類(lèi)型檢測(cè)采用DLY-2型單晶硅型號(hào)鑒別儀。

1.1.2 主要原材料

美國(guó)進(jìn)口（ASIM i）一級(jí)區(qū)熔用多晶硅，直徑100 mm，對(duì)應(yīng)的基硼電阻率不小于1×104Ω·cm，基磷電阻率不小于1 000Ω·cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)

1.2.1 區(qū)熔整形

采用CFG/1400P區(qū)熔爐，在氬氣氣氛下將直徑100mm左右的多晶硅區(qū)熔拉細(xì)至50mm左右；

1.2.2 多晶提純

采用L4375-ZE型區(qū)熔爐，對(duì)拉細(xì)整形后的多晶進(jìn)行多次真空區(qū)熔提純，最終使多晶的電阻率達(dá)到不小于1×104Ω·cm，導(dǎo)電類(lèi)型為P型。

1.2.3 單晶生長(zhǎng)

分別用兩臺(tái)區(qū)熔爐，將區(qū)熔整形及提純后的多晶生長(zhǎng)成<111>晶向的單晶，單晶直徑53mm左右。生長(zhǎng)單晶時(shí)的工藝參數(shù)為：晶體生長(zhǎng)速率4.0 mm/m in，單晶生長(zhǎng)時(shí)，上、下晶軸反向旋轉(zhuǎn)，上晶軸旋轉(zhuǎn)速率5 r/m in，下晶軸的旋轉(zhuǎn)速度8 r/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在生長(zhǎng)的單晶端面取點(diǎn)檢測(cè)徑向電阻率的分布情況，結(jié)果如表1和表2所示。其中，表1為P型高阻單晶的檢測(cè)結(jié)果，單晶中心電阻率為（1.0～5.0）×104Ω·cm；

表1 P型單晶電阻率徑向分布情況

表1中，編號(hào)為FZ-P1～FZ-P3的單晶樣品采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)，其電阻率的徑向不均勻性最大為53%，最小為11.5%。且電阻率較低的單晶徑向均勻性更好。編號(hào)為FZ-P4～FZ-P6的單晶樣品采用L4375-ZE區(qū)熔爐生長(zhǎng)，其電阻率的徑向均勻性明顯優(yōu)于采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)的單晶，其中徑向不均勻性最大為11.5%，最小為0.7%。兩個(gè)系統(tǒng)生長(zhǎng)的單晶電阻率分布均為中心區(qū)域較高，邊緣區(qū)域較低。

表2為N型高阻單晶的檢測(cè)結(jié)果，單晶中心電阻率為（1.5～4.5）×103Ω·cm。

表2中，編號(hào)為FZ-N1～FZ-N3的單晶樣品采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)，其電阻率的徑向不均勻性最大為65.7%，最小為16.5%。編號(hào)為FZ-N4～FZ-N6的單晶樣品采用L4375-ZE區(qū)熔爐生長(zhǎng)。其中徑向不均勻性最大為20.9%，最小為3.4%。對(duì)于N型單晶，徑向電阻率變化隨著電阻率的增大而明顯變大，而對(duì)于相同的電阻率范圍，用L4375-ZE區(qū)熔爐生長(zhǎng)的單晶，其電阻率徑向均勻性同樣優(yōu)于用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)的晶體。

對(duì)于N型高阻單晶，徑向電阻率分布與P型高阻單晶相反，表現(xiàn)為中心區(qū)域較低，邊緣區(qū)域較高。

表2 N型單晶電阻率徑向分布情況

2 結(jié)果分析

兩臺(tái)單晶爐采用了相同品質(zhì)的多晶原料生長(zhǎng)單晶，由于兩臺(tái)設(shè)備所用的加熱線圈幾何結(jié)構(gòu)（包括上下表面角度、內(nèi)徑尺寸及臺(tái)階設(shè)計(jì)）基本相同，因此由加熱線圈所形成的電磁場(chǎng)分布也應(yīng)該是相似的，在單晶生長(zhǎng)的速率，上、下晶軸旋轉(zhuǎn)配置基本相同的情況下，所表現(xiàn)出的單晶徑向電阻率分布的明顯不同應(yīng)該和單晶的生長(zhǎng)系統(tǒng)有關(guān)。

L4375-ZE區(qū)熔爐為國(guó)產(chǎn)區(qū)熔爐，爐膛高約2m，內(nèi)徑約為0.4 m，生長(zhǎng)單晶時(shí)的爐內(nèi)氬氣壓力為0.11～0.12MPa。CFG/1400P區(qū)熔爐為從德國(guó)進(jìn)口的單晶爐，爐膛直徑約為0.65m，爐膛高約為3m，生長(zhǎng)單晶時(shí)的爐內(nèi)氬氣壓力約為0.15～0.16MPa。

