不同选点方案下硅单晶薄层径向电阻率变化

李万策

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

不同选点方案下硅单晶薄层径向电阻率变化

李万策

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津 300220)

影响半导器件生产的的因素有很多，而硅单晶电阻率不均匀性就是众多衡量硅材料质量参数中的一个。电阻率对后道加工器件的稳定和重复性，甚至器件的质量参数指标都有很大的关联。硅单晶电阻率均匀性的指标要求也随着半导体器件的加工日益精细化，因此，从国标中径向电阻率几种不同的选点方案入手分析几种方式的异同。

硅单晶；径向电阻率；四探针；不均匀性

被原始硅片的电阻率不均匀性所能影响的程度，在硅器件电学特性中尤其是功率器件最为明显。硅片电阻率可以由一种特殊不均匀的方式分布，对某些硅可控整流器的功率器件是可以被接受的。这种器件可由超过转折电压而导通，然而这种器件的正确导通可能被原始硅片电阻率不均匀分布妨碍。因此，影响材料而且影响器件的特性,不仅仅是微区掺杂,还有电阻率的不均匀性，因而不断地进行电阻率不均匀性的测试是很有必要的。

1 硅单晶电阻测试

1.1 微区薄层电阻测试方法种类

目前，微区测试方法的研究已经在国内和国外进行了广泛的开展，例如有克罗斯利等人和佩洛夫等人研究的测试系统，这个系统可以在整个晶片上获得薄层电阻分布。这就是被人们所熟知的MAPPING技术；这一研究工作在国内开展后也取得了不错的反响。现在主要测试方法有两种，可以按照测试类别分为两大类，即接触和无接触测试，见表1。

1.2 直线四探针测试原理

用四探针法的好处有很多，其中一个就是在于对形状没有具体要求，同时要挑选一个接近于半∞大的半导体材料进行电阻率测试。1861年时，汤姆森首次提出四探针原理并让这一方法首次进入公众视野。1920年斯伦贝榭在地球电阻率的测量中也首次应用到这一原理。

表1 微区电阻测量众多方法汇总

本文测试数据所采用四探针电阻率测试仪是由半导体材料研究所生产。此测试仪对半导体材料电阻率进行测试所使用的原理是直线四探针技术，是专业程度较高的RTS-8型电阻率测试仪。测量误差的影响因素包括但不限于温度、电流分布、探针间距、探针的游移率等，因此在进行测试时保证环境的稳定性和一致性是很有必要的。

在直线四探针技术中，四根探针通常是将探针排成一条直线并且将四根探针间距设置成相同数值（如图1所示），同时给探针施加一定程度的压力（压力值大小在国标文件上有明确范围）。探针在一定施加的压力下能够尽可能垂直地压在一块相对于探针的间距可以视为半∞大的测试样品上。放置一个高精度电压表在中间的两个探针之间，同时电流加在外侧的两个探针之间，样品的电阻率就可以根据测试两值通过计算被测量出来，也叫做Perloff法。计算电阻率推导公式如式(1)所示。

图1 直线四探针原理图

式中：ρ为被测样片电阻率；

S为探针间距；

V为机器内部测得内测探针的电压；

I为机器内部在外侧探针上施加的电流。

1.3 四探针法的弊端与优势

四探针法为接触式测量，因此有以下弊端：

（1）耗时。因为测量的时间被测量的点数制约着；

（2）污染硅片。因为四探针技术为需要在整个测试晶片上选取点位，所以不可避免地会对接触部分有所影响。同时探针在一定程度的压力挤压下也会对材料表面产生影响，硅片表面的完整性将会遭到破坏；

（3）在测试过程中，每一个点位的接触质量都会使得四探针的测试结果更为敏感，偏差可能会由于任何波动造成。

四探针法是现在半导体测试技术比较成熟而且广为大家所熟知的方法之一，硅片表面薄层电阻等值线图可以由四探针系统提供，并且具有极好的精确性和重复，当今的集成电路生产仍然是将四探针法作为主要手段，应用十分广泛。因此本文依旧选取四探针法作为测量的主要方法。

