氣相摻雜區熔硅單晶的摻雜劑量計算方法研究

史繼祥，索開南

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220）

氣相摻雜區熔硅單晶的摻雜劑量計算方法研究

史繼祥，索開南

（中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220）

隨著電力電子技術的發展，對高品質低阻高壽氣相摻雜區熔硅單晶的需求越來越緊迫，歐美主要國家的氣相摻雜區熔硅單晶生長技術已經趨于成熟，而我國還處于起步階段。主要從理論方面分析氣相摻雜過程PH3進入晶體中的方式和過程，并對摻入量的計算過程進行了詳細說明。

氣相摻雜；電阻率；區熔；原子濃度

電力電子器件是電力電子技術的重要基礎，也是電力電子技術發展的“龍頭”，其基本組成包括功率二極管、晶閘管及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、柵極可關斷晶閘管（GTO）等。電力電子技術的發展又使對高純度、高均勻性、無位錯、低缺陷的大直徑區熔硅單晶材料的需求變得更加緊迫，通過區熔的方法在氬氣氣氛保護下生長的硅單晶，電阻率一般在1 000 Ω·cm以上，而用于電力電子器件的區熔硅單晶，對電阻率的要求為幾十毆姆·厘米到幾百毆姆·厘米，因此需要對其進行N型摻雜。

目前國內電阻率較低，電阻率均勻性較好的電力電子器件用N型區熔硅單晶材料主要是通過中子嬗變摻雜（NTD）制成，對于電阻率幾十毆姆·厘米的單晶需要長時間、大劑量的中子輻照，會導致硅單晶中產生大量輻照缺陷，從而使少子壽命大大降低，即使經過良好的退火工藝，少子壽命一般只能恢復到（800～1000）μs，很難達到更高，要想獲得高少子壽命的低阻區熔硅單晶，就需要采用摻雜法生長單晶。除去NTD法外，區熔硅單晶的摻雜生長工藝有三種，即固體摻雜法（母合金法）、液相摻雜法和氣相摻雜法。對于直徑較大的區熔硅單晶,氣相摻雜方法是目前國外采用的主要摻雜手段，這種摻雜方法既可以有效避免單晶生長和摻雜準備過程中與器皿接觸造成的沾污問題，又不會出現NTD單晶的輻照缺陷，是獲取高少子壽命低阻區熔硅單晶的最佳方式。

氣相摻雜區熔硅單晶材料制備難度大，摻雜劑量的控制是生產研制初期面臨的最大問題。要想實現電阻率的摻雜目標，必須對摻雜劑量進行縝密計算，才能有效提高生產研制進度，節約試驗成本。

1 摻雜機理

區熔氣相摻雜工藝是與區熔單晶生長同時進行的，摻雜過程是在高純封閉系統內進行，可以保證摻雜過程中不受外來有害雜質的沾污，從而提高了晶體的內在質量。氣相摻雜的常用雜質源是PH3（磷烷）和 B2H6（硼烷）。PH3是 N 型雜質源，B2H6是P型雜質源，本項目要求導電類型為N型，所以摻雜劑為PH3。磷烷氣體受熱易分解，反應方程式為：

通過氣相擴散和表面附著作用，熔硅吸收雜質原子，從而達到摻雜的目的[1]。

氣相摻雜的核心是通過高精度控制的配氣系統在晶體生長過程中向熔體中摻入高純度的磷原子，要想生長的單晶一次達到目標電阻率，摻雜劑量的控制非常關鍵。根據理論分析，電阻率幾十毆姆·厘米的目標單晶摻雜劑濃度為1×1014個/cm3數量級，而硅的原子密度為5.0×1022個/cm3，目標單晶需要摻入的溶質與溶劑的原子比為1×10-8，摻雜劑量非常小，越是小劑量摻雜控制起來難度越大。作為摻雜劑，磷在硅晶體結構中處于替位態，如圖1所示。作為第Ⅴ族元素，有5個價電子，磷原子共享了4個價電子給它周圍的4個硅原子，還有1個未共享的電子被磷原子貢獻出來，成為載流子，所以在計算的時候，磷的摻入量可視為載流子的摻入量。

圖1 摻磷硅簡化晶格結構圖

熔體表面對摻雜氣體有吸附功能，在表面吸附的氣體飽和之前，吸附作用會一直持續進行，直至達到飽和。磷在硅中的固溶度上限為1.3×1021個/cm3，而我們要摻入的劑量為1014個/cm3數量級，所以離飽和狀態還有較大距離。

摻雜實現過程如圖2所示。

圖2 區熔硅單晶氣相摻雜原理圖

2 摻雜劑量的計算過程

2.1 熔體表面對雜質原子的吸附過程計算

當雜質氣流吹至熔區表面時，發生分解反應，磷原子一部分被硅熔體吸附，然后靠擴散和攪拌作用進入熔體內；另一部分返回氣流中[2，3]。

假設摻雜氣流方向垂直于熔體表面，CG表示摻雜劑原子濃度，CS為熔體表面上吸附的雜質原子濃度，J1表示從氣流到熔體表面的雜質遷移的粒子流密度，J2為被熔體吸附住的雜質原子流密度，單位：個/cm2·s，于是，可用線性方程組近似表示出 J1、J2：