區(qū)熔單晶生長(zhǎng)時(shí)，熱源來(lái)自于線圈形成的電磁場(chǎng)與硅材料之間感應(yīng)形成的強(qiáng)大渦旋電流，區(qū)熔工藝中硅材料只有局部被加熱。當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)所用多晶原料直徑相同，生長(zhǎng)的單晶直徑也相同時(shí)，如果采用相同幾何結(jié)構(gòu)的加熱線圈和相同的單晶生長(zhǎng)參數(shù)配置，保持單晶穩(wěn)定生長(zhǎng)所形成的熔區(qū)形狀也基本是相同的，因此系統(tǒng)內(nèi)（爐膛內(nèi)）所產(chǎn)生的熱量也基本相同。在這種情況下，較大的爐膛內(nèi)尺寸和較高的充氣壓力，均會(huì)增強(qiáng)爐內(nèi)氣體對(duì)熱量的傳導(dǎo)及對(duì)流作用，并直接影響到單晶生長(zhǎng)界面的徑向溫度梯度。也就是說(shuō)，當(dāng)用兩個(gè)系統(tǒng)生長(zhǎng)同樣尺寸規(guī)格的單晶時(shí)，CFG/1400P區(qū)熔爐形成的生長(zhǎng)界面的徑向溫度梯度會(huì)明顯大于L4375-ZE區(qū)熔爐。從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)論是P型單晶還是N型單晶，用L4375-ZE區(qū)熔爐生長(zhǎng)的單晶的電阻率徑向均勻性均優(yōu)于用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)的單晶，這應(yīng)該是徑向溫度梯度增大形成了較大的晶體生長(zhǎng)界面彎曲的結(jié)果。

硅單晶中的電活性雜質(zhì)是硼雜質(zhì)及磷雜質(zhì)，單晶的電阻率及導(dǎo)電類(lèi)型是兩種雜質(zhì)相互補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。對(duì)于P型高阻單晶，硼雜質(zhì)濃度高于磷雜質(zhì)，而對(duì)于N型單晶，則是磷雜質(zhì)濃度高于硼雜質(zhì)。單晶生長(zhǎng)時(shí)，由于雜質(zhì)的分凝作用，在固液交界面附近的液相中產(chǎn)生磷雜質(zhì)的富集層（磷的分凝系數(shù)為0.35，硼的凝系數(shù)為0.9），在晶體旋轉(zhuǎn)、電磁力及重力等多重因素的作用下，磷雜質(zhì)在熔體及結(jié)晶界面上按一定的規(guī)律分布[1]，通常情況下，中心區(qū)域磷雜質(zhì)濃度高于邊緣區(qū)域，因此對(duì)于P型單晶，表現(xiàn)為中心區(qū)域的電阻率高，邊緣區(qū)域的電阻率低，而對(duì)于N型單晶，則表現(xiàn)為中心區(qū)域電阻率低，邊緣區(qū)域電阻率高。

由表1、表2的檢測(cè)結(jié)果可以看出，即使單晶的軸向電阻率變化不大（單晶的邊緣和中心分別保持相對(duì)較小的電阻率變化）時(shí)，單晶的中心區(qū)域與邊緣區(qū)域之間依然保持較大的電阻率變化，這也從另一個(gè)方面說(shuō)明了單晶的徑向電阻率變化不只是晶體生長(zhǎng)界面彎曲下雜質(zhì)分凝的結(jié)果。

當(dāng)生長(zhǎng)界面彎曲增大時(shí)，無(wú)論是雜質(zhì)分凝還是各種其它因素引起的磷雜質(zhì)在熔體中的不均勻分布對(duì)徑向電阻率變化的作用均會(huì)增大，并由此造成了在兩種系統(tǒng)中生長(zhǎng)的單晶徑向電阻率變化的明顯不同。

在實(shí)際單晶生長(zhǎng)中我們發(fā)現(xiàn)，P型單晶的徑向電阻率均勻性普遍優(yōu)于N型單晶，這是因?yàn)镻型高阻單晶所用多晶經(jīng)過(guò)多次提純后，磷雜質(zhì)濃度已大大減少的結(jié)果。

3 結(jié) 論

1）高阻區(qū)熔硅單晶徑向電阻率變化是由于磷雜質(zhì)的分凝以及分凝后的雜質(zhì)在晶體旋轉(zhuǎn)、電磁力及重力等多重因素的作用下再分布的結(jié)果；

2）用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)小尺寸單晶時(shí)，為提高單晶的徑向電阻率均勻性，可適當(dāng)減小爐內(nèi)充氣的壓力，以減小環(huán)境氣體的熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)作用；

3）采用CFG/1400P區(qū)熔爐生長(zhǎng)較小直徑的單晶，不但生產(chǎn)效率低，單晶的電阻率均勻性也較差。

[1]A.Mühlbauer，A.Muiznieks，J.Virbulis.Analysis of the dopant segregation effects at the floating zone growth of large silicon crystals[J].Journal of Crystal Growth，1997(180)：372-380.