生长系统对高阻区熔硅单晶径向电阻率变化的影响

闫 萍，索开南，庞炳远

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

L4375-ZE区熔炉为国产区熔炉，炉膛高约2m，内径约为0.4m，上、下轴的最大行程为1m，目前可生长单晶的最大直径为55mm。由于具有高真空系统，因此采用该区熔炉可对多晶硅进行区熔提纯，并能研制P型高阻率单晶，但因是20世纪70年代的老设备，且产能有限，目前主要用于进行科研课题的样品研制。CFG/1400P区熔炉为从德国进口的单晶炉，上、下轴行程为1.5m，炉膛直径约为0.65m，可生长单晶的直径为45～104mm。

由于完成科研、生产任务的需要，我们有机会在两台区熔炉上分别生长了同种规格的两种高阻单晶，其中P型高阻单晶研制采用了在CFG/1400P区熔炉上、氩气气氛下区熔整形拉细的多晶，将该多晶用L4375-ZE炉经多次区熔提纯达到预期目标后，再分别用两台区熔炉生长单晶；而N型高阻单晶则为多晶在CFG/1400P区熔炉上、氩气气氛下区熔整形拉细后，再分别在两台区熔炉生长单晶。不同单晶生长系统生长的单晶，其电阻率的径向均匀性表现出了明显的差异。

1 实验及结果

1.1 实验条件

1.1.1 设备及仪器

单晶生长实验采用L4375-ZE型区熔炉及德国进口的CFG/1400P型区熔炉。

单晶电阻率检测采用SZ－82数字式四探针测试仪，单晶导电类型检测采用DLY-2型单晶硅型号鉴别仪。

1.1.2 主要原材料

美国进口（ASIM i）一级区熔用多晶硅，直径100 mm，对应的基硼电阻率不小于1×104Ω·cm，基磷电阻率不小于1 000Ω·cm。

1.2 实验

1.2.1 区熔整形

采用CFG/1400P区熔炉，在氩气气氛下将直径100mm左右的多晶硅区熔拉细至50mm左右；

1.2.2 多晶提纯

采用L4375-ZE型区熔炉，对拉细整形后的多晶进行多次真空区熔提纯，最终使多晶的电阻率达到不小于1×104Ω·cm，导电类型为P型。

1.2.3 单晶生长

分别用两台区熔炉，将区熔整形及提纯后的多晶生长成<111>晶向的单晶，单晶直径53mm左右。生长单晶时的工艺参数为：晶体生长速率4.0 mm/m in，单晶生长时，上、下晶轴反向旋转，上晶轴旋转速率5 r/m in，下晶轴的旋转速度8 r/min。

1.3 实验结果

在生长的单晶端面取点检测径向电阻率的分布情况，结果如表1和表2所示。其中，表1为P型高阻单晶的检测结果，单晶中心电阻率为（1.0～5.0）×104Ω·cm；

表1 P型单晶电阻率径向分布情况

表1中，编号为FZ-P1～FZ-P3的单晶样品采用CFG/1400P区熔炉生长，其电阻率的径向不均匀性最大为53%，最小为11.5%。且电阻率较低的单晶径向均匀性更好。编号为FZ-P4～FZ-P6的单晶样品采用L4375-ZE区熔炉生长，其电阻率的径向均匀性明显优于采用CFG/1400P区熔炉生长的单晶，其中径向不均匀性最大为11.5%，最小为0.7%。两个系统生长的单晶电阻率分布均为中心区域较高，边缘区域较低。

表2为N型高阻单晶的检测结果，单晶中心电阻率为（1.5～4.5）×103Ω·cm。

表2中，编号为FZ-N1～FZ-N3的单晶样品采用CFG/1400P区熔炉生长，其电阻率的径向不均匀性最大为65.7%，最小为16.5%。编号为FZ-N4～FZ-N6的单晶样品采用L4375-ZE区熔炉生长。其中径向不均匀性最大为20.9%，最小为3.4%。对于N型单晶，径向电阻率变化随着电阻率的增大而明显变大，而对于相同的电阻率范围，用L4375-ZE区熔炉生长的单晶，其电阻率径向均匀性同样优于用CFG/1400P区熔炉生长的晶体。

