硅单晶测试参数的差异分析

田原

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

随着集成电路的飞速发展，特征尺寸不断缩小，对硅单晶质量提出了越来越高的要求[1]。单晶的各项参数的优劣，对后续芯片的性能有着很大的影响，尤其是单晶体缺陷的存在会造成器件漏电、击穿等现象的发生[2-4]。因此，综合考虑单晶的品质，分析各单晶参数之间的关联性变得越来越重要。然而，各种单晶参数仅被独立地看待，并没有对单晶各项参数的关联性进行系统分析。

本文分别对N＜111＞轻掺P单晶和N＜111＞重掺As单晶的寿命、不均匀性、旋涡等参数进行了差异分析，并对相关性产生的原因以及对单晶拉制和测试的指导作用进行了说明。

1 实验设备与材料

实验设备：采用4探针测试仪测试单晶的电阻率和径向电阻率变化，采用寿命测试仪测试单晶的少子寿命，采用国标方法测试单晶的旋涡缺陷，采用二次离子质谱法测试重掺砷单晶的氧含量[5]。统计分析采用SPSS 19.0软件。

实验材料：N＜111＞轻掺P单晶，100 mm（4英寸），电阻率为50～60 Ω·cm，拉晶方式为MCZ，共91段。N＜111＞重掺As单晶，100 mm，电阻率为0.002～0.004 Ω·cm，拉晶方式为CZ，共56段。

2 N<111>轻掺P单晶参数的差异分析

N＜111＞轻掺P单晶，作为二极管、TVS器件的原材料，对单晶本身的缺陷和电学性能指标要求较高，而其中旋涡、寿命、不均匀性是衡量轻掺单晶优劣的重要指标。选择同一条件下拉制的单晶，其寿命与不均匀性的双样本相关分析如表1所示。

表1 轻掺P单晶寿命与径向电阻率变化的双样本相关分析数据

少子寿命是硅单晶的重要指标，受单晶原材料纯度、单晶缺陷程度、氧碳含量、杂质含量等条件的影响，是最直观反映单晶优劣的参数之一。径向电阻率变化的优劣，与是否为磁场拉晶及拉晶过程中的热场变化有关。若拉晶过程中，热场发生变化，不仅会造成径向电阻率变化的改变，而且有可能引入缺陷，从而导致后续芯片性能下降。从表1中可知，电阻率不均匀性与寿命相关分析为显著负相关(相关系数p=-0.01*)，即随着电阻率不均匀的升高，寿命会显著降低。这也就是说，若单晶来自同炉，当单晶的径向电阻率变化升高，可能会引入更多的缺陷、氧碳或杂质，造成寿命降低，这会对单晶的质量产生很大影响。

一般把从晶体生长过程中产生的缺陷叫做生长引入缺陷，可以认为是晶体在生长期间凝入晶体的点缺陷聚集体，或是一种在聚集体上成核生长的晶体缺陷[2]。其中旋涡缺陷是单晶在生长中的微缺陷聚集形成微缺陷团，而在宏观上呈旋涡状分布。旋涡缺陷的存在，对器件的性能有较大影响，是单晶必须严格杜绝的缺陷。旋涡缺陷的产生与晶体生长时的热场对称性和晶体回熔有关。依据晶体有无旋涡的情况，对单晶的寿命和径向电阻率变化进行独立样本T检验，如表2所示，其中t值用来表征两组数据间差异的大小。从表2中可以发现，寿命独立样本T检验相关系数p值为0.081，径向电阻率变化独立样本T检验相关系数p值为0.321，与旋涡情况的相关性均不显著。也就是说旋涡缺陷的存在与否，从寿命和径向电阻率变化数据上并不能完全体现，单晶生长过程中旋涡缺陷的产生与寿命和径向电阻率变化的变化无关。

表2 轻掺P单晶寿命、径向电阻率变化与旋涡情况的独立样本T检验数据

3 N<111>重掺砷单晶的差异分析

N＜111＞重掺砷单晶，作为硅外延片的原材料，对其径向电阻率变化、氧碳硼磷含量、旋涡等测试参数都有严格的要求，各参数的优劣都会直接影响外延的质量和后续器件的性能。对重掺砷单晶的径向电阻率变化、氧含量和单晶段位置进行了差异分析。所选的掺砷单晶为同一条件下拉制，此类单晶每炉可生长4段，从头部到尾部分别用I、II、III、IV标记。首先，讨论了单晶段位置与氧含量的关系，如表3所示，可以发现，单晶段位置与氧含量显著相关(相关系数p=0.013*)，对比氧含量均值与单晶段位置，发现随单晶的生长，氧含量逐步降低。也就是说，单晶制备时只要控制整炉单晶头部的氧含量，便可确保整炉单晶的氧含量达标。

表3 重掺砷单晶单晶段位置与氧含量的卡方检验数据

对重掺砷单晶的氧含量与径向电阻率变化进行了双样本相关分析，结果显示，径向电阻率变化与氧含量呈显著负相关(相关系数p=-0.016*)，如表4所示，即随径向电阻率变化的升高，氧含量逐步降低。根据之前的结论，由于分凝的影响，氧含量会在单晶的头部最高，随单晶生长而逐步降低。而当单晶拉制到尾部时，随硅熔体减少，热场会产生变化造成不均匀性的变化，而此时恰好氧含量逐步降低。这一数据也说明，用于测试的单晶在单晶尾部，热场控制较差，针对该类单晶，应着重控制头部的氧含量和尾部的径向电阻率变化。

表4 重掺砷单晶氧含量与径向电阻率变化双样本相关分析数据

4 结束语

本文对N＜111＞轻掺P单晶，进行了寿命与径向电阻率变化的双样本相关分析，发现寿命与径向电阻率变化呈显著负相关；并进行了寿命、径向电阻率变化与旋涡情况的独立样本T检验，发现旋涡情况与寿命、电阻率不均性相关性不显著。对N＜111＞重掺As单晶进行了单晶段位置与氧含量的卡方检验，发现单晶段位置与氧含量显著相关；对氧含量与径向电阻率变化双样本相关分析，发现氧含量与径向电阻率变化显著相关。该实验结果对综合评价单晶质量水平、指导单晶制备有实际意义。