硅單晶測(cè)試參數(shù)的差異分析

田原

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(duì)硅單晶質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求[1]。單晶的各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)劣，對(duì)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(huì)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(lái)越重要。然而，各種單晶參數(shù)僅被獨(dú)立地看待，并沒(méi)有對(duì)單晶各項(xiàng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

本文分別對(duì)N＜111＞輕摻P單晶和N＜111＞重?fù)紸s單晶的壽命、不均勻性、旋渦等參數(shù)進(jìn)行了差異分析，并對(duì)相關(guān)性產(chǎn)生的原因以及對(duì)單晶拉制和測(cè)試的指導(dǎo)作用進(jìn)行了說(shuō)明。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：采用4探針測(cè)試儀測(cè)試單晶的電阻率和徑向電阻率變化，采用壽命測(cè)試儀測(cè)試單晶的少子壽命，采用國(guó)標(biāo)方法測(cè)試單晶的旋渦缺陷，采用二次離子質(zhì)譜法測(cè)試重?fù)缴閱尉У难鹾縖5]。統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0軟件。

實(shí)驗(yàn)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?fù)紸s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(duì)單晶本身的缺陷和電學(xué)性能指標(biāo)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(biāo)。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(biāo)，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(chǎng)拉晶及拉晶過(guò)程中的熱場(chǎng)變化有關(guān)。若拉晶過(guò)程中，熱場(chǎng)發(fā)生變化，不僅會(huì)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(fù)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(huì)顯著降低。這也就是說(shuō)，若單晶來(lái)自同爐，當(dāng)單晶的徑向電阻率變化升高，可能會(huì)引入更多的缺陷、氧碳或雜質(zhì)，造成壽命降低，這會(huì)對(duì)單晶的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

一般把從晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷叫做生長(zhǎng)引入缺陷，可以認(rèn)為是晶體在生長(zhǎng)期間凝入晶體的點(diǎn)缺陷聚集體，或是一種在聚集體上成核生長(zhǎng)的晶體缺陷[2]。其中旋渦缺陷是單晶在生長(zhǎng)中的微缺陷聚集形成微缺陷團(tuán)，而在宏觀上呈旋渦狀分布。旋渦缺陷的存在，對(duì)器件的性能有較大影響，是單晶必須嚴(yán)格杜絕的缺陷。旋渦缺陷的產(chǎn)生與晶體生長(zhǎng)時(shí)的熱場(chǎng)對(duì)稱性和晶體回熔有關(guān)。依據(jù)晶體有無(wú)旋渦的情況，對(duì)單晶的壽命和徑向電阻率變化進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，如表2所示，其中t值用來(lái)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(dú)立樣本T檢驗(yàn)相關(guān)系數(shù)p值為0.081，徑向電阻率變化獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)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(shuō)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(zhǎng)過(guò)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(wú)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(dú)立樣本T檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 N<111>重?fù)缴閱尉У牟町惙治?/h2>

N＜111＞重?fù)缴閱尉?，作為硅外延片的原材料，?duì)其徑向電阻率變化、氧碳硼磷含量、旋渦等測(cè)試參數(shù)都有嚴(yán)格的要求，各參數(shù)的優(yōu)劣都會(huì)直接影響外延的質(zhì)量和后續(xù)器件的性能。對(duì)重?fù)缴閱尉У膹较螂娮杪首兓?、氧含量和單晶段位置進(jìn)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(zhǎng)4段，從頭部到尾部分別用I、II、III、IV標(biāo)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(duì)比氧含量均值與單晶段位置，發(fā)現(xiàn)隨單晶的生長(zhǎng)，氧含量逐步降低。也就是說(shuō)，單晶制備時(shí)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(dá)標(biāo)。

表3 重?fù)缴閱尉尉Ф挝恢门c氧含量的卡方檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)重?fù)缴閱尉У难鹾颗c徑向電阻率變化進(jìn)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(fù)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(huì)在單晶的頭部最高，隨單晶生長(zhǎng)而逐步降低。而當(dāng)單晶拉制到尾部時(shí)，隨硅熔體減少，熱場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化造成不均勻性的變化，而此時(shí)恰好氧含量逐步降低。這一數(shù)據(jù)也說(shuō)明，用于測(cè)試的單晶在單晶尾部，熱場(chǎng)控制較差，針對(duì)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?fù)缴閱尉а鹾颗c徑向電阻率變化雙樣本相關(guān)分析數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)N＜111＞輕摻P單晶，進(jìn)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(fù)相關(guān)；并進(jìn)行了壽命、徑向電阻率變化與旋渦情況的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，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(duì)N＜111＞重?fù)紸s單晶進(jìn)行了單晶段位置與氧含量的卡方檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單晶段位置與氧含量顯著相關(guān)；對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)綜合評(píng)價(jià)單晶質(zhì)量水平、指導(dǎo)單晶制備有實(shí)際意義。