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晶生長為固態的單晶硅的過程，沒有雜質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，結晶過程依靠等溫規律完成，在同一個水平面上，晶體的邊緣總是先于中心結晶，于是，由于結晶時間不同，在晶體生長時，其等溫線必然是彎曲的；同時，在雜質濃度較小時，可以將固相與液相中雜質濃度的比值，也就是分凝系數K視為常數，這樣一來，在同一個水平面上，由于生長結晶速度不同，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，同一個硅片內的電阻率就必然不會是均勻的。

受堝轉、晶轉、拉速等參數的影響，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，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

根據摻雜晶體的不同，硅單晶分為摻入III族雜質晶體B的P型單晶和摻入VI族雜質P、As、Sb的N型硅單晶。

摻雜晶體不同，分凝系數K也不同，于是，根據等溫規律，K越接近于1時，同一硅片內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，都會產生小平面。小平面處的雜質濃度異于其他區域的現象叫小平面現象，這種現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

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，拉速過高或者晶轉過高，都有可能造成等溫面反轉，使硅片邊緣電阻率值低于中心值，因此，拉速和晶轉都必須控制在合理范圍內。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，捕獲中子才產生放射性同位素31Si，隨后，31Si嬗變為穩定的同位素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。中子嬗變摻雜一般用于區熔單晶。直拉單晶的中子嬗變摻雜盡管在理論上可以實現，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。