硅單晶測試參數的差異分析

田原

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

隨著集成電路的飛速發展，特征尺寸不斷縮小，對硅單晶質量提出了越來越高的要求[1]。單晶的各項參數的優劣，對后續芯片的性能有著很大的影響，尤其是單晶體缺陷的存在會造成器件漏電、擊穿等現象的發生[2-4]。因此，綜合考慮單晶的品質，分析各單晶參數之間的關聯性變得越來越重要。然而，各種單晶參數僅被獨立地看待，并沒有對單晶各項參數的關聯性進行系統分析。

本文分別對N＜111＞輕摻P單晶和N＜111＞重摻As單晶的壽命、不均勻性、旋渦等參數進行了差異分析，并對相關性產生的原因以及對單晶拉制和測試的指導作用進行了說明。

1 實驗設備與材料

實驗設備：采用4探針測試儀測試單晶的電阻率和徑向電阻率變化，采用壽命測試儀測試單晶的少子壽命，采用國標方法測試單晶的旋渦缺陷，采用二次離子質譜法測試重摻砷單晶的氧含量[5]。統計分析采用SPSS 19.0軟件。

實驗材料：N＜111＞輕摻P單晶，100 mm（4英寸），電阻率為50～60 Ω·cm，拉晶方式為MCZ，共91段。N＜111＞重摻As單晶，100 mm，電阻率為0.002～0.004 Ω·cm，拉晶方式為CZ，共56段。

2 N<111>輕摻P單晶參數的差異分析

N＜111＞輕摻P單晶，作為二極管、TVS器件的原材料，對單晶本身的缺陷和電學性能指標要求較高，而其中旋渦、壽命、不均勻性是衡量輕摻單晶優劣的重要指標。選擇同一條件下拉制的單晶，其壽命與不均勻性的雙樣本相關分析如表1所示。

表1 輕摻P單晶壽命與徑向電阻率變化的雙樣本相關分析數據

少子壽命是硅單晶的重要指標，受單晶原材料純度、單晶缺陷程度、氧碳含量、雜質含量等條件的影響，是最直觀反映單晶優劣的參數之一。徑向電阻率變化的優劣，與是否為磁場拉晶及拉晶過程中的熱場變化有關。若拉晶過程中，熱場發生變化，不僅會造成徑向電阻率變化的改變，而且有可能引入缺陷，從而導致后續芯片性能下降。從表1中可知，電阻率不均勻性與壽命相關分析為顯著負相關(相關系數p=-0.01*)，即隨著電阻率不均勻的升高，壽命會顯著降低。這也就是說，若單晶來自同爐，當單晶的徑向電阻率變化升高，可能會引入更多的缺陷、氧碳或雜質，造成壽命降低，這會對單晶的質量產生很大影響。

一般把從晶體生長過程中產生的缺陷叫做生長引入缺陷，可以認為是晶體在生長期間凝入晶體的點缺陷聚集體，或是一種在聚集體上成核生長的晶體缺陷[2]。其中旋渦缺陷是單晶在生長中的微缺陷聚集形成微缺陷團，而在宏觀上呈旋渦狀分布。旋渦缺陷的存在，對器件的性能有較大影響，是單晶必須嚴格杜絕的缺陷。旋渦缺陷的產生與晶體生長時的熱場對稱性和晶體回熔有關。依據晶體有無旋渦的情況，對單晶的壽命和徑向電阻率變化進行獨立樣本T檢驗，如表2所示，其中t值用來表征兩組數據間差異的大小。從表2中可以發現，壽命獨立樣本T檢驗相關系數p值為0.081，徑向電阻率變化獨立樣本T檢驗相關系數p值為0.321，與旋渦情況的相關性均不顯著。也就是說旋渦缺陷的存在與否，從壽命和徑向電阻率變化數據上并不能完全體現，單晶生長過程中旋渦缺陷的產生與壽命和徑向電阻率變化的變化無關。

表2 輕摻P單晶壽命、徑向電阻率變化與旋渦情況的獨立樣本T檢驗數據

3 N<111>重摻砷單晶的差異分析

N＜111＞重摻砷單晶，作為硅外延片的原材料，對其徑向電阻率變化、氧碳硼磷含量、旋渦等測試參數都有嚴格的要求，各參數的優劣都會直接影響外延的質量和后續器件的性能。對重摻砷單晶的徑向電阻率變化、氧含量和單晶段位置進行了差異分析。所選的摻砷單晶為同一條件下拉制，此類單晶每爐可生長4段，從頭部到尾部分別用I、II、III、IV標記。首先，討論了單晶段位置與氧含量的關系，如表3所示，可以發現，單晶段位置與氧含量顯著相關(相關系數p=0.013*)，對比氧含量均值與單晶段位置，發現隨單晶的生長，氧含量逐步降低。也就是說，單晶制備時只要控制整爐單晶頭部的氧含量，便可確保整爐單晶的氧含量達標。

表3 重摻砷單晶單晶段位置與氧含量的卡方檢驗數據

對重摻砷單晶的氧含量與徑向電阻率變化進行了雙樣本相關分析，結果顯示，徑向電阻率變化與氧含量呈顯著負相關(相關系數p=-0.016*)，如表4所示，即隨徑向電阻率變化的升高，氧含量逐步降低。根據之前的結論，由于分凝的影響，氧含量會在單晶的頭部最高，隨單晶生長而逐步降低。而當單晶拉制到尾部時，隨硅熔體減少，熱場會產生變化造成不均勻性的變化，而此時恰好氧含量逐步降低。這一數據也說明，用于測試的單晶在單晶尾部，熱場控制較差，針對該類單晶，應著重控制頭部的氧含量和尾部的徑向電阻率變化。

表4 重摻砷單晶氧含量與徑向電阻率變化雙樣本相關分析數據

4 結束語

本文對N＜111＞輕摻P單晶，進行了壽命與徑向電阻率變化的雙樣本相關分析，發現壽命與徑向電阻率變化呈顯著負相關；并進行了壽命、徑向電阻率變化與旋渦情況的獨立樣本T檢驗，發現旋渦情況與壽命、電阻率不均性相關性不顯著。對N＜111＞重摻As單晶進行了單晶段位置與氧含量的卡方檢驗，發現單晶段位置與氧含量顯著相關；對氧含量與徑向電阻率變化雙樣本相關分析，發現氧含量與徑向電阻率變化顯著相關。該實驗結果對綜合評價單晶質量水平、指導單晶制備有實際意義。