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(fā)展，特征尺寸不斷縮小，對硅單晶質(zhì)量提出了越來越高的要求[1]。單晶的各項參數(shù)的優(yōu)劣，對后續(xù)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(xiàn)象的發(fā)生[2-4]。因此，綜合考慮單晶的品質(zhì)，分析各單晶參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性變得越來越重要。然而，各種單晶參數(shù)僅被獨立地看待，并沒有對單晶各項參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進行系統(tǒng)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(shù)進行了差異分析，并對相關(guān)性產(chǎn)生的原因以及對單晶拉制和測試的指導(dǎo)作用進行了說明。

1 實驗設(shè)備與材料

實驗設(shè)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(zhì)譜法測試重摻砷單晶的氧含量[5]。統(tǒng)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(shù)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(xué)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(yōu)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(guān)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(guān)分析數(shù)據(jù)

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(zhì)含量等條件的影響，是最直觀反映單晶優(yōu)劣的參數(shù)之一。徑向電阻率變化的優(yōu)劣，與是否為磁場拉晶及拉晶過程中的熱場變化有關(guān)。若拉晶過程中，熱場發(fā)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(dǎo)致后續(xù)芯片性能下降。從表1中可知，電阻率不均勻性與壽命相關(guān)分析為顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(dāng)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(zhì)，造成壽命降低，這會對單晶的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

一般把從晶體生長過程中產(chǎn)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(chǎn)生與晶體生長時的熱場對稱性和晶體回熔有關(guān)。依據(jù)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(shù)據(jù)間差異的大小。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，壽命獨立樣本T檢驗相關(guān)系數(shù)p值為0.081，徑向電阻率變化獨立樣本T檢驗相關(guān)系數(shù)p值為0.321，與旋渦情況的相關(guān)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(shù)據(jù)上并不能完全體現(xiàn)，單晶生長過程中旋渦缺陷的產(chǎn)生與壽命和徑向電阻率變化的變化無關(guān)。

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(shù)據(jù)

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(shù)都有嚴格的要求，各參數(shù)的優(yōu)劣都會直接影響外延的質(zhì)量和后續(xù)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(guān)系，如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，單晶段位置與氧含量顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)p=0.013*)，對比氧含量均值與單晶段位置，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)

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(guān)分析，結(jié)果顯示，徑向電阻率變化與氧含量呈顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(jù)之前的結(jié)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(dāng)單晶拉制到尾部時，隨硅熔體減少，熱場會產(chǎn)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(shù)據(jù)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(yīng)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(guān)分析數(shù)據(jù)

4 結(jié)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(guān)分析，發(fā)現(xiàn)壽命與徑向電阻率變化呈顯著負相關(guān)；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(fā)現(xiàn)旋渦情況與壽命、電阻率不均性相關(guān)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(fā)現(xiàn)單晶段位置與氧含量顯著相關(guān)；對氧含量與徑向電阻率變化雙樣本相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)氧含量與徑向電阻率變化顯著相關(guān)。該實驗結(jié)果對綜合評價單晶質(zhì)量水平、指導(dǎo)單晶制備有實際意義。