一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法及摻雜裝置的制作方法

專利名稱：一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法及摻雜裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及自熔融提拉法單晶生長中的摻雜工藝及設備，更具體地說是生產單晶硅棒的摻雜方法及其設備。
背景技術：
半導體硅單晶大部分均用切克勞斯基(Czochralski)法制造。在這種方法中，多晶硅被裝進石英坩堝內，加熱熔化。然后將熔硅略做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定晶向的硅單晶體(稱做籽晶)，與熔體硅接觸，通過調整熔體的溫度和籽晶向上提升速度，使籽晶體長大至近目標直徑時，提高提升速度，使單晶體近恒直徑生長。在生長過程的尾期，此時堝內的硅熔體尚未完全拉完，通過增加晶體的提升速度和調整向堝的供熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體，當錐體的尖足夠小時，晶體就會與熔體脫離，從而完成晶體的生長過程。
少量雜質元素(一般稱為摻雜元素或摻雜劑)摻入硅中即可顯著地改變硅的導電性能。一般情況下，摻入的雜質愈多，硅的電阻率愈低，這也是硅單晶能得以廣泛使用的原因。硅的導電性能分為空穴導電和電子導電，分別稱為P型半導體硅和N型半導體硅。P型硅一般摻入硼(B)元素，而N型硅依其用途不同分別摻入磷(P)元素、銻(Sb)元素和砷(As)元素。當要求硅單晶體的電阻率達到很低的值時，就要向熔硅中加入很多的上述某種元素，稱為重摻雜。
以往切克勞斯基法制造的硅單晶所用的摻雜方法可分為共熔法和投入法。共熔法是將摻雜的物質與多晶硅一起放在石英坩堝內熔化。投入法是多晶硅在石英堝內完全熔化后，將摻雜物質投入堝內熔化，實現摻雜的目的。
共熔法是生長中高電阻率范圍的硅單晶體常用的摻雜方法，如果要求目標電阻率很低，對N型摻雜元素磷、銻、砷它們在硅熔點附近溫度時的飽和蒸氣壓很高，揮發很快，只有很少一部分摻雜元素能夠進入硅晶體中，其摻雜效率(進入晶體的雜質量除以摻入雜質總量)很低，一般只有10-30％。如果要達到低的電阻率，則必須摻入很多的摻雜元素，而且摻雜元素的揮發物對晶體的無位錯生長影響很大。所以在生長低電阻率的N型硅晶體時很少采用共熔法摻雜。
投入法是一種被采用的生長低電阻率N型直拉硅晶體的摻雜方法。但它的摻雜效率也只有20-45％。而且在使用此方法后，由于可能是因摻雜劑在熔體硅中擴散不均，此方法會引起較多的回熔(硅晶體生長期間，當其結構內產生大量的位錯缺陷時，將晶體重新熔化掉，并進行再一次籽晶與熔體接觸以便生長無位錯缺陷晶體的過程)。
氣相摻雜法也是一種用于生長N型摻磷、摻銻或摻砷硅單晶的摻雜方法。在這種方法中，先將多晶硅在石英坩堝中熔化，然后用氣相的方法將磷、銻或砷摻到熔硅中，再生長硅單晶體。
在使用上述三種摻雜方法生長N型摻磷、摻銻和摻砷硅單晶的時候，一般雜質的摻入量都比較大，大量的磷、銻或砷的進入硅熔體，使得生長晶體變得比較困難(相對摻雜量少的其他品種來說)，特別容易產生位錯，因而生產的效率很低，這是半導體硅材料生產企業遇到的共同問題。
中國專利文獻CN1414147A(申請日為2001.10.26，申請號01136694X，
公開日2003.4.20)報導了一種用直拉硅單晶制備中的摻雜方法及其裝置。該摻雜方法是1、將所要摻雜的需要量的摻雜元素，置于摻雜裝置的內筒中；2、將帶有內筒的摻雜裝置懸掛在晶體提拉艙室中，抽真空，晶體提拉艙室和晶體生長室中充入氬氣；3、將原料多晶硅熔化，多晶硅熔化后，在石英坩堝旋轉的條件下，將帶有盛放著摻雜元素內筒的摻雜裝置，下降至多晶硅熔體的液面上；4、待被摻雜的元素揮發完全后，盛有硅熔體的石英坩堝繼續旋轉所需要的時間；5、將帶有內筒的摻雜裝置提升到晶體提拉艙室中，關閉晶體提拉艙室與晶體生長室之間的隔離閥，向晶體提拉艙中充入氬氣，使氬氣的壓力為1.1×105Pa，打開晶體提拉艙室的門，安裝上特定晶向的籽晶；6、將晶體提拉艙中的壓力抽至晶體生長室的壓力，開啟隔離閥，進行單晶硅棒拉制。
在上述的公開號CN1414147A的中國專利文獻中也報導了為了進行上述的摻雜方法時，所使用的摻雜裝置。該摻雜裝置，包括鐘罩、吊鉤、有底的內筒，鐘罩的頂部與吊鉤的鉤柄熔接相連，內筒的提手掛在吊鉤的鉤上。
CN1414147A的專利文獻中所報導的用于直拉硅單晶制備中的摻雜方法及其裝置的優點是摻雜效率高，減少了回熔次數，而且該氣相摻雜法適用范圍廣，適用各種型號及電阻率范圍及各種元素。其摻雜裝置結構簡單。但該摻雜方法也有不足之處。其不足是該摻雜方法工藝過程較復雜，需要先將被摻雜元素與硅熔體混合后才能進行單晶棒的拉制，低電阻率時其回熔次數仍不夠理想。
