硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术的制作方法
【专利摘要】本发明技术提供一种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，将多晶硅在高纯石英模具中铸造成一个多晶浸溶筒，多晶硅浸溶筒上部分为一个环形的上盖，与热屏连接，下部为一个圆筒形状的浸溶部分，具有通孔。多晶硅中含有与目标成分相同的掺杂元素。多晶浸溶筒在熔体表面烘烤到1400℃以上后，在晶体等径生长过程中浸入到硅熔体中熔体，并采用振荡提高熔化均匀性，熔化量的速度与晶体的生长速度相同。浸溶筒在浸溶的过程中，进行上下的振荡，振荡使熔化均匀，同时也使熔体中的氧更加容易挥发。晶体生长过程中，硅熔体的液面保持不变，热场稳定。晶体生长后，晶体中的掺杂元素浓度在加入浸入过程后，保持相同。
【专利说明】
硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术
技术领域
[0001] 本发明涉及一种硅单晶生长中掺杂剂浓度稳定控制技术，特别涉及直拉法单晶硅 生长工艺中的原料持续加入，保持熔液中掺杂浓度恒度，从而保持硅单晶体中掺杂浓度稳 定的控制技术。
【背景技术】
[0002] 在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法(Czochralski，缩写CZ)，在直拉法 中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚(也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液 中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。
[0003] 单晶硅生长过程中，最难控制的是晶体的径向均匀性和轴向均匀性。晶体的径向 均匀性是由于单晶硅的凝固生长属于放热反应，而固体的导热远远低于液体的导热，因此 结晶界面处形成一个中心热量高于四周的环境。因此，形成一个向上凸起的界面，从而造成 了在晶片上的掺杂元素浓度不同。为了降低径向上浓度的差异，通常采用的方法有晶体旋 转和坩埚旋转来搅拌熔体，从而提高熔体的均匀性，大尺寸的单晶体采用电磁抑制技术，主 要是控制晶体中的氧浓度，电磁技术可以在4ppm范围内控制氧含量，现已成为12英寸以上 的单晶的标准配制。另外也有采用热场屏蔽技术和底部加热技术，控制凸起的界面的高度， 进而控制径向上掺杂元素的均匀性。
[0004] 相对于径向上的掺杂元素浓度分布，轴向上的浓度分布更加难以控制。这是由于 掺杂元素在液相和固相中的浓度不同，即掺杂元素存在一个分凝系数。因此，随着晶体的生 长，晶体中的掺杂元素浓度不断升高。例如，生长掺杂B为2.0 X 1014 atom/cm3的硅单晶，固 化率达到80%时，B的浓度已上升至3.0X1014 atom/cm3。一般情况下，可利用率低于60%。生 长掺杂P为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶，固化率达到55%时，P的浓度已上升至3.0X1014 atom/cm3。一般情况下，可利用率低于40%。但是如果生长掺杂Ga为2.0X 1014 atom/cm3的娃 单晶，固化率达到25%时，Ga的浓度已上升至3.0 X 1014 atom/cm3。一般情况下，可利用率低 于20%。在生长大尺寸单晶时，这种影响更加显著，利用率就可能更低，严重影响生产效率和 产品管理。而晶片一般要求掺杂元素浓度变化率小于15%。这样就形成了晶棒的实际利用率 不高，大量的晶棒需要进行分段式管理，同时造成大量的晶棒的库存。
[0005] 传统的方法中，一般有几种方法。加大投料量是最简单的方法，但是会造成较高的 材料浪费，综合利用率低。另外也有采用反向掺杂技术来进行控制，但是容易造成晶体内杂 质元素过多，晶体易于出现晶型反转现象。还有采用双层坩埚进行多次加料的方法，而这种 方法增加了熔体与石英坩埚的接触面积，熔体中的氧浓度增加较多，对产品的质量形成较 大的影响。在熔体中加入多晶硅颗粒，如果多晶硅颗粒的熔化速度低，会因为熔体的流动而 到达晶体生长界面，导致晶体中形成缺陷。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，特别涉及在熔 体中连续加入多晶硅降低掺杂元素的浓度。
[0007] 为了达到以上的目的，本发明工艺技术是通过以下方法实现:将多晶硅在高纯石 英模具中铸造成一个多晶浸溶筒1，如图1所示。多晶硅浸溶筒上部分为一个环形的上盖，与 热屏连接;下部为一个圆筒形状的浸溶部分，具有通孔，用于通过氩气和硅熔液。多晶硅中 含有与目标成分相同的掺杂元素。多晶浸溶筒在熔体表面烘烤到1400 °C以上后，在晶体等 径生长过程中浸入到硅熔体中熔体，熔化过程中采用振荡提高熔化均匀性，熔化量的速度 与晶体的生长速度相同。
[0008] 多晶浸溶筒1，上部分是一个环形的上盖2,起到控制单晶硅生长过程中氩气流向 的作用，同时也屏蔽坩埚中熔体的热量辐射，提高晶棒的冷却速度。多晶浸溶筒的下部为一 个圆筒形状的浸溶部分3，其尺寸特征为：
式中，5^为浸溶筒下部圆筒外半圆径，d为浸溶筒下部圆筒的宽度;r。为石英坩埚的半 径，rsi为石英晶体的半径，单位为_。
[0009] 多晶浸溶筒的特征在于，浸溶部分3上要具有通孔4,通孔总面积占有浸溶部分3总 面积的30%，浸溶部分3见图2侧面展开示意图所示。保证在拉晶过程中，氩气和熔体中的挥 发气体可以通过通孔4进入到尾气管路中。
