生長系統對高阻區熔硅單晶徑向電阻率變化的影響

閆 萍，索開南，龐炳遠

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

L4375-ZE區熔爐為國產區熔爐，爐膛高約2m，內徑約為0.4m，上、下軸的最大行程為1m，目前可生長單晶的最大直徑為55mm。由于具有高真空系統，因此采用該區熔爐可對多晶硅進行區熔提純，并能研制P型高阻率單晶，但因是20世紀70年代的老設備，且產能有限，目前主要用于進行科研課題的樣品研制。CFG/1400P區熔爐為從德國進口的單晶爐，上、下軸行程為1.5m，爐膛直徑約為0.65m，可生長單晶的直徑為45～104mm。

由于完成科研、生產任務的需要，我們有機會在兩臺區熔爐上分別生長了同種規格的兩種高阻單晶，其中P型高阻單晶研制采用了在CFG/1400P區熔爐上、氬氣氣氛下區熔整形拉細的多晶，將該多晶用L4375-ZE爐經多次區熔提純達到預期目標后，再分別用兩臺區熔爐生長單晶；而N型高阻單晶則為多晶在CFG/1400P區熔爐上、氬氣氣氛下區熔整形拉細后，再分別在兩臺區熔爐生長單晶。不同單晶生長系統生長的單晶，其電阻率的徑向均勻性表現出了明顯的差異。

1 實驗及結果

1.1 實驗條件

1.1.1 設備及儀器

單晶生長實驗采用L4375-ZE型區熔爐及德國進口的CFG/1400P型區熔爐。

單晶電阻率檢測采用SZ－82數字式四探針測試儀，單晶導電類型檢測采用DLY-2型單晶硅型號鑒別儀。

1.1.2 主要原材料

美國進口（ASIM i）一級區熔用多晶硅，直徑100 mm，對應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 實驗

1.2.1 區熔整形

采用CFG/1400P區熔爐，在氬氣氣氛下將直徑100mm左右的多晶硅區熔拉細至50mm左右；

1.2.2 多晶提純

采用L4375-ZE型區熔爐，對拉細整形后的多晶進行多次真空區熔提純，最終使多晶的電阻率達到不小于1×104Ω·cm，導電類型為P型。

1.2.3 單晶生長

分別用兩臺區熔爐，將區熔整形及提純后的多晶生長成<111>晶向的單晶，單晶直徑53mm左右。生長單晶時的工藝參數為：晶體生長速率4.0 mm/m in，單晶生長時，上、下晶軸反向旋轉，上晶軸旋轉速率5 r/m in，下晶軸的旋轉速度8 r/min。

1.3 實驗結果

在生長的單晶端面取點檢測徑向電阻率的分布情況，結果如表1和表2所示。其中，表1為P型高阻單晶的檢測結果，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，編號為FZ-P1～FZ-P3的單晶樣品采用CFG/1400P區熔爐生長，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。編號為FZ-P4～FZ-P6的單晶樣品采用L4375-ZE區熔爐生長，其電阻率的徑向均勻性明顯優于采用CFG/1400P區熔爐生長的單晶，其中徑向不均勻性最大為11.5%，最小為0.7%。兩個系統生長的單晶電阻率分布均為中心區域較高，邊緣區域較低。

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

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

對于N型高阻單晶，徑向電阻率分布與P型高阻單晶相反，表現為中心區域較低，邊緣區域較高。

表2 N型單晶電阻率徑向分布情況

2 結果分析

兩臺單晶爐采用了相同品質的多晶原料生長單晶，由于兩臺設備所用的加熱線圈幾何結構（包括上下表面角度、內徑尺寸及臺階設計）基本相同，因此由加熱線圈所形成的電磁場分布也應該是相似的，在單晶生長的速率，上、下晶軸旋轉配置基本相同的情況下，所表現出的單晶徑向電阻率分布的明顯不同應該和單晶的生長系統有關。

L4375-ZE區熔爐為國產區熔爐，爐膛高約2m，內徑約為0.4 m，生長單晶時的爐內氬氣壓力為0.11～0.12MPa。CFG/1400P區熔爐為從德國進口的單晶爐，爐膛直徑約為0.65m，爐膛高約為3m，生長單晶時的爐內氬氣壓力約為0.15～0.16MPa。

區熔單晶生長時，熱源來自于線圈形成的電磁場與硅材料之間感應形成的強大渦旋電流，區熔工藝中硅材料只有局部被加熱。當兩個系統所用多晶原料直徑相同，生長的單晶直徑也相同時，如果采用相同幾何結構的加熱線圈和相同的單晶生長參數配置，保持單晶穩定生長所形成的熔區形狀也基本是相同的，因此系統內（爐膛內）所產生的熱量也基本相同。在這種情況下，較大的爐膛內尺寸和較高的充氣壓力，均會增強爐內氣體對熱量的傳導及對流作用，并直接影響到單晶生長界面的徑向溫度梯度。也就是說，當用兩個系統生長同樣尺寸規格的單晶時，CFG/1400P區熔爐形成的生長界面的徑向溫度梯度會明顯大于L4375-ZE區熔爐。從表1和表2的數據可以看出，無論是P型單晶還是N型單晶，用L4375-ZE區熔爐生長的單晶的電阻率徑向均勻性均優于用CFG/1400P區熔爐生長的單晶，這應該是徑向溫度梯度增大形成了較大的晶體生長界面彎曲的結果。

硅單晶中的電活性雜質是硼雜質及磷雜質，單晶的電阻率及導電類型是兩種雜質相互補償的結果。對于P型高阻單晶，硼雜質濃度高于磷雜質，而對于N型單晶，則是磷雜質濃度高于硼雜質。單晶生長時，由于雜質的分凝作用，在固液交界面附近的液相中產生磷雜質的富集層（磷的分凝系數為0.35，硼的凝系數為0.9），在晶體旋轉、電磁力及重力等多重因素的作用下，磷雜質在熔體及結晶界面上按一定的規律分布[1]，通常情況下，中心區域磷雜質濃度高于邊緣區域，因此對于P型單晶，表現為中心區域的電阻率高，邊緣區域的電阻率低，而對于N型單晶，則表現為中心區域電阻率低，邊緣區域電阻率高。

由表1、表2的檢測結果可以看出，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較小的電阻率變化）時，單晶的中心區域與邊緣區域之間依然保持較大的電阻率變化，這也從另一個方面說明了單晶的徑向電阻率變化不只是晶體生長界面彎曲下雜質分凝的結果。

當生長界面彎曲增大時，無論是雜質分凝還是各種其它因素引起的磷雜質在熔體中的不均勻分布對徑向電阻率變化的作用均會增大，并由此造成了在兩種系統中生長的單晶徑向電阻率變化的明顯不同。

在實際單晶生長中我們發現，P型單晶的徑向電阻率均勻性普遍優于N型單晶，這是因為P型高阻單晶所用多晶經過多次提純后，磷雜質濃度已大大減少的結果。

3 結 論

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

2）用CFG/1400P區熔爐生長小尺寸單晶時，為提高單晶的徑向電阻率均勻性，可適當減小爐內充氣的壓力，以減小環境氣體的熱對流及熱傳導作用；

3）采用CFG/1400P區熔爐生長較小直徑的單晶，不但生產效率低，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.