三、發明內熔本發明的目的就在于研究出可用于重摻雜，并且回熔次數更少的生長直拉硅單晶的一種新的氣相摻雜方法。
本發明的另一個目的是研制出應用上述氣相摻雜方法所使用的裝置，使得該氣相摻雜方法得以實現。
本發明的研究人員在試驗中發現，用切克勞斯基(直拉)法制造的硅單晶生長過程中，在重摻雜時，先不進行摻雜，使硅晶體等徑生長一定長度后，將摻雜劑磷、砷摻入，可以得到低電阻率的硅單晶，而且回熔次數更少。
本發明的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，將所要摻雜的需要量的的摻雜劑置于摻雜裝置的石英舟中，將盛有摻雜劑的石英舟置于冷卻室的外部(外①部位)緊靠在晶體生長室上部的內壁石墨層，加入所需要量多晶硅于石英坩堝中，合上爐室按切克勞斯基直拉法進行硅單晶的拉制。硅晶體形成圓柱體后，當硅單晶的圓柱體長度處在0毫米-200毫米之間的任一長度時(不包括零、200毫米)，在硅單晶拉制的的同時，將盛有摻雜劑的石英舟推至冷卻室的內部(內②部位)的中間為硅單晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器的上端部口上，加熱使摻雜劑揮發變成氣體，摻雜劑的氣體通過中間為硅單晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上的噴氣孔噴出，摻雜劑氣體與硅熔體相遇，擴散進入硅熔體中，使摻雜劑全部揮發變成氣體的過程中，繼續進行硅單晶的拉制，直到將硅單晶體拉制完成。
所說的摻雜劑以磷或砷為佳。
切克勞斯基直拉法制造硅單晶的單晶爐的拉晶機構由籽晶(一種特定晶向硅單晶體)、石英坩堝、晶體生長室、保溫材料、發熱體等組成。本發明的生長直拉硅單晶的摻雜方法，所用的單晶爐與切克勞斯基(直拉)法拉制硅單晶的單晶爐基本相同，唯不同的是在其單晶爐晶體生長室的上部增加一個摻雜裝置。
先將所需要量的多晶硅原料放入石英坩堝內，將摻雜裝置的密封環、熱場上蓋取出，按需要量將稱量好的摻雜劑磷或砷放入摻雜裝置的石英舟中，將石英舟向外拉，使石英舟位于冷卻室的外部(外①部位)，緊靠在晶體生長室的內壁石墨層處，再將熱場上蓋密封環安裝好，合上爐室。然后將晶體生長室抽真空，確認晶體生長室不漏氣后，向晶體生長室內通入氬氣，向發熱體通入電流，使其發熱直到多晶硅完全熔化成硅熔體，使石英坩堝和籽晶相反方向圍中心軸旋轉。將硅熔體表面中心的溫度降到硅熔點1420°左右。然后，將籽晶插入到硅熔體的中心，以籽晶剛好與硅熔體液面接觸為好，將籽晶以一定的速度向上提升，以便排除晶體里面的位錯，再降低籽晶的向上提升速度，使其生長成倒錐形。由于盛有摻雜劑的石英舟位于冷卻室的外部，緊靠晶體生長室的內壁的石墨層處，晶體生長室內壁石墨層處溫度較低摻雜劑幾乎不揮發。當硅單晶的錐體的最大直徑達到目標晶體直徑的80-90％時，增加籽晶的向上提升速度，使硅單晶成圓柱體狀生長，當硅單晶的圓柱體的長度處于0毫米-200毫米時(不包括零、200毫米)，在繼續拉制硅晶體的同時，將盛有摻雜劑的石英舟用送料器的拉桿推至冷卻室的內部(內②部位)，倒圓臺體形空腔狀噴氣器的上端部口。倒圓臺體形空腔狀噴氣器的空腔內的溫度控制在150-800℃，其空腔的所要控制的溫度由于摻雜劑的不同而不同，具體地說摻雜劑為磷時空腔內的溫度控制在150℃-400℃，當摻雜劑為砷時，空腔內的溫度控制在350℃-800℃。倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔的溫度，由其倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上的噴氣孔的多少和噴氣孔的大小來決定。若噴氣孔多，噴氣孔的孔大，則其內腔的溫度就高；若噴氣孔少，噴氣孔小，則其內腔的溫度就低。另外，倒圓臺體形空腔狀噴氣器的內腔溫度也與其倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂與熔體之間的距離有關。倒圓臺體形空腔狀噴氣器的下端部頂與硅熔體之間的距離為10-80mm。當摻雜劑為磷(P)時，其之間的距離以40-80mm為佳；當摻雜劑為砷(As)時，其之間的距離以10-40mm為宜。這樣，石英舟中的摻雜劑受熱形成氣體，摻雜劑的氣體通過倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上的小孔噴出。摻雜劑氣體擴散速度很快，使摻雜劑氣體均勻地分布在硅熔體的上方，與硅熔體相遇，擴散進入硅熔體中。在摻雜劑全部變成氣體的同時，繼續拉制硅單晶，直到將硅單晶體拉制完成。
本發明的摻雜方法是在硅單晶體已經生長一段后，再摻入摻雜劑磷、砷。用切克勞斯基直拉法拉制重摻硅單晶時，特別易于在圓錐體向圓柱體過渡的階段形成位錯。而本發明的摻雜方法在圓錐體向圓柱體過渡過階段中，硅熔體中基本上沒有摻雜劑磷、砷，所以易于形成無位錯晶體。