[0010] 通孔4直径cU的特征为：
式中，cU为通孔4的直径，为坩埚的转速，为单晶硅的转速。
[0011]保证自然对流的硅熔液在坩埚旋转和晶棒旋转的共同作用下，可以顺利流畅地通 过通孔4流动，确保熔体温度场的要求以及多晶浸溶筒充分均匀熔化。同时也限制了热自然 对流的速度，使熔体中的氧含量易于控制。
[0012] 制备多晶浸溶筒的多晶硅，其中掺杂元素的含量与单晶硅目标含量一致。采用熔 融铸造的方式制备，模具为高纯石英玻璃或陶瓷，铸造过程中要求多晶浸溶筒整体的温度 差小于5°C。保证掺杂元素在多晶浸溶筒中均匀分布。
[0013] 浸溶筒安放的要求为：与石英坩埚和单晶硅晶棒同轴，偏心度小于0.5mm。浸溶筒 外侧面与石英坩埚的内侧面的距离为1〇_。
[0014] 浸溶筒的浸入过程的特征为，浸溶筒浸入端在浸入到硅熔体前，在距离熔体液面 5_的位置烘烤3小时以上，浸溶筒浸入端的温度大于等于1400°C。
[0015] 浸溶筒的浸入过程的特征还在于，浸溶筒浸入的时间为:在单晶硅等径过程开始 时浸入，在收尾过程开始时停止浸入。
[0016] 浸溶筒的浸入过程的特征还在于，浸入量采用重量控制，其熔化量与晶体生长量 相同，偏差小于±1%，即：
浸溶筒的浸入过程的特征还在于，浸溶筒在浸溶的过程中，进行上下的振荡，振幅为1-2mm，频率为 50-60HZ。
[0017] 振荡使熔化均匀，同时也使熔体中的氧更加容易挥发。晶体生长过程中，硅熔体的 液面保持不变，热场稳定。晶体生长后，晶体中的掺杂元素浓度在加入浸入过程后，保持相 同。
[0018] 相对于传统的单晶硅生长，本发明技术的坩埚旋转选择较高的速度，以促使浸入 的多晶硅较快的熔化。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明多晶浸溶筒安装结构剖面图。
[0020] 图2为本发明多晶浸溶筒侧面展开示意图。
【具体实施方式】
[0021] 实施例1 生长直径为51mm单晶硅，生长掺杂B为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为150mm，坩埚的转速为5 rpm，晶体的转速为16 rpm。采用熔铸方式制备掺杂B浓度为 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为130mm，宽度为15mm，通孔直径为 9.5mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1405Γ温，在等径生长开始 时浸入，多晶筒的振荡频率为50Hz，振幅为1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生 长速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段B浓度，结果为 2·0-2·03X 1014 atom/cm3，达到设计要求。
[0022] 实施例2 生长直径为51mm单晶硅，生长掺杂P为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为165mm，坩埚的转速为4 rpm，晶体的转速为16 rpm。采用熔铸方式制备掺杂P浓度为 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为145mm，宽度为17mm，通孔直径为 13mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1404Γ温，在等径生长开始时 浸入，多晶筒的振荡频率为55Hz，振幅为1.5mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生长 速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段P浓度，结果为2.0_ 2·06X10 14 atom/cm3,达到设计要求。
[0023] 实施例3 生长直径为1〇3_单晶硅，生长掺杂B为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为310mm，坩埚的转速为4 rpm，晶体的转速为12 rpm。采用熔铸方式制备掺杂B浓度为 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为290mm，宽度为31mm，通孔直径为 9.0mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1404 °C温，在等径生长开始 时浸入，多晶筒的振荡频率为50Hz，振幅为2.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生 长速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段B浓度，结果为 2·0-2·08X 1014 atom/cm3，达到设计要求。
