掺杂计算--理论与实践..

Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.1什么是拉單晶摻雜劑--母合金﹖所谓“母合金”就是杂质元素与硅的合金，常用的母合金有硅磷和硅硼两种，杂质浓度是10的-2次方和10的-3次方Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.2為什么拉單晶需要摻雜劑（母合金）﹖■采用“母合金”作为掺杂剂是为了使掺杂量容易控制、更准确■掺杂的目的主要是用来改变硅熔体中施主杂质（如磷）或受主杂质（如硼）的杂质浓度，使其生长出的单晶电阻率达到规定的要■硅单晶N型掺杂剂：五族元素，主要有磷、砷、锑■硅单晶P型掺杂剂：三族元素，主要有硼、铝、镓■拉制电阻率低的硅单晶，一般用纯元素作掺杂剂■拉制电阻率高的硅单晶则采用母合金作为掺杂剂Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.3影响掺杂的几个因素■杂质的蒸发﹕无论液体或熔体在合适的温度下，溶剂和溶质总是要蒸发，特别是在真空下尤为显著，因此蒸发必定影响溶质在溶液的分布和溶液的杂质浓度，具体的公式非常复杂，我们需要知道的是杂质蒸发同蒸发表面积、杂质的蒸发速度常数、蒸发的时间几个要素有关。■杂质的分凝效应﹕熔体的各部分的杂质浓度相同，若进行极其缓慢的所谓平衡冷却，这样固液两相内部杂质原子会通过扩散调整它们之间的浓度，实际上熔体不可能实现平衡冷却，总有一定的冷却速度，由于固相中杂质原子扩散速度很小，浓度调整缓慢，先凝固的与后凝固的固相杂质浓度不同，因此晶体中各处杂质浓度不再均匀分布，这种由于杂质偏析引起的分凝现象叫分凝效应。不同的杂质在熔硅中分凝系数是不同的，熔体结晶时杂质分凝效应使单晶中杂质分布不匀这是它的不利方面，但另一方面可利用杂质的分凝效应使杂质集中在单晶的头部或尾部，达到提纯的目的。■拉制单晶过程中硼的滲入﹕由于石英坩埚的纯度远远小于多晶硅的纯度，在硅单晶拉制过程中石英坩埚P型杂质（主要是硼）不断溶入熔硅，改变熔硅的杂质浓度。Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.4母合金掺杂的计算方法■电阻率P的单晶，它的头部对应的的杂质浓度为C头，多晶硅原料的重量为W，母合金的杂质浓度为C母，应掺母合金重量为M■M=W*C头/（K*C母—C头），其中K为掺杂剂原素在硅中的平衡分凝系数Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.5掺杂的几个重要参数■单晶的型号（N还是P）■拉制硅单晶的目标电阻率；以P型为例，一般要范围为0.5~3，选择1.6~2.5的目标阻值基本不会跑阻，可根据实际情况和需要调整■原料的电阻率（要精确）■母合金的杂质浓度■所掺杂质的分凝系数Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.6單晶型號對摻雜的影響按照單晶型號的不同﹐母合金主要有以下摻雜方式﹕1.N型高阻﹕P型母合金摻雜量有兩部分﹐一部分用來補償N型﹐另一部分將補償后的單晶看稱高阻得到0.5~6Ω․cm單晶2.P型高阻﹕摻入適量的B得到0.5~6Ω․cm的單晶3.P型低阻（小于0.5Ω․cm）﹕摻入適當的N型母合金說明﹕1.通常第一和第二種摻雜方式較常見﹐結合理論計算和實際經驗﹐可以得到要求的阻值的單晶2.對于第三種情形﹐摻入N型母合金后﹐晶體后段會發生轉型﹐摻入量不合適的話會嚴重影響成品率3.目前﹐我們對第三種摻雜方式積累了一定的經驗﹐以下是得到的晶棒的測試結果Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.7目标电阻率對拉制單晶的影響對于P型，一般要范围为0.5~3Ω․cm，那么﹐目標電阻率選擇什么范圍合適呢﹖摻硼摻鎵目標電阻率（Ω․cm）頭部電阻率（Ω․cm）為部電阻率（Ω․cm）目標電阻率（Ω․cm）頭部電阻率（Ω․cm）為部電阻率（Ω․cm）110.67110.161.51.511.51.50.21221.32220.272.52.51.642.52.50.33331.96330.383.53.52.273.53.50.44442.59440.494.54.52.94.54.50.54553.22550.65.55.53.535.55.50.65663.85660.7摻硼﹐目標電阻率一般在1.5~2.5Ω․cm﹔摻鎵﹐目標電阻率一般在2.5~4.5Ω․cmPresenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.8電阻率與雜質濃度之間的關系105.1171656.54110082.11033.1N737.01917161058.2110133.110305.1NNNZN1010242.618•P型電阻率和雜質濃度關系•N型電阻率和雜質濃度關系3232)(lg041833.0)(lg38755.0lg0265.11)(lg13923.0)(lg2196.1lg2626.31083.3Z'181010242.6ZN3232018376.019833.068157.01057501.062272.02108.20769.3'yyyyyyZ16)(lgNyPresenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.9不同電阻率對應的雜質濃度電阻率P型N型雜質濃度雜質濃度（ppm)雜質濃度雜質濃度（ppm)101.34E+150.02694.45E+140.026952.70E+150.05429.05E+140.019043.40E+150.06801.14E+150.024034.56E+150.09141.53E+150.032126.95E+150.13932.34E+150.050111.46E+160.29234.86E+150.11020.53.21E+160.64261.04E+160.24050.12.77E+175.54887.84E+1617.63530.018.49E+18170.06454.53E+18100.20040.0011.17E+202351.06767.38E+191703.40680.0025.64E+191131.14463.48E+19761.52300.0033.62E+19725.45642.24E+19480.9619Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.10摻硼母合金例一通過頭部電阻率來確定P型母合金摻雜量（依據曲線1）對應的P型頭部電阻率ρ(Ω․cm)查表頭部雜質濃度CS坩堝和系統沾污CL1101.34022E+151.68E+15目標P型電阻率(Ω․cm)雜質濃度CS（查表）目標雜質在硅液中的濃度26.95122E+158.69E+15P型母合金電阻率(Ω․cm)母合金雜質濃度（查表）0.0071.33905E+19裝料量（Kg）5026.19實際摻雜量應根據實際情況進行修正﹐一般正負10%Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.11摻硼母合金例二（多種料源）裝堝種類重量(Kg)電阻率(Ω․cm)雜質濃度計算摻入P型母合金總量(g)頭尾（P型）200.5~1.511.5043堝底（N型）859.05E+14高阻多晶（Kg）17母合金電阻率(Ω․cm)0.0035母合金雜質濃度3.04E+19單晶目標電阻率(Ω․cm)1.30目標雜質濃度（頭部1.10E+16Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.12針對新進多晶硅原料的硼母合金摻雜方式•拉晶流程•母合金摻雜流程Presenter:CONFIDENTIALQualityAssurancePrintDate:2-Apr-20GoldenSiliconTechnologyInc.13關于5N左右硅料的屬性•根據B﹑P含量進行選料的原則