一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，包括保溫材料制成的支臺，熱場上蓋，送料器、石英舟，中間為硅單晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀的噴氣器，所說的中間為硅單晶通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀的噴氣器內腔的下部壁上有噴氣孔，保溫材料制成的支臺置于晶體生長室的保溫上蓋上，緊靠晶體生長室上部內壁的石墨層，倒圓臺體形空腔狀噴氣器的上端部的長飛邊放在保溫材料制成的支臺上，熱場上蓋置于晶體生長室上部內壁的石墨層上端和倒圓臺體形空腔狀噴氣器上端部短飛邊上，送料器與單晶爐外壁相連接，送料器的拉桿的一端，通入冷卻室中，熱場上蓋的下底面，晶體生長室上部內壁的石墨層的上部，倒圓臺體開空腔狀噴氣器上端部的長飛邊和其短飛邊所形成的空間為冷卻室，冷卻室的空間與倒圓臺體形空腔狀噴氣器的內腔相連通，石英舟置于冷卻室中。
為了使摻雜裝置的冷卻室更加密封，在熱場上蓋的上頂面上設置一個密封環。所說的密封環由碳氈、半導體級石墨、半導體級泡沫石墨制成。密封環以圓環狀體為好。保溫材料制成的支臺以圓環狀體為好，所用的保溫材料為碳氈，半導級石墨、半導體級泡沫石墨。熱場上蓋為環狀體，以圓環狀體為好，也是由碳氈、半導體級石墨、半導體級泡體石墨制成。
所說的送料器由拉桿、法蘭、波紋管、連接件組成，拉桿的一部分在波紋管中，其一端部通入冷卻室中，波紋管的一端通過連接件與單晶爐的外壁固定連接，波紋管的另一端通過法蘭與拉桿相連接，拉桿的另一端露在波紋管外，拉桿露在波紋管的一端最好為一圓環，便于推拉操作。所說的連接件由“O”型環、螺絲組成，用螺絲通過“O”型環將波紋管固定連接在單晶爐的外壁上。波紋管由不銹鋼制成，“O”型環由硅橡膠制成，拉桿由金屬鉬或不銹鋼制成。摻雜裝置以有1-4個送料器為好，若為2-4個送料器對稱分布為佳。這樣使摻雜元素均勻地分布在硅熔體上方的空間。
所用的石英舟可以與送料器的拉桿連接在一起，也可以不連接在一起。以石英舟與送料器的連桿連接在一起為佳。這樣便于操作，當將石英舟推至冷卻室內部(內②部位)時石英舟不會歪斜。用金屬鉬制成一金屬鉬盤，將金屬鉬盤與用金屬鉬或不銹鋼制成的送料器的拉桿連接在一起，石英舟置于金屬鉬盤中。所說的金屬鉬盤與送料器的用金屬鉬或不銹鋼制成的拉桿的連接可以活動連接，也可以固定連接。所用的石英舟可以為圓柱體、正方體、長方體其中的一種。
中間為硅晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器的中間的硅晶體的通道以上部為圓柱體和下部為倒圓臺體狀所形成的通道為好。用半導體級石墨制成中間為硅晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器。中間為硅晶體通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上的噴氣孔的數量大于等于80個，又以80-200個為佳，且盡可能地靠近硅熔體的倒圓臺體形空腔下部壁上排列為好，噴氣孔可為正方形、三角形、長方形、圓形，噴氣孔以圓孔為宜，圓孔的直徑為2-6mm。
本發明的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法及摻雜裝置的優點就在于1、由于使用了本發明的摻雜方法簡化了現有技術的氣相摻雜的工藝步驟，更便于操作，更減少了回熔次數，降低了生產成本，提高了生產效率。所說的回熔是指硅晶體生長期間，當其結構內產生大量的位錯缺陷時，將晶體重新熔化掉，并進行再一次籽晶與熔體接觸，以便生長無位錯缺陷晶體的過程。
2、由于本發明摻雜裝置，簡化了氣相摻雜的工藝步驟，減少了回熔次數。
四

圖1是裝有本發明的摻雜裝置的切克勞斯法制造重摻硅單晶的單晶爐剖面示意圖。
在圖中省略了支承結構，爐蓋、晶體提拉艙室、提拉桿、視窗部分、隔離閥。單晶爐外殼由不銹鋼制成。
圖中，1為冷卻室、2為密封環、3為硅單晶棒、4為籽晶、5為熱場上蓋、6為倒圓臺體形空腔狀噴氣器上端部的短飛邊、7為摻雜元素磷或砷、8為拉桿、9為“O”型環、10為螺絲、11為保溫材料、12為發熱體、13為晶體生長室、14為硅熔體、15為石英坩堝、16為中間為硅晶體通道22的帶飛的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17內腔下部壁上的噴氣孔、17為中間為硅晶體通道22的帶飛邊的倒圓臺體形狀空腔狀噴氣器、18為波紋管、19為石英舟、20保溫上蓋、21為保溫材料制成的支臺、22硅晶體的通道、23為噴氣器上端部口、24為噴氣器的下端部頂、25為石墨層、26為倒圓臺體形空腔狀上端長飛邊、27為連接件的法蘭、28拉桿8露在波紋管18外的一端的圓環。
五具體實施例方式
