不同選點方案下硅單晶薄層徑向電阻率變化

李萬策

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

不同選點方案下硅單晶薄層徑向電阻率變化

李萬策

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

影響半導器件生產的的因素有很多，而硅單晶電阻率不均勻性就是眾多衡量硅材料質量參數中的一個。電阻率對后道加工器件的穩定和重復性，甚至器件的質量參數指標都有很大的關聯。硅單晶電阻率均勻性的指標要求也隨著半導體器件的加工日益精細化，因此，從國標中徑向電阻率幾種不同的選點方案入手分析幾種方式的異同。

硅單晶；徑向電阻率；四探針；不均勻性

被原始硅片的電阻率不均勻性所能影響的程度，在硅器件電學特性中尤其是功率器件最為明顯。硅片電阻率可以由一種特殊不均勻的方式分布，對某些硅可控整流器的功率器件是可以被接受的。這種器件可由超過轉折電壓而導通，然而這種器件的正確導通可能被原始硅片電阻率不均勻分布妨礙。因此，影響材料而且影響器件的特性,不僅僅是微區摻雜,還有電阻率的不均勻性，因而不斷地進行電阻率不均勻性的測試是很有必要的。

1 硅單晶電阻測試

1.1 微區薄層電阻測試方法種類

目前，微區測試方法的研究已經在國內和國外進行了廣泛的開展，例如有克羅斯利等人和佩洛夫等人研究的測試系統，這個系統可以在整個晶片上獲得薄層電阻分布。這就是被人們所熟知的MAPPING技術；這一研究工作在國內開展后也取得了不錯的反響。現在主要測試方法有兩種，可以按照測試類別分為兩大類，即接觸和無接觸測試，見表1。

1.2 直線四探針測試原理

用四探針法的好處有很多，其中一個就是在于對形狀沒有具體要求，同時要挑選一個接近于半∞大的半導體材料進行電阻率測試。1861年時，湯姆森首次提出四探針原理并讓這一方法首次進入公眾視野。1920年斯倫貝榭在地球電阻率的測量中也首次應用到這一原理。

表1 微區電阻測量眾多方法匯總

本文測試數據所采用四探針電阻率測試儀是由半導體材料研究所生產。此測試儀對半導體材料電阻率進行測試所使用的原理是直線四探針技術，是專業程度較高的RTS-8型電阻率測試儀。測量誤差的影響因素包括但不限于溫度、電流分布、探針間距、探針的游移率等，因此在進行測試時保證環境的穩定性和一致性是很有必要的。

在直線四探針技術中，四根探針通常是將探針排成一條直線并且將四根探針間距設置成相同數值（如圖1所示），同時給探針施加一定程度的壓力（壓力值大小在國標文件上有明確范圍）。探針在一定施加的壓力下能夠盡可能垂直地壓在一塊相對于探針的間距可以視為半∞大的測試樣品上。放置一個高精度電壓表在中間的兩個探針之間，同時電流加在外側的兩個探針之間，樣品的電阻率就可以根據測試兩值通過計算被測量出來，也叫做Perloff法。計算電阻率推導公式如式(1)所示。

圖1 直線四探針原理圖

式中：ρ為被測樣片電阻率；

S為探針間距；

V為機器內部測得內測探針的電壓；

I為機器內部在外側探針上施加的電流。

1.3 四探針法的弊端與優勢

四探針法為接觸式測量，因此有以下弊端：

（1）耗時。因為測量的時間被測量的點數制約著；

（2）污染硅片。因為四探針技術為需要在整個測試晶片上選取點位，所以不可避免地會對接觸部分有所影響。同時探針在一定程度的壓力擠壓下也會對材料表面產生影響，硅片表面的完整性將會遭到破壞；

（3）在測試過程中，每一個點位的接觸質量都會使得四探針的測試結果更為敏感，偏差可能會由于任何波動造成。

四探針法是現在半導體測試技術比較成熟而且廣為大家所熟知的方法之一，硅片表面薄層電阻等值線圖可以由四探針系統提供，并且具有極好的精確性和重復，當今的集成電路生產仍然是將四探針法作為主要手段，應用十分廣泛。因此本文依舊選取四探針法作為測量的主要方法。

2 硅單晶薄層徑向電阻率的測量

2.1 國標硅片徑向電阻率變化的測量方法

依據GB/T 11073-2007中對直排四探針法徑向電阻率變化測量方法的規定，國家標準共計提出了4種測量選點方案，4種選點方案根據器件不同的用途、不同的晶體拉制生長工藝、不同的摻雜劑種類以及所需要不同測量的電阻率范圍而任意采用一種即可。不同的徑向電阻率變化數據能通過不同的選點方案得到。選點方案如圖2所示。

