一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法

专利名称：一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法
技术领域：
本发明涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种基于掺氮籽晶生长无 位错硅单晶的技术。
背景技术：
在集成电路和太阳能光伏产业中，通常需要使用Dash缩颈工艺来生 长无位错的直拉硅单晶。在硅单晶生长过程中，Dash缩颈工艺发生在将 高纯多晶硅原料和各种掺杂剂(如硼、磷、砷、锑等)放入石英坩埚化料 并利用具有一定晶向的籽晶作为种子进行引晶之后。
使用Dash缩颈工艺的目的是消除在籽晶与融硅液面接触时因热冲击 产生的位错。它是通过缩小硅单晶的直径(一般要求在5毫米以下)，保 持一定的生长速率生长大于10厘米以上的细晶来消除热冲击位错。其机 理是控制硅单晶中位错的生成速率小于单晶生长速率，使位错排出晶体。 然后放肩到所需要的尺寸，进行等径生长，生长无位错单晶。很显然，Dash 缩颈工艺是生长无位错硅单晶的关键，但它必然要消耗一定的人力和物力 资源。
另一方面，随着大规模集成电路和太阳能光伏产业的快速发展，所需 硅单晶直径逐渐增大。当前集成电路用直拉硅单晶的直径已达300毫米， 在未来几年所需硅单晶直径需增大到450毫米。然而随着硅单晶直径的增 大必然导致硅单晶锭的体积和重量的大幅度增加。目前300毫米直径的硅 单晶质量已达200公斤，而450毫米直径的硅单晶质量将超过400公斤。 所以，采用传统Dash缩颈工艺生长的细颈很难承受这么大的重量，容易 断裂。因而，Dash缩颈工艺会在未来大直径硅单晶的生长中面临巨大挑 战。
1999年，日本人干川发现重掺硼籽晶可以抑制引晶时引起的热冲击位 错，并在此基础提出无Dash缩颈的硅单晶生长的新概念。这种方法不但 可以节省在缩颈过程所耗费的人力、物力，而且由于承受晶体重量的籽晶直径远远大于Dash细颈的直径，可用于未来大直径直拉硅单晶的生长。 但是，重掺硼籽晶中高浓度的硼会造成晶格畸变，导致在在非Dash缩颈 法生长硅单晶过程中失配位错的产生。并将额外的硼引入晶体中，影响了 轻掺p型硅单晶中电阻率的精确控制和对n型硅单晶产生杂质补偿效应， 这是重掺硼籽晶实际应用中的局限性。

发明内容
本发明提供了 一种基于掺氮籽晶生长无位错硅单晶的方法，它不仅能 够采用非DASH缩颈法生长无位错硅单晶，而且解决了^l参硼籽晶引起失配 位错和将额外的硼引入硅单晶中的问题。
一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法，包括以下步骤
(1) 将硅原料熔化，得到熔融硅；
(2) 将掺氮籽晶以不大于lmm/min速度靠近熔融硅，小于lmm/min 的速率可以尽量减少热冲击位错的产生，与熔融硅液面接触后提升掺氮籽 晶, 生长硅单 晶。
所述的掺氮籽晶的氮浓度为1 x 1014 - 5xlO"cm-3。
掺氮籽晶可以通过常规的籽晶制造方法获得，如在引晶前将熔融硅 处于在氮气保护条件下30min ~ 5h或者往熔融硅中掺杂氮化硅粉末，然后 将通过直拉法生长获得的硅单晶切割成截面为圆形或正方形的柱体，圆形 的直径或者正方形的边长为6~20mm;最后将切割后的硅单晶浸入重量 比为1 ~ 10: 1的HF和HN03的混合溶液中腐蚀1 ~ 30分钟，去除表面划 痕。
在掺氮籽晶与熔融硅液面接触后，以不小于lmm/min的速度下降， 回熔不大于10mm的掺氮籽晶。然后提升掺氮籽晶。因为掺氮冲予晶中的 氮对位错有很强的定杂作用，通过回熔的方法很容易消除由于热冲击产生 的位错。
因为位错在掺氮籽晶中的滑移速度基本在lmm/min以下，所以以不 小于lmm/min的速度下降籽晶可以通过回熔完全消除位错。而在普通籽 晶中位错滑移速度要远远大于lmm/min。
因为位错在掺氮籽晶中的的滑移长度基本在10mm以下，所以回'溶 的长度控制在小于10mm。所述的硅原料熔化后加入掺杂剂与其混熔。通过掺杂可以制得电阻
率小于500Q.cm的硅单晶，掺杂剂可以选用硼、铝、镓、铟、磷、砷和锑 中的一种。
本发明方法生长硅单晶未采用DASH缩颈工艺，简化了工序，节约 了生产成本；本发明采用掺氮籽晶进行引晶，掺氮籽晶中氮的浓度在 lxl0"-5xl0'W3,不会引起籽晶明显的晶格畸变，因此在引晶过程中也 不会引入失配位错；而且氮在硅中不是电活性掺杂剂，从籽晶引入到硅单 晶中的氮不会造成硅单晶电阻率难以精确控制的问题。