以下用非限定性實施例對本發明作進一步的說明，會有助于對本發明的重摻雜方法及摻雜裝置及它們的優點效果有更好的理解。下述實施例不限定本發明的保護范圍。本發明的保護范圍由權利要求來決定。
實施例1將原料多晶硅30千克，置于石英坩堝15中，將摻雜裝置的密封環2、熱場上蓋5取出，將所要摻雜的元素半導體級磷(P)1.34克，置于石英舟19中，用摻雜裝置的送料器中的拉桿8將石英舟向外拉，使石英舟處于冷卻室1的外部(外①部分)，緊靠在晶體生長室13的內壁上部的石墨層25處后，將熱場上蓋5密封環1安裝好，合上爐室。將晶體生長室抽真空至6.5Pa，確認晶體生長室13不漏氣后，向晶體生長室13內通入氬氣，使氬氣的壓力為2.66×103Pa，向發熱體12通電，使多晶硅完全熔化成硅熔體。在硅單晶生長過程中，不斷通入氬氣使含有SiO的氬氣氣壓保持在2.66×103Pa，逐步將硅熔體的表面中心的溫度降到硅熔點附近的1420℃，使石英坩堝15和籽晶4相反方向圍中心軸旋轉，石英坩堝的旋轉速率為8轉/分，籽晶的旋轉速率為16轉/分。將硅籽晶慢慢下降，使硅籽晶與硅熔體液面接觸，以1.5-3mm/min的速度向上提升籽晶，將籽晶提升至200mm時，將提升速度減慢至0.5mm/min，同時降低硅熔體的溫度至約1416℃，使籽晶直徑加大。當硅單晶的錐體的最大直徑達到目標單晶直徑的85％時，增加籽晶的向上提升速度至2mm/min，使硅單晶成圓柱狀生長(等徑生長)。在等徑生長階段拉速為1.4mm/min.當硅單晶的圓柱體的長度處于50mm時，在繼續拉制硅單晶體的過程的同時，將盛有摻雜劑磷的石英舟19推至冷卻室的內部(內②部位)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的內腔的溫度為300℃，使摻雜劑磷，揮發變成氣體.摻雜劑磷的氣體通過中間為硅晶體通道22的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的內腔下部壁上的噴氣孔16噴出，與硅熔體相遇。摻雜劑磷的氣體擴散進入硅熔體中，使摻雜元素磷(P)全部揮發成氣體(大約需5分鐘)。倒圓臺體空腔狀噴氣器內腔下部壁上的噴氣圓孔的數為80個，噴氣圓孔的直徑為3.0mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體14之間的距離為60mm。
向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.8mm/min，在石英坩堝內存儲的多晶硅料不多時，向上提升籽晶的速度為1.1mm/min，同時增加熱功率約2KW，使硅晶體直徑變化至一個倒錐形。當錐形尖足夠小時，而脫離硅熔體，硅晶體生長過程結束。等硅晶體冷卻至近室溫時，將硅晶體取下，硅晶體直徑106mm，晶向(100)，摻雜效率約85％。進行30次試驗，回熔次數1次，頭部電阻率0.03歐姆厘米。
本實施例的試驗中，進行摻雜時所使用的摻雜裝置，包括保溫材料半導體級泡沫石墨制成的圓環狀體的支臺21，半導體級泡沫石墨制成的圓環狀體的熱場上蓋5，送料器、石英舟19，中間為硅晶體通道22的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17，中間為硅晶體通道22的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上有80個噴氣孔，噴氣孔為圓形，其直徑為3mm，倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體之間的距離為60mm。半導體級泡沫石墨制成的圓環狀體的支臺21，置于晶體生長室13的保溫上蓋20上，緊靠晶體生長室13的石墨層25，倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的上端部的長飛邊26放在半導體級泡沫石墨制成的圓環狀體的支臺21上，半導體級泡沫石墨制的圓環狀體的熱場上蓋5，置于晶體生長室13上部的石墨層25上端和倒圓臺體形空腔狀噴氣器上端部短飛邊6上，送料器與單晶爐外壁相連接，送料器中的拉桿8，通入冷卻室1中。在熱場上蓋5的上頂面上設置一個由半導體級石墨制成的圓環體狀密封環2。所說的送料器由拉桿8、法蘭27、波紋管18聯接件組成。拉桿由金屬鉬制成。法蘭27、波紋管18由不銹鋼制成。拉桿8的一部分在波紋管18中，拉桿8的一端，通入冷卻室1中，波紋管18的一端通過連接件與單晶爐的外壁固定連接，波紋管的另一端通過法蘭27與拉桿8相連接。拉桿8露在波紋管外的另一端為一圓環28。所說的連接件由硅橡膠制成的“O”型環9、螺絲10組成。用螺絲10通過“O”型環9將波紋管18固定連接在單晶爐的外壁上。摻雜裝置中有二個送料器，對稱分布。所用的石英舟19放在金屬鉬盤中，金屬鉬盤與金屬鉬制成的拉桿固定連接在一起。熱場上蓋5的下底面、晶體生長室13上部內壁的石墨層25的上部、倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的長飛邊26和短飛邊6形成冷卻室1。冷卻室1的空間與空腔狀倒圓臺體形噴氣器的內腔的空間相連通，石英舟置于冷卻室1中。
