硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術的制作方法
【專利摘要】本發明技術提供一種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，將多晶硅在高純石英模具中鑄造成一個多晶浸溶筒，多晶硅浸溶筒上部分為一個環形的上蓋，與熱屏連接，下部為一個圓筒形狀的浸溶部分，具有通孔。多晶硅中含有與目標成分相同的摻雜元素。多晶浸溶筒在熔體表面烘烤到1400℃以上后，在晶體等徑生長過程中浸入到硅熔體中熔體，并采用振蕩提高熔化均勻性，熔化量的速度與晶體的生長速度相同。浸溶筒在浸溶的過程中，進行上下的振蕩，振蕩使熔化均勻，同時也使熔體中的氧更加容易揮發。晶體生長過程中，硅熔體的液面保持不變，熱場穩定。晶體生長后，晶體中的摻雜元素濃度在加入浸入過程后，保持相同。
【專利說明】
硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術
技術領域
[0001] 本發明涉及一種硅單晶生長中摻雜劑濃度穩定控制技術，特別涉及直拉法單晶硅 生長工藝中的原料持續加入，保持熔液中摻雜濃度恒度，從而保持硅單晶體中摻雜濃度穩 定的控制技術。
【背景技術】
[0002] 在單晶硅的制造工藝中，最常使用的是直拉法(Czochralski，縮寫CZ)，在直拉法 中，多晶硅是填充在石英玻璃坩堝(也稱石英坩堝）中，然后加熱熔融形成硅熔液，在硅熔液 中浸入籽晶后向上旋轉提拉，硅在籽晶與熔溶液的界面處凝固結晶，形成單晶硅錠。
[0003] 單晶硅生長過程中，最難控制的是晶體的徑向均勻性和軸向均勻性。晶體的徑向 均勻性是由于單晶硅的凝固生長屬于放熱反應，而固體的導熱遠遠低于液體的導熱，因此 結晶界面處形成一個中心熱量高于四周的環境。因此，形成一個向上凸起的界面，從而造成 了在晶片上的摻雜元素濃度不同。為了降低徑向上濃度的差異，通常采用的方法有晶體旋 轉和坩堝旋轉來攪拌熔體，從而提高熔體的均勻性，大尺寸的單晶體采用電磁抑制技術，主 要是控制晶體中的氧濃度，電磁技術可以在4ppm范圍內控制氧含量，現已成為12英寸以上 的單晶的標準配制。另外也有采用熱場屏蔽技術和底部加熱技術，控制凸起的界面的高度， 進而控制徑向上摻雜元素的均勻性。
[0004] 相對于徑向上的摻雜元素濃度分布，軸向上的濃度分布更加難以控制。這是由于 摻雜元素在液相和固相中的濃度不同，即摻雜元素存在一個分凝系數。因此，隨著晶體的生 長，晶體中的摻雜元素濃度不斷升高。例如，生長摻雜B為2.0 X 1014 atom/cm3的硅單晶，固 化率達到80%時，B的濃度已上升至3.0X1014 atom/cm3。一般情況下，可利用率低于60%。生 長摻雜P為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶，固化率達到55%時，P的濃度已上升至3.0X1014 atom/cm3。一般情況下，可利用率低于40%。但是如果生長摻雜Ga為2.0X 1014 atom/cm3的娃 單晶，固化率達到25%時，Ga的濃度已上升至3.0 X 1014 atom/cm3。一般情況下，可利用率低 于20%。在生長大尺寸單晶時，這種影響更加顯著，利用率就可能更低，嚴重影響生產效率和 產品管理。而晶片一般要求摻雜元素濃度變化率小于15%。這樣就形成了晶棒的實際利用率 不高，大量的晶棒需要進行分段式管理，同時造成大量的晶棒的庫存。
[0005] 傳統的方法中，一般有幾種方法。加大投料量是最簡單的方法，但是會造成較高的 材料浪費，綜合利用率低。另外也有采用反向摻雜技術來進行控制，但是容易造成晶體內雜 質元素過多，晶體易于出現晶型反轉現象。還有采用雙層坩堝進行多次加料的方法，而這種 方法增加了熔體與石英坩堝的接觸面積，熔體中的氧濃度增加較多，對產品的質量形成較 大的影響。在熔體中加入多晶硅顆粒，如果多晶硅顆粒的熔化速度低，會因為熔體的流動而 到達晶體生長界面，導致晶體中形成缺陷。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，特別涉及在熔 體中連續加入多晶硅降低摻雜元素的濃度。
[0007] 為了達到以上的目的，本發明工藝技術是通過以下方法實現:將多晶硅在高純石 英模具中鑄造成一個多晶浸溶筒1，如圖1所示。多晶硅浸溶筒上部分為一個環形的上蓋，與 熱屏連接;下部為一個圓筒形狀的浸溶部分，具有通孔，用于通過氬氣和硅熔液。多晶硅中 含有與目標成分相同的摻雜元素。多晶浸溶筒在熔體表面烘烤到1400 °C以上后，在晶體等 徑生長過程中浸入到硅熔體中熔體，熔化過程中采用振蕩提高熔化均勻性，熔化量的速度 與晶體的生長速度相同。
[0008] 多晶浸溶筒1，上部分是一個環形的上蓋2,起到控制單晶硅生長過程中氬氣流向 的作用，同時也屏蔽坩堝中熔體的熱量輻射，提高晶棒的冷卻速度。多晶浸溶筒的下部為一 個圓筒形狀的浸溶部分3，其尺寸特征為：
式中，5^為浸溶筒下部圓筒外半圓徑，d為浸溶筒下部圓筒的寬度;r。為石英坩堝的半 徑，rsi為石英晶體的半徑，單位為_。
[0009] 多晶浸溶筒的特征在于，浸溶部分3上要具有通孔4,通孔總面積占有浸溶部分3總 面積的30%，浸溶部分3見圖2側面展開示意圖所示。保證在拉晶過程中，氬氣和熔體中的揮 發氣體可以通過通孔4進入到尾氣管路中。
[0010] 通孔4直徑cU的特征為：
式中，cU為通孔4的直徑，為坩堝的轉速，為單晶硅的轉速。
[0011]保證自然對流的硅熔液在坩堝旋轉和晶棒旋轉的共同作用下，可以順利流暢地通 過通孔4流動，確保熔體溫度場的要求以及多晶浸溶筒充分均勻熔化。同時也限制了熱自然 對流的速度，使熔體中的氧含量易于控制。
