CN102534752A - 一种制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法，其特征在于，首先采用直拉法拉制硅多晶，且在拉晶前完成掺杂，然后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制，且在区熔法拉晶过程中通入定量的掺杂气体，掺杂气体通入量逐渐降低或升高；若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；由于本发明的多晶料棒的掺杂剂浓度均匀一致，且保持阶段无需进行气掺，则硅熔体浓度均匀性非常高，综上所述，本发明相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，有效提高了区熔单晶径向电阻率的均匀性。

Description

一种制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法

技术领域

本发明涉及一种生产区熔硅单晶的方法，特别涉及一种制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法。

背景技术

目前，半导体行业中生产非本征区熔硅单晶的现有技术主要有：NTD法（中子嬗变掺杂）、区熔气掺法和直拉区熔法三种。

NTD（中子嬗变掺杂）法生产的区熔硅单晶电阻率均匀性最高，但成本较大，生产周期长。

区熔气掺法在生产过程中，通过通入掺杂气对区熔硅单晶进行掺杂。掺杂气（磷烷或硼烷）是固态掺杂剂磷或硼的氢化物，高温时受热分解为氢气和相应固态掺杂剂。在气掺法拉制区熔硅单晶时，向炉室通入掺杂气，掺杂气在熔区附近高温处分解，分解生成的掺杂剂进入到硅熔体中从而起到掺杂目的，生成的氢气则分散在炉室内。这就是区熔气掺法掺杂的原理。

掺杂气经过气液相界面将掺杂剂掺入到硅熔体中，进而在硅熔体凝固结晶后成功将掺杂剂掺入硅单晶中。通过掺杂剂移动路径可以知道，熔体表面的掺杂剂浓度较高，而熔体内部掺杂剂浓度较低。而且由于区熔法中，硅熔体的体积较小，对流较弱，对掺杂剂的搅拌作用非常弱，最终导致区熔硅单晶中掺杂剂分布不均，这也是导致区熔硅单晶径向电阻率不均匀的主要原因之一。

直拉区熔法，首先采用直拉法拉制硅多晶棒，