其中：nG為雜質原子的遷移個數（個 /cm2·s）

此時，熔體表面和附近空間一薄層兩邊濃度差為（CG-CS），其濃度梯度為（CG-CS）/δc，于是根據Fick擴散第一定律，通過薄層δc的原子流密度J1為：

根據上述推導結果，可以求出，雜質吸附到表面的吸附速率G為：

N為硅原子密度 5.0×1022個 /cm3，PH3的摩爾濃度為x，則：

摻雜速率隨溫度的升高呈指數上升。

從式（8）中可以看到，摻雜原子被吸附的速率與溫度T沒有關系。

2.2 擴散進入熔體內雜質總量的計算

晶體生長過程中，摻雜源以一定速度進入爐膛內，其摻雜狀態可視為是恒定源摻雜過程[4]。

恒定源摻雜過程可以假設在整個擴散過程中，熔區表面始終暴露在具有恒定而均一的雜質源氣氛中。在該狀態下，雜質原子被熔體吸附的吸附幾率=（雜質輸入量-尾氣排出量）/時間。

雜質原子被吸附后，假設是僅靠擴散機制進入單晶體內，可用擴散方程表示：

此時的邊界條件：在整個擴散過程熔區表面的濃度保持恒定，即在x=0處，在任何時刻都有：

N（0，t）=Ns，N（∞，t）=0，NS為熔區表面雜質濃度；

初始條件為：t=0，N（x，0）=0，x＞0；

令 N（x，t）=NS+u（x，t），邊界條件齊次化后有

可求出：

原方程解：

材料內部的雜質濃度隨時間增加而增加，隨距離增加而減少。

選定雜質元素和濃度后，NS和D被確定，再根據t求出擴入體內的雜質總量Q：

換算成升為0.2 mol/l，再根據PH3在混合氣體中的濃度和阿伏加德羅常數NH，即可求得表面雜質濃度N1。

生長單晶的實際P摻入量根據下式計算得出：

測量出電阻率值后，NT根據GB/T13389摻硼摻磷硅單晶電阻率與摻雜劑濃度換算規程查出。

2.3 修正系數的計算

雜質氣體通入爐膛后不可能全部被硅熔體吸附進入熔體內，會有很大一部分返回氣流中，隨著循環氬氣被排出爐腔，另外熔入溶體中的雜質原子還要進行蒸發和分凝。這樣實際摻入晶體中的雜質數量與工藝過程中通入爐腔內的雜質數量就會有一個比值ξ，這個比值我們要通過試驗結果進行計算求出，作為摻雜量計算的修正系數。

要想獲得較為準確的修正系數ξ，需要采用多次實驗結果，進行疊代計算，計算方法如下：

可計算出第一個修正系數ε1，再根據第一次實驗的ε1值反推計算第二次生長工藝的混合氣體流量，生長完成后測量電阻率值，按照第一次的計算方法，計算得到第二個修正系數ε2值，依次類推，求得εi，隨著I的增大，εi應該向著真實的摻雜系數ε收斂。

3 總 結

本文通過熔體表面對雜質原子的吸附過程推導，擴散進入熔體內雜質總量的推導，和修正系數的疊代計算，從理論上驗證了氣相摻雜電阻率高命中率實現的可行性。

：出摻入磷雜質的理論原子數。這里擴散系數D取硅熔點的擴散系數，即5.05×10-10cm2/s，t為摻雜時間，取某段單晶生長時間，NS的計算。

因為混合氣體直接吹向固液界面處，所以可近似認為NS=N1I，I為通入混合氣體的流量為已知量，N1為混合氣體的原子濃度，在溫度固定的情況下，該量取決于摻雜混合氣體濃度和氣壓，計算主要依據理想狀態氣體方程：

假設混合氣體中PH3的濃度為1×10-6，配好混合氣的起始壓力P為5.0×105Pa；氣體溫度取300 K，R=8.314 Pa·m3/（mol·K），由于流量很小，

[1]樊銘德，葛濤.硅區熔氣相摻雜工藝的研究[J].上海金屬（有色分冊），1987，8（6）：31-34.

[2]閔乃本.晶體生長的物理基礎[M].上海：上海科學技術出版社，1982.301-307.

[3]郭麗華.硅單晶氣相摻雜技術的研究[D].天津：河北工業大學.29-31.

史繼祥，（1978.2-），男，天津人河西人，助理工程師，目前主要從事半導體材料的測試及其性能研究。

The Calculation Method Research of Gas-doped FZ Silicon

SHI Jixiang，SUO Kainan
（The 46th Research Institute of CETC，Tianjin 300220，China）

Abstract:With the development of power electronics technology，high-quality gas-doped silicon with low-resistivity and high-lifetime has a large demand more and more urgent.Gas doped FZ silicon growth technology has become mature in Europe and America，while China is still in its infancy.In this article，we analyzed the process of PH3 going into the crystal and the doping amount with calculation.

Keywords:Gas doping，Resistivity，Float zone，Atomic concentration

TN305.3

A

1004-4507（2013）10-0050-04

2013-08-12