實施例2本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是原料多晶硅為45千克，摻雜劑磷為1.71克，使石英坩堝15旋轉速率為6轉/分，籽晶的旋轉速率為15轉/分籽晶與硅熔體接觸，以1.2-3mm/min的速度向上提升籽晶，待籽晶提至150mm時，將提升速度減慢至0.6mm/min，同時降低硅熔體的溫度至1415℃。當硅單晶體的最大直徑達到目標硅單晶直徑的80％時，增加籽晶的向上提升速度至2.1mm/min。使硅單晶成圓柱狀生長(等直徑生長)，在等直徑生長時提升速度為1.4mm/min，當硅單晶的圓柱狀體的長度處于100mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時將盛有摻雜劑磷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部分)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17內腔的溫度為180℃。摻雜劑磷全部揮發成氣體(大約需4分鐘)，噴氣圓孔的直徑為2mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體的之間的距離為80mm。
向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.6mm/min。石英坩堝存儲的硅原料不多時，向上提升籽晶的速度為1.0mm/min。同時增加熱功率2.5Kw，生成的晶體直徑為156mm，晶向(111)，摻雜效率約75％。進行40次試驗回熔次數1次。頭部電阻率為0.01歐姆厘米。
在本實施例的試驗中，進行摻雜時所使用的摻雜裝置與實施例1基本相同，唯不同的是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上有80個噴氣孔，噴氣孔為圓形，其直徑為2mm，倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂與硅熔體之間的距離為80mm。
實施例3本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是，原料多晶硅為60千克，摻雜劑磷為1.0克，使石英坩堝15的旋轉速率10轉/分，籽晶的旋轉速率為16轉/分，籽晶與硅熔體接觸，以1-2-3mm/min的速度向上提升籽晶，待籽晶提至100mm時，將提升速度減至0.6mm/min，同時降低硅熔體的溫度至1418℃。當硅單晶的最大直徑達到目標硅單晶直徑的90％時，增加籽晶的向上提升速度至2.1mm/min，使硅單晶成圓柱狀生長(等直徑生長)。在等徑生長時籽晶提升速度為1.2mm/min，當硅單晶的圓柱體長度處于195mm時，在繼續拉制硅單晶過程中的同時，將盛有摻雜劑磷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部位)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17內腔的溫度為350℃，摻雜劑磷全部揮發成氣體(大約需5-6分鐘)，倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上有100個噴氣孔，噴氣孔為圓形其直徑為3mm，倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部項24與硅熔體之間的距離為40mm。
向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.6mm/min，石英坩堝存儲的硅原料不多時，向上提升籽晶的速度為1.0mm/min，同時增加加熱功率2.5KW。生成硅晶體直徑為206mm，晶向(100)，摻雜效率約90％，進行50次試驗回熔次數1次。頭部電阻率為0.05歐姆厘米。
在本實施例的試驗中，進行摻雜時所使用的摻雜裝置與實施例1基本相同，唯不同的是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上有100個噴氣孔，噴氣孔為圓形，其直徑為3mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂與硅熔體之間的距離為40mm。