[0012] 制備多晶浸溶筒的多晶硅，其中摻雜元素的含量與單晶硅目標含量一致。采用熔 融鑄造的方式制備，模具為高純石英玻璃或陶瓷，鑄造過程中要求多晶浸溶筒整體的溫度 差小于5°C。保證摻雜元素在多晶浸溶筒中均勻分布。
[0013] 浸溶筒安放的要求為：與石英坩堝和單晶硅晶棒同軸，偏心度小于0.5mm。浸溶筒 外側面與石英坩堝的內側面的距離為1〇_。
[0014] 浸溶筒的浸入過程的特征為，浸溶筒浸入端在浸入到硅熔體前，在距離熔體液面 5_的位置烘烤3小時以上，浸溶筒浸入端的溫度大于等于1400°C。
[0015] 浸溶筒的浸入過程的特征還在于，浸溶筒浸入的時間為:在單晶硅等徑過程開始 時浸入，在收尾過程開始時停止浸入。
[0016] 浸溶筒的浸入過程的特征還在于，浸入量采用重量控制，其熔化量與晶體生長量 相同，偏差小于±1%，即：
浸溶筒的浸入過程的特征還在于，浸溶筒在浸溶的過程中，進行上下的振蕩，振幅為1-2mm，頻率為 50-60HZ。
[0017] 振蕩使熔化均勻，同時也使熔體中的氧更加容易揮發。晶體生長過程中，硅熔體的 液面保持不變，熱場穩定。晶體生長后，晶體中的摻雜元素濃度在加入浸入過程后，保持相 同。
[0018] 相對于傳統的單晶硅生長，本發明技術的坩堝旋轉選擇較高的速度，以促使浸入 的多晶硅較快的熔化。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明多晶浸溶筒安裝結構剖面圖。
[0020] 圖2為本發明多晶浸溶筒側面展開示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 實施例1 生長直徑為51mm單晶硅，生長摻雜B為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為150mm，坩堝的轉速為5 rpm，晶體的轉速為16 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜B濃度為 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為130mm，寬度為15mm，通孔直徑為 9.5mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1405Γ溫，在等徑生長開始 時浸入，多晶筒的振蕩頻率為50Hz，振幅為1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生 長速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段B濃度，結果為 2·0-2·03X 1014 atom/cm3，達到設計要求。
[0022] 實施例2 生長直徑為51mm單晶硅，生長摻雜P為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為165mm，坩堝的轉速為4 rpm，晶體的轉速為16 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜P濃度為 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為145mm，寬度為17mm，通孔直徑為 13mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1404Γ溫，在等徑生長開始時 浸入，多晶筒的振蕩頻率為55Hz，振幅為1.5mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生長 速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段P濃度，結果為2.0_ 2·06X10 14 atom/cm3,達到設計要求。
[0023] 實施例3 生長直徑為1〇3_單晶硅，生長摻雜B為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為310mm，坩堝的轉速為4 rpm，晶體的轉速為12 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜B濃度為 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為290mm，寬度為31mm，通孔直徑為 9.0mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1404 °C溫，在等徑生長開始 時浸入，多晶筒的振蕩頻率為50Hz，振幅為2.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生 長速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段B濃度，結果為 2·0-2·08X 1014 atom/cm3，達到設計要求。