对于N型高阻单晶，径向电阻率分布与P型高阻单晶相反，表现为中心区域较低，边缘区域较高。

表2 N型单晶电阻率径向分布情况

2 结果分析

两台单晶炉采用了相同品质的多晶原料生长单晶，由于两台设备所用的加热线圈几何结构（包括上下表面角度、内径尺寸及台阶设计）基本相同，因此由加热线圈所形成的电磁场分布也应该是相似的，在单晶生长的速率，上、下晶轴旋转配置基本相同的情况下，所表现出的单晶径向电阻率分布的明显不同应该和单晶的生长系统有关。

L4375-ZE区熔炉为国产区熔炉，炉膛高约2m，内径约为0.4 m，生长单晶时的炉内氩气压力为0.11～0.12MPa。CFG/1400P区熔炉为从德国进口的单晶炉，炉膛直径约为0.65m，炉膛高约为3m，生长单晶时的炉内氩气压力约为0.15～0.16MPa。

区熔单晶生长时，热源来自于线圈形成的电磁场与硅材料之间感应形成的强大涡旋电流，区熔工艺中硅材料只有局部被加热。当两个系统所用多晶原料直径相同，生长的单晶直径也相同时，如果采用相同几何结构的加热线圈和相同的单晶生长参数配置，保持单晶稳定生长所形成的熔区形状也基本是相同的，因此系统内（炉膛内）所产生的热量也基本相同。在这种情况下，较大的炉膛内尺寸和较高的充气压力，均会增强炉内气体对热量的传导及对流作用，并直接影响到单晶生长界面的径向温度梯度。也就是说，当用两个系统生长同样尺寸规格的单晶时，CFG/1400P区熔炉形成的生长界面的径向温度梯度会明显大于L4375-ZE区熔炉。从表1和表2的数据可以看出，无论是P型单晶还是N型单晶，用L4375-ZE区熔炉生长的单晶的电阻率径向均匀性均优于用CFG/1400P区熔炉生长的单晶，这应该是径向温度梯度增大形成了较大的晶体生长界面弯曲的结果。

硅单晶中的电活性杂质是硼杂质及磷杂质，单晶的电阻率及导电类型是两种杂质相互补偿的结果。对于P型高阻单晶，硼杂质浓度高于磷杂质，而对于N型单晶，则是磷杂质浓度高于硼杂质。单晶生长时，由于杂质的分凝作用，在固液交界面附近的液相中产生磷杂质的富集层（磷的分凝系数为0.35，硼的凝系数为0.9），在晶体旋转、电磁力及重力等多重因素的作用下，磷杂质在熔体及结晶界面上按一定的规律分布[1]，通常情况下，中心区域磷杂质浓度高于边缘区域，因此对于P型单晶，表现为中心区域的电阻率高，边缘区域的电阻率低，而对于N型单晶，则表现为中心区域电阻率低，边缘区域电阻率高。

由表1、表2的检测结果可以看出，即使单晶的轴向电阻率变化不大（单晶的边缘和中心分别保持相对较小的电阻率变化）时，单晶的中心区域与边缘区域之间依然保持较大的电阻率变化，这也从另一个方面说明了单晶的径向电阻率变化不只是晶体生长界面弯曲下杂质分凝的结果。

当生长界面弯曲增大时，无论是杂质分凝还是各种其它因素引起的磷杂质在熔体中的不均匀分布对径向电阻率变化的作用均会增大，并由此造成了在两种系统中生长的单晶径向电阻率变化的明显不同。

在实际单晶生长中我们发现，P型单晶的径向电阻率均匀性普遍优于N型单晶，这是因为P型高阻单晶所用多晶经过多次提纯后，磷杂质浓度已大大减少的结果。

3 结 论

1）高阻区熔硅单晶径向电阻率变化是由于磷杂质的分凝以及分凝后的杂质在晶体旋转、电磁力及重力等多重因素的作用下再分布的结果；

2）用CFG/1400P区熔炉生长小尺寸单晶时，为提高单晶的径向电阻率均匀性，可适当减小炉内充气的压力，以减小环境气体的热对流及热传导作用；

3）采用CFG/1400P区熔炉生长较小直径的单晶，不但生产效率低，单晶的电阻率均匀性也较差。

[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.