[0024] 实施例4 生长直径为1〇3_单晶硅，生长掺杂P为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为350mm，坩埚的转速为3 rpm，晶体的转速为12 rpm。采用熔铸方式制备掺杂P浓度为 2. OX 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为330mm，宽度为37mm，通孔直径为 14mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1410°C温，在等径生长开始时 浸入，多晶筒的振荡频率为60Hz，振幅为2.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生长 速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段P浓度，结果为2.0_ 2· 1X1014 atom/cm3,达到设计要求。
[0025] 实施例5 生长直径为153_单晶硅，生长掺杂B为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为459mm，坩埚的转速为4 rpm，晶体的转速为12 rpm。采用熔铸方式制备掺杂B浓度为 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为440mm，宽度为46mm，通孔直径为 9.0mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1406 °C温，在等径生长开始 时浸入，多晶筒的振荡频率为50Hz，振幅为1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生 长速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段B浓度，结果为 2.0-2· 11 X 1014 atom/cm3,达到设计要求。
[0026] 实施例6 生长直径为153_单晶硅，生长掺杂P为2.0X1014 atom/cm3的硅单晶。采用石英坩埚的 尺寸为500mm，坩埚的转速为4 rpm，晶体的转速为16 rpm。采用熔铸方式制备掺杂P浓度为 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外径为480mm，宽度为52mm，通孔直径为 13mm。在硅熔液稳定过程中多晶筒的下端烘烤3h以上，温度为1408Γ温，在等径生长开始时 浸入，多晶筒的振荡频率为60Hz，振幅为1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度与单晶硅的生长 速度一致，偏差小于±1%，在收尾时停止浸入。晶体生长后，测量等径段P浓度，结果为2.0_ 2· 12X1014 atom/cm3,达到设计要求。
【主权项】
1. 一种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，将多晶硅在高纯石英模具中铸造成一个 多晶浸溶筒，多晶硅浸溶筒上部分为一个环形的上盖，与热屏连接，下部为一个圆筒形状的 浸溶部分，具有通孔;多晶硅中含有与目标成分相同的掺杂元素;多晶浸溶筒在熔体表面烘 烤到1400°C以上后，在晶体等径生长过程中浸入到硅熔体中熔体，熔化过程中采用振荡提 高熔化均匀性，熔化量的速度与晶体的生长速度相同。2. 根据权利要求1所述的硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，其特征在于多晶浸溶 筒1，上部分是一个环形的上盖2;多晶浸溶筒的下部为一个圆筒形状的浸溶部分3,其尺寸 特征为式(1)和式(2)所示： ⑴。10 (2) d = 03 式中，浸溶筒下部圆筒外半圆径，d为浸溶筒下部圆筒的宽度;r。为石英坩埚的半 径，rsi为石英晶体的半径，单位为_。3. 根据权利要求1至2所述的硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，多晶浸溶筒的特征 在于，浸溶部分3上要具有通孔4,通孔总面积占有浸溶部分3总面积的30%;通孔4直径Cl 1的 特征为： (3)式中，Cl1为通孔4的直径，为坩埚的转速，为单晶硅的转速。4. 一种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，其特征还在于制备多晶浸溶筒的多晶 娃，其中掺杂元素的含量与单晶娃目标含量一致。5. 采用熔融铸造的方式制备，模具为高纯石英玻璃或陶瓷，铸造过程中要求多晶浸溶 筒整体的温度差小于5 °C。6. -种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，其特征在于浸溶筒安放的要求为：与石 英坩埚和单晶硅晶棒同轴，偏心度小于0.5_; 浸溶筒外侧面与石英坩埚的内侧面的距离为IOmm;浸溶筒的浸入过程的特征为，浸溶 筒浸入端在浸入到硅熔体前，在距离熔体液面5mm的位置烘烤3小时以上，浸溶筒浸入端的 温度大于等于1400°C。7. -种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，浸溶筒的浸入过程的特征还在于，浸溶 筒浸入的时间为:在单晶硅等径过程开始时浸入，在收尾过程开始时停止浸入;浸溶筒的浸 入过程的特征还在于，浸入量采用重量控制，其熔化量与晶体生长量相同，偏差小于±1%， 即： (4： 一种硅单晶生长掺杂剂浓度稳定控制技术，浸溶筒浸入过程的特征还在于，浸溶筒在 浸溶的过程中，进行上下的振荡，振幅为l_2mm，频率为50-60HZ。
【文档编号】C30B15/20GK105887187SQ201610229174
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】张俊宝, 宋洪伟
【申请人】上海超硅半导体有限公司