2 硅单晶薄层径向电阻率的测量

2.1 国标硅片径向电阻率变化的测量方法

依据GB/T 11073-2007中对直排四探针法径向电阻率变化测量方法的规定，国家标准共计提出了4种测量选点方案，4种选点方案根据器件不同的用途、不同的晶体拉制生长工艺、不同的掺杂剂种类以及所需要不同测量的电阻率范围而任意采用一种即可。不同的径向电阻率变化数据能通过不同的选点方案得到。选点方案如图2所示。

四种选点方案：

（1）选点方案A：属于小面积十字型，需要在测试样片上测量得到6点数据：首先在材料中心测试两次，其次在半径中点（R/2）处如图所示各测量1点。

（2）选点方案B：属于大面积十字型，需要在测试样片上测量得到6点数据，首先在材料中心点测试两次，其次在两条垂直距硅片边缘6 mm处如图所示按顺序各测量1点。

（3）选点方案C：同时兼顾小面积及大面积十字型，需要在测试材料上测量10点：首先在材料中心点测试两次，其次在两条垂直直径的半径中点（R/2）处如图所示各测量1点，最后距硅片边缘6 mm处按照顺序也需要各测量1点。

（4）选点方案D（一条直径上的密集测量法）：在硅片中心点以及中心与直径连线的一条直径上，以2 mm为间隔在尽可能以密集的方式的位置上选取更多的点位进行电阻率测试。

本文通过对比不同选点方案下，测不同拉制方式所得结果。同时对比不同选点方案所得结果，得到4种不同选点方案评判标准。

2.2 试样的选取与测量

由于在抛光面上测量电阻率会因为抛光面导电甚至表面载流子复合速率较低引起误差，因此本文所选取的样片一律按照国家标准选取使用的是硅单晶研磨片。同时兼顾单晶拉制方式，选取了2种不同拉制方式但电阻率相近的2个试样进行测试对比（见表2）。

表2 两待测试样的对比

依据国标所得两个试样的测试数据见表3、表4。其中A、B、C三种测试方案共用一组数据，D方案自用一套数据，通过不同的选点方案与计算方式的对比得出各电阻率径向变化计算的特点。

表3 A、B与C方案的取点数据

表4 D方案取点数据

选点方案D中在试样上各抽取了16点，对于本试样可以清楚地观察到直拉法（Czochralski法）电阻率在一条直径上的分布不超过2 Ω·cm，区熔法（Float-Zone法）在一条直径上的分布略大，稍微超过 5 Ω·cm，如图 3所示。

图3 两试样电阻率的分布

2.3 径向电阻率变化的计算

对于选点方式A、B和C，按照式2计算径向电阻率平均百分变化（%），按照式3计算最大百分变化（%）。式2中ρc是硅片中心点测得两次电阻率所取的平均值，ρn是硅片半径中点或距边缘6 mm测得4个电阻率平均值；式3中ρe是与中心点测试相差最大值。

对于选点方案D，按照式4计算径向电阻率最大百分变化（%），式中ρM是测得最大电阻率值，ρm是测得最小电阻率值。

表5 计算结果对比

根据上述数据按照4种选点方式计算所得结果对比见表5。

3 总 结

本文就几种不同选点方式对不同径向电阻率计算方法进行了比较，在几种径向电阻率测试方法中，选点方案C计算的最大径向电阻率变化较为严格，兼顾了A与B方案的计算特点。D方案选点方式密集，不利于生产的大规模测量但是却对硅单晶某一条直径上电阻率分布有直观地了解。

衡量硅材料质量的一个重要参数是硅单晶原始电阻率不均匀性，这个参数对半导体器件的稳定和重复性有着很大的关系，甚至对器件的质量参数指标有着举足轻重的作用。硅单晶中掺杂杂质分布的主要参数就是电阻率不均匀性，因此继续研究硅单晶的电阻率测试的特点与方法有着重要意义。

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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

李万策（1992-），男，河北衡水，助理工程师，学士学位，2015年毕业于天津大学电子科学与技术专业，现工作于中国电子科技集团公司第四十六研究所，现从事检测、质量与计量研究工作。