图1为本发明方法各步骤示意图2为利用三种籽晶生长获得的硅单晶的X射线形貌图；(a)为利用 普通籽晶生长的硅单晶的X射线形貌图；(b)为利用重摻硼籽晶生长的硅 单晶的X射线形貌图；(c)为利用掺氮籽晶生长的硅单晶的X射线形貌图。
图3为另一实施例中利用三种籽晶生长获得的硅单晶的X射线形貌 图；(a)为利用普通籽晶生长的硅单晶的X射线形貌图；(b)为利用重掺 硼籽晶生长的硅单晶的X射线形貌图；(c)为利用掺氮籽晶生长的硅单 晶的X射线形貌图。
具体实施例方式
实施例1
通过传统直拉法生长三根分别为掺氮、重掺硼和无掺杂的硅单晶，其 中掺氮硅单晶的目标氮浓度为lxl015cm-3,重掺硼硅单晶的目标硼浓度为 5xl018cm-3，三根硅单晶经切割后形成截面为正方形(边长7mm)的柱体 且均无位错，然后浸入重量比为2:1的HF和HN03的混合溶液中腐蚀 10min，制得三种籽晶。
选用3英寸的硅单生长炉，将2kg硅原料投入直径为180mm的石英 坩埚中熔化，得到熔融硅；将籽晶以0.5mm/min的速率下降靠近熔融硅； 当籽晶与熔融硅液面接触时，以2mm/min的速率下降，回熔籽晶2mm后 提升籽晶，放肩和等径生长硅单晶。硅单晶生长过程中坩埚转速和籽晶转速分别控制在10rpm和-20rpm。三种^fr晶均采用上述方法生长^ 圭单晶。
用X射线形貌术(XRT)观测生长得到的硅单晶与籽晶的界面，具体 结果如图2所示
图中的白色箭头表示籽晶和生长获得的硅单晶的界面，普通籽晶引晶 后产生了大量由于热冲击造成的位错，并且这些位错在硅单晶生长过程中 大范围传播和增殖，使得生长获得的硅单晶存在大量位错。
重掺硼籽晶在引晶后虽然没有由于热冲击产生位错，但硅单晶在生长 过程中产生了大量的失配位错，因此利用重掺硼籽晶也无法生长得到无位 错的硅单晶。
掺氮籽晶引晶过后没有产生由于热冲击造成的位错，也没有在生长获 得的硅单晶中找到任何失配位错，说明本发明方法生产无位错的硅单晶是 切实可4亍的。
实施例2
通过传统直拉法生长三根分别为掺氮、重掺硼和无掺杂的硅单晶，其 中掺氮硅单晶的目标氮浓度为4x10 15cm-3,重掺硼硅单晶的目标硼浓度为 2 xlo19cm-3，三根硅单晶经切割后形成截面为正方形(边长7mm)的柱体 且均无位错，然后浸入重量比为2:1的HF和HN03的混合溶液中腐蚀 10min，制得三种籽晶。
选用3英寸的硅单生长炉，将2kg硅原料和lmg的硼颗粒投入直径为 180mm的石英坩埚中熔化，得到熔融硅；将籽晶以lmm/min的速率下降 靠近熔融硅；当籽晶与熔融硅液面接触时，以3mm/min的速率下降，回 熔籽晶lmm后提升籽晶，放肩和等径生长硅单晶。硅单晶生长过程中坩 埚转速和籽晶转速分別控制在10rpm和-20rpm。三种籽晶均采用上述方法 生长硅单晶。
同样用X射线形貌术(XRT)观测生长得到的硅单晶与籽晶的界面， 具体结果如图3所示
普通籽晶引晶后产生了大量由于热冲击造成的位错，并且这些位错在 硅单晶生长过程中大范围传播和增殖，使得生长获得的硅单晶存在大量位错。
重掺硼籽晶在引晶后虽然没有由于热冲击产生位错，但硅单晶在生长过程中同样产生了大量的失配位错。
掺氮籽晶引晶过后没有产生由于热冲击造成的位4晉，也没有在生长获 得的硅单晶中找到任何失配位错，再次说明本发明方法生产无位错的硅单 晶是切实可行的。
权利要求
1、一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法，包括以下步骤(1)将硅原料熔化，得到熔融硅；(2)将掺氮籽晶以不大于1mm/min速度靠近熔融硅，与熔融硅液面接触后提升掺氮籽晶，生长硅单晶；所述的掺氮籽晶的氮浓度为1×1014～5×1015cm-3。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述的掺氮籽晶与熔 融石圭液面4妾触后，以不小于lmm/min的速度下降，回熔不大于10mm的 掺氮籽晶后提升掺氮籽晶。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的硅原料熔化后 加入掺杂剂与其混熔。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的掺杂剂为硼、 铝、镓、铟、磷、砷和锑中的一种。
全文摘要
本发明公开了一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法，包括以下步骤(1)将硅原料熔化，得到熔融硅；(2)将掺氮籽晶以不大于1mm/min速度靠近熔融硅，与熔融硅液面接触后提升掺氮籽晶，生长硅单晶；掺氮籽晶的氮浓度为1×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3。本发明方法生长硅单晶未采用DASH缩颈工艺，简化了工序，节约了生产成本。本发明方法采用掺氮籽晶进行引晶，掺氮籽晶中氮的浓度在1×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，不会引起籽晶明显的晶格畸变，因此在引晶过程中也不会引入失配位错；而且氮在硅中不是电活性掺杂剂，从籽晶引入到硅单晶中的氮不会造成硅单晶电阻率难以精确控制的缺陷。
文档编号C30B29/06GK101555621SQ20091009880
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者余学功, 杨德仁 申请人:浙江大学