實施例4本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是當硅單晶的圓柱體長處于5mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑磷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部分)的倒圓臺體空腔狀噴氣器17的上端口23處。摻雜裝置設有3個送樣器對稱分布或設置一個送樣器。
實施例5本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是當硅單晶的圓柱體長處于30mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑磷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部分)的倒圓臺體空腔狀噴氣器的上端口處，摻雜裝置設有4個送樣器對稱分布。
實施例6本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是原料多晶硅為30千克，摻雜劑砷(As)為100克，使石英坩堝15旋轉速率為12轉/分，籽晶的旋轉速率為16轉/分，籽晶與硅熔體接觸，以1.2-3mm/min的速度向上提升籽晶，將籽晶提至110mm時，將提升速度減慢至0.4mm/分，同時降低硅熔體的溫度為1417℃，當硅單晶的最大直徑達到目標硅單晶直徑的80％時，增加籽晶向上提升速度至1.80mm/min，使硅單晶成圓柱狀生長(等直徑生長)，在等徑生長時提升速度為0.8mm/min。當硅單晶的圓柱狀體的長度處于60mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑砷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部位)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的內腔溫度為400℃。摻雜劑砷全部揮發成氣體(大約需10分鐘)。噴氣圓孔的直徑為3.5mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體之間的距離為30mm。向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.4mm/min，石英坩堝內的硅原料不多時，向上提升籽晶的速度為1.0mm/min，同時增加加熱功率2.7KW，生成晶體直徑106mm，晶向(100)，摻雜效率約65％，進行45次試驗回熔次數1次。頭部電阻率為0.005歐姆厘米。
在本實施例的試驗中，進行摻雜時，所使用的摻雜裝置與實施例1基本相同，唯不同的是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁有110個噴氣孔，噴氣孔為圓形，其直徑為3.5mm，倒圓臺體空腔狀噴氣器下端部頂與硅熔體之間的距離為30mm。
實施例7本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是原料多晶硅為40千克，摻雜劑砷(AS)為212克，使石英坩堝15的旋轉速率6轉/分，籽晶的旋轉速率為15轉/分，籽晶與硅熔體接觸，以1.2-4mm/min的速度向上提升籽晶，將籽晶提至200mm時，提升速度減慢0.5mm/min。同時降低硅熔體的溫度為1416℃。
當硅晶體的最大直徑達到目標硅單晶自直徑的85％是時，增加籽晶向上提升速度至2.0mm/min，使硅單晶成圓柱狀生長(等直徑生長)，在等直徑生長的提升速度為1.4mm/min，硅單晶的圓柱狀體的長度處于80mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑砷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部位)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的內腔溫度為600℃。摻雜劑砷全部揮發成氣體(大約需9分鐘)。噴氣圓孔的直徑為5mm，倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體之間的距離為20mm。
向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.8mm/min，石英坩堝的硅原料不多時，向上提升籽晶的速度為1.1mm/min。同時增加加熱功率約2KW，生成的晶體直徑為156mm，摻雜效率為75％。進行40次試驗回熔次1次，頭部電阻率為0.003歐姆厘米。
在本實施例的實驗中，進行摻雜時，所使用的摻雜裝置與實施例1基本相同，唯不同的是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器內腔下部壁上有150個噴氣孔，噴氣孔為圓形，其直徑為5mm倒圓臺體空腔狀噴氣器下端部頂與硅熔體之間的距離為20mm。
