掺杂计算--理论与实践

1、Presenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.1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: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.2 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

2、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: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.3 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

3、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

4、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: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.4 电阻率电阻率P P的单晶，它的头部对应的的杂质浓度为的单晶，它的头部对应的的杂质浓度为C C头头，多晶硅原料的重，多晶硅原料的重量为量为W W，母合金的杂质浓度为，母合金的杂质浓度为C C母母，应掺母合金重量为，应掺母合金重量为M M M =WM =W* *C C头头/ /（K K* *C C母母CC头

5、头），其中，其中K K为掺杂剂原素在硅中的平衡分凝系数为掺杂剂原素在硅中的平衡分凝系数Presenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.5 单晶的型号单晶的型号（N N还是还是P P） 拉制硅单晶的目标电阻率拉制硅单晶的目标电阻率；以；以P P型为例，一般要范围为型为例，一般要范围为0.530.53，选，选 择择1.62.51.62.5的目标阻值基本不会跑阻，可根据实际情况和需要调整的目标阻值基本不会跑阻，可根据实际情况和需要调整 原料的电阻率原料的电阻率（要精确

6、）（要精确） 母合金的杂质浓度母合金的杂质浓度 所掺杂质的分凝系数所掺杂质的分凝系数 Presenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.6按照單晶型號的不同母合金主要有以下摻雜方式 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0.56cm單晶 P型高阻摻入適量的B得到0.56cm的單晶 P型低阻（小于0.5 cm）摻入適當的N型母合金 說明 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 對于第

7、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 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: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.7對于對于P型，一般要范围为型，一般要范围为0.53 cm ，那那么目標電阻率選擇什么么目標電阻率選擇什么范圍合適呢范圍合適呢摻硼摻鎵目標電阻率（ cm）頭部電阻率（ cm）為部電阻率（ cm）目標電阻率（ cm）頭部電阻率（ cm）為部電阻率（ cm）110.67110.

8、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摻硼目標電阻率一般在1.52.5 1.52.5 cm摻鎵目標電阻率一般在目標電阻率一般在2.54.5 2.54.5 cmPresenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silico

9、n Technology Inc.8105. 1171656.54110082. 11033. 1N737. 01917161058. 2110133. 110305. 1NNNZN1010242. 618P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. 3Z181010242.6ZN3232018376.019833.068157.01057501.062272.02108.20769.3yyyyyyZ16)(lgNyPresenter: C

10、ONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.9電阻率電阻率P型型N型型雜質濃度雜質濃度雜質濃度雜質濃度（ppm)雜質濃度雜質濃度雜質濃度雜質濃度（ppm)101.34E+150.0269 4.45E+140.0269 52.70E+150.0542 9.05E+140.0190 43.40E+150.0680 1.14E+150.0240 34.56E+150.0914 1.53E+150.0321 26.95E+150.1393 2.34E+150.0501 11.46E+160

11、.2923 4.86E+150.1102 0.53.21E+160.6426 1.04E+160.2405 0.12.77E+175.5488 7.84E+1617.6353 0.018.49E+18170.0645 4.53E+18100.2004 0.0011.17E+202351.0676 7.38E+191703.4068 0.0025.64E+191131.1446 3.48E+19761.5230 0.0033.62E+19725.4564 2.24E+19480.9619 Presenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/

12、18/2022Golden Silicon Technology Inc.10通過頭部電阻率來確定通過頭部電阻率來確定P型母合金摻雜量（依據曲線型母合金摻雜量（依據曲線1）對應的對應的P型頭部電阻率型頭部電阻率( cm)查表頭部雜質濃度查表頭部雜質濃度CS坩堝和系統沾污CL1101.34022E+151.68E+15目標目標P型電阻率型電阻率( cm)雜質濃度雜質濃度CS（查表）（查表）目標雜質在硅液中的濃度26.95122E+158.69E+15P型母合金電阻率型母合金電阻率( cm)母合金雜質濃度（查表）母合金雜質濃度（查表）0.0071.33905E+19裝料量（裝料量（Kg）5026.

13、19 實際摻雜量應根據實際情況進行修正一般正負10%Presenter: CONFIDENTIALQuality AssurancePrint Date: 6/18/2022Golden Silicon Technology Inc.11裝堝種類裝堝種類重量重量(Kg)電阻率電阻率( cm)雜質雜質濃度濃度計算摻入計算摻入P型母合金總量型母合金總量(g)頭尾（頭尾（P型）型）200.51.511.5043 堝底（堝底（N型）型）859.05E+14高阻多晶（高阻多晶（Kg）17母合金電阻率母合金電阻率( cm)0.0035 母合金雜質濃度母合金雜質濃度3.04E+19單晶目標電阻率單晶目標電阻率( cm)1.30 目標雜質濃度（頭目標雜質濃度（頭部部1.10E+16Presenter: CON