四種選點方案：

（1）選點方案A：屬于小面積十字型，需要在測試樣片上測量得到6點數據：首先在材料中心測試兩次，其次在半徑中點（R/2）處如圖所示各測量1點。

（2）選點方案B：屬于大面積十字型，需要在測試樣片上測量得到6點數據，首先在材料中心點測試兩次，其次在兩條垂直距硅片邊緣6 mm處如圖所示按順序各測量1點。

（3）選點方案C：同時兼顧小面積及大面積十字型，需要在測試材料上測量10點：首先在材料中心點測試兩次，其次在兩條垂直直徑的半徑中點（R/2）處如圖所示各測量1點，最后距硅片邊緣6 mm處按照順序也需要各測量1點。

（4）選點方案D（一條直徑上的密集測量法）：在硅片中心點以及中心與直徑連線的一條直徑上，以2 mm為間隔在盡可能以密集的方式的位置上選取更多的點位進行電阻率測試。

本文通過對比不同選點方案下，測不同拉制方式所得結果。同時對比不同選點方案所得結果，得到4種不同選點方案評判標準。

2.2 試樣的選取與測量

由于在拋光面上測量電阻率會因為拋光面導電甚至表面載流子復合速率較低引起誤差，因此本文所選取的樣片一律按照國家標準選取使用的是硅單晶研磨片。同時兼顧單晶拉制方式，選取了2種不同拉制方式但電阻率相近的2個試樣進行測試對比（見表2）。

表2 兩待測試樣的對比

依據國標所得兩個試樣的測試數據見表3、表4。其中A、B、C三種測試方案共用一組數據，D方案自用一套數據，通過不同的選點方案與計算方式的對比得出各電阻率徑向變化計算的特點。

表3 A、B與C方案的取點數據

表4 D方案取點數據

選點方案D中在試樣上各抽取了16點，對于本試樣可以清楚地觀察到直拉法（Czochralski法）電阻率在一條直徑上的分布不超過2 Ω·cm，區熔法（Float-Zone法）在一條直徑上的分布略大，稍微超過 5 Ω·cm，如圖 3所示。

圖3 兩試樣電阻率的分布

2.3 徑向電阻率變化的計算

對于選點方式A、B和C，按照式2計算徑向電阻率平均百分變化（%），按照式3計算最大百分變化（%）。式2中ρc是硅片中心點測得兩次電阻率所取的平均值，ρn是硅片半徑中點或距邊緣6 mm測得4個電阻率平均值；式3中ρe是與中心點測試相差最大值。

對于選點方案D，按照式4計算徑向電阻率最大百分變化（%），式中ρM是測得最大電阻率值，ρm是測得最小電阻率值。

表5 計算結果對比

根據上述數據按照4種選點方式計算所得結果對比見表5。

3 總 結

本文就幾種不同選點方式對不同徑向電阻率計算方法進行了比較，在幾種徑向電阻率測試方法中，選點方案C計算的最大徑向電阻率變化較為嚴格，兼顧了A與B方案的計算特點。D方案選點方式密集，不利于生產的大規模測量但是卻對硅單晶某一條直徑上電阻率分布有直觀地了解。

衡量硅材料質量的一個重要參數是硅單晶原始電阻率不均勻性，這個參數對半導體器件的穩定和重復性有著很大的關系，甚至對器件的質量參數指標有著舉足輕重的作用。硅單晶中摻雜雜質分布的主要參數就是電阻率不均勻性，因此繼續研究硅單晶的電阻率測試的特點與方法有著重要意義。

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Radial Resistivity of Silicon Single Crystal Layer under Different Selection

LI Wance

(The 46thResearch Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

There are many factors that affect the production of semi-conductor devices，and silicon single crystal resistivity heterogeneity is a measure of silicon material quality parameters.The resistivity has a great correlation with the stability and repeatability of the post-processing device，and even the quality parameters of the device.Silicon single crystal resistivity uniformity of the index requirements also with the semi-conductor device processing increasingly refined more and more high，this paper from the national standard in the radial resistivity of several different options to start the analysis of several ways similarities and differences.

Silicon single crystal；Radial resistivity；Four probes；Inhomogeneity

TN307

B

1004-4507(2017)06-0024-05

2017-07-26

李萬策（1992-），男，河北衡水，助理工程師，學士學位，2015年畢業于天津大學電子科學與技術專業，現工作于中國電子科技集團公司第四十六研究所，現從事檢測、質量與計量研究工作。