實施例8本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是原料多晶硅為60千克，摻雜劑為砷(AS)320克，使石英坩堝的旋轉速率為18轉/分，籽晶的旋轉速率為15轉/分，籽晶與硅熔體接觸，以1.2-3mm/min的速度向上提升籽晶，待籽晶提至140mm時，將提升籽晶的速度減慢至0.6mm/min，同時降低熔體的溫度至1416℃。當硅晶體的最大直徑達到目標硅單晶直徑的85％時，增加籽晶向上提升速度至2.1mm/min，使硅單晶的成圓柱狀生長(等直徑生長)。在等徑生長時，籽晶提升速度為1.2mm/min。當硅單晶的圓柱狀體的長度處于180mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑砷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部位)的倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的上端口23處，使倒圓臺體形空腔狀噴氣器17的內腔溫度為800℃，摻雜劑砷全部揮發成氣體噴氣圓孔的直徑為6mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂24與硅熔體之間的距離為10mm。
向上提升籽晶的速度逐漸減小至0.6mm/min，石英坩堝的硅原料不多時，向上提升籽晶的速度為1.0mm/min，同時增加加熱功率2.5KW，生成的晶體直徑208mm，摻雜效率為76％。進行50次試驗，回熔1次，頭部電阻率為0.0031歐姆厘米。
在本實施例的實驗中，進行摻雜時，所使用的摻雜裝置與實施例1基本相同，唯不同的是，倒圓臺體形空腔及噴氣器內腔下部壁上有200個噴氣孔，噴氣孔為圓孔，其直徑為6mm。倒圓臺體形空腔狀噴氣器下端部頂與熔體之間的距離為10mm。
實施例9本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是，摻雜劑為砷280克，當硅單晶的圓柱體長處于8mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑砷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部分)的倒圓臺體空腔狀噴氣器17的上端口23處。摻雜裝置設有3個送樣器，對稱分布。
實施例10本實施例的操作方法和設備基本同實施例1，唯不同的是摻雜劑砷240克，當硅單晶的圓柱狀體長150mm時，在繼續拉制硅單晶過程的同時，將盛有摻雜劑砷的石英舟19推至冷卻室1的內部(內②部分)的倒圓臺體空腔噴氣器的上端口23處，摻雜裝置設有4個送樣器，對稱公布。
權利要求
1.一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，(1)、將所要摻雜的需要量的摻雜劑置于摻雜裝置的石英舟(19)中；(2)將盛有摻雜劑的石英舟置于冷卻室(1)的外部，緊靠在晶體生長室(13)上部的內壁的石墨層(25)，加入所需要量的多晶硅于石英坩堝(15)中，合上爐室，按切克勞斯基直拉法進行硅單晶的拉制；(3)硅單晶體形成圓柱體后，當硅單晶體的圓柱體長度處在0-200mm之間的任一長度時，在硅單晶繼續拉制的同時，將盛有摻雜劑的石英舟(19)推至冷卻室(1)內部的中間為硅單晶體通道(22)的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的上端部口(23)上；(4)加熱使摻雜劑揮發變成氣體，摻雜劑的氣體通過中間為硅晶體通道(22)的帶飛連的倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)下部壁上的噴氣孔(16)噴出；(5)摻雜劑氣體與硅熔體相遇，擴散進入硅熔體(14)中，使摻雜劑全部揮發變成氣體的過程中，繼續進行硅單晶的拉制，直至將硅單晶體拉制完成。
2.根據權利要求1的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，所說的摻雜劑為磷或砷。
3.根據權利要求1的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的內腔的溫度為150-800℃。
4.根據權利要求3的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，摻雜劑為磷時內腔的溫度為150-400℃；摻雜劑為砷時，內腔的溫度為350°-800℃。
5.根據權利要求1的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的下端部頂(24)與硅熔體(14)之間的距離為10-80mm。