[0024] 實施例4 生長直徑為1〇3_單晶硅，生長摻雜P為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為350mm，坩堝的轉速為3 rpm，晶體的轉速為12 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜P濃度為 2. OX 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為330mm，寬度為37mm，通孔直徑為 14mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1410°C溫，在等徑生長開始時 浸入，多晶筒的振蕩頻率為60Hz，振幅為2.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生長 速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段P濃度，結果為2.0_ 2· 1X1014 atom/cm3,達到設計要求。
[0025] 實施例5 生長直徑為153_單晶硅，生長摻雜B為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為459mm，坩堝的轉速為4 rpm，晶體的轉速為12 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜B濃度為 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為440mm，寬度為46mm，通孔直徑為 9.0mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1406 °C溫，在等徑生長開始 時浸入，多晶筒的振蕩頻率為50Hz，振幅為1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生 長速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段B濃度，結果為 2.0-2· 11 X 1014 atom/cm3,達到設計要求。
[0026] 實施例6 生長直徑為153_單晶硅，生長摻雜P為2.0X1014 atom/cm3的硅單晶。采用石英坩堝的 尺寸為500mm，坩堝的轉速為4 rpm，晶體的轉速為16 rpm。采用熔鑄方式制備摻雜P濃度為 2.0 X 1014 atom/cm3的多晶硅浸入筒，晶浸溶筒的外徑為480mm，寬度為52mm，通孔直徑為 13mm。在硅熔液穩定過程中多晶筒的下端烘烤3h以上，溫度為1408Γ溫，在等徑生長開始時 浸入，多晶筒的振蕩頻率為60Hz，振幅為1.0mm，多晶硅浸入筒的熔化速度與單晶硅的生長 速度一致，偏差小于±1%，在收尾時停止浸入。晶體生長后，測量等徑段P濃度，結果為2.0_ 2· 12X1014 atom/cm3,達到設計要求。
【主權項】
1. 一種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，將多晶硅在高純石英模具中鑄造成一個 多晶浸溶筒，多晶硅浸溶筒上部分為一個環形的上蓋，與熱屏連接，下部為一個圓筒形狀的 浸溶部分，具有通孔;多晶硅中含有與目標成分相同的摻雜元素;多晶浸溶筒在熔體表面烘 烤到1400°C以上后，在晶體等徑生長過程中浸入到硅熔體中熔體，熔化過程中采用振蕩提 高熔化均勻性，熔化量的速度與晶體的生長速度相同。2. 根據權利要求1所述的硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，其特征在于多晶浸溶 筒1，上部分是一個環形的上蓋2;多晶浸溶筒的下部為一個圓筒形狀的浸溶部分3,其尺寸 特征為式(1)和式(2)所示： ⑴。10 (2) d = 03 式中，浸溶筒下部圓筒外半圓徑，d為浸溶筒下部圓筒的寬度;r。為石英坩堝的半 徑，rsi為石英晶體的半徑，單位為_。3. 根據權利要求1至2所述的硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，多晶浸溶筒的特征 在于，浸溶部分3上要具有通孔4,通孔總面積占有浸溶部分3總面積的30%;通孔4直徑Cl 1的 特征為： (3)式中，Cl1為通孔4的直徑，為坩堝的轉速，為單晶硅的轉速。4. 一種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，其特征還在于制備多晶浸溶筒的多晶 娃，其中摻雜元素的含量與單晶娃目標含量一致。5. 采用熔融鑄造的方式制備，模具為高純石英玻璃或陶瓷，鑄造過程中要求多晶浸溶 筒整體的溫度差小于5 °C。6. -種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，其特征在于浸溶筒安放的要求為：與石 英坩堝和單晶硅晶棒同軸，偏心度小于0.5_; 浸溶筒外側面與石英坩堝的內側面的距離為IOmm;浸溶筒的浸入過程的特征為，浸溶 筒浸入端在浸入到硅熔體前，在距離熔體液面5mm的位置烘烤3小時以上，浸溶筒浸入端的 溫度大于等于1400°C。7. -種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，浸溶筒的浸入過程的特征還在于，浸溶 筒浸入的時間為:在單晶硅等徑過程開始時浸入，在收尾過程開始時停止浸入;浸溶筒的浸 入過程的特征還在于，浸入量采用重量控制，其熔化量與晶體生長量相同，偏差小于±1%， 即： (4： 一種硅單晶生長摻雜劑濃度穩定控制技術，浸溶筒浸入過程的特征還在于，浸溶筒在 浸溶的過程中，進行上下的振蕩，振幅為l_2mm，頻率為50-60HZ。
【文檔編號】C30B15/20GK105887187SQ201610229174
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】張俊寶, 宋洪偉
【申請人】上海超硅半導體有限公司