6.根據權利要求5的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法，其特征是，當摻雜劑為磷時，其距離為40-80mm，當摻雜劑為砷時，其距離為10-40mm。
7.一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，(1)包括保溫材料制成的支臺(21)，熱場上蓋(5)、送料器、石英舟(19)、中間為硅晶體(3)通道(22)的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀的噴氣器(17)，(2)所說的中間為硅晶體(3)通道的帶飛邊的倒圓臺體形空腔狀的噴氣器(17)內腔下部壁上有噴氣孔(16)；(3)保溫材料制成的支臺(21)置于晶體生長室(13)的保溫上蓋(20)上，緊靠晶體生長室(13)上部內壁的石墨層(25)；(4)倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的上端部的長飛邊(26)放在保溫材料制成的支臺(21)上，熱場上蓋(5)置于晶體生長室(13)上部內壁的石墨層(25)上端和倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)上端部短飛邊(6)上；(5)送料器與單晶爐外壁相連接，送料器的拉桿(8)的一端通入冷卻室(1)中；(6)熱場上蓋(5)的下底面，晶體生長室(13)上部內壁的石墨層(25)的上部，倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的上端的長飛邊(26)和其短飛邊(6)所形成的空間為冷卻室(1)，冷卻室(1)的空間與倒圓臺體形空腔狀噴氣器(17)的內腔相連通；(7)石英舟(19)置于冷卻室(1)中。
8.根據權利要求7的一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，于熱場上蓋(5)的上頂面上設置一個密封環(2)。
9.根據權利要求7的一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，所說的送料器由拉桿(8)、法蘭(27)、波紋管(18)、連接件組成，拉桿(8)的一部分在波紋管(18)中，其一端通入冷卻室(1)中，波紋管的一端通過連接件與單晶爐的外壁固定連接，波紋管(18)的另一端通過法蘭(27)與拉桿(8)相連接，拉桿(8)的另一端露在波紋管(18)外。
10.根據權利要求9的一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，所說的連接件由“O”型環(9)，螺絲(10)組成，用螺絲(10)，通過“O”型環(9)將波紋管(18)固定連接在單晶爐的外壁上。
11.根據權利要求7的一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，摻雜裝置有1-4個送料器，若為2-4個送料器對稱分布。
12.根據權利要求9的一種用于生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，將金屬鉬盤與用金屬鉬或不銹鋼制成的送料器拉桿(8)連接在一起，石英舟(19)置于金屬鉬盤中。
13.根據權利要求7的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，倒圓臺體形空腔狀的噴氣器(17)的內腔下部壁上的噴氣孔(16)的數量大于等于80個。
14.根據權利要求13的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，噴氣孔(16)為80-200個。
15.根據權利要求13、14其中之一的一種生長直拉硅單晶的重摻雜方法的摻雜裝置，其特征是，噴氣孔為圓孔，圓孔的直徑為2-6mm。
全文摘要
本發明涉及自熔融提拉法單晶中的摻雜工藝及設備。該法將摻雜劑置于石英舟中，當硅單晶體形成圓柱體后，其圓柱體長度處于0－200毫米之間的任一長度時，在拉制硅單晶體的同時，將摻雜劑加熱形成氣體，擴散到硅熔體中，使摻雜劑全部揮發成氣體過程中，繼續進行硅單晶的拉制，至硅單晶拉制完成。其摻雜裝置包括支臺、熱場上蓋，送料器、石英舟和噴氣器。石英舟位于冷卻室中，當進行摻雜時，將石英舟推至冷卻室內部的噴氣器上端部口上，使摻雜劑揮發成氣體，進行摻雜。本法用于重摻雜，簡化工藝，減少了回熔系數。
文檔編號C30B15/02GK1600905SQ0312646
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月28日 優先權日2003年9月28日
發明者屠海令, 吳志強, 戴小林, 方鋒, 張果虎, 周旗鋼 申請人:北京有色金屬研究總院, 有研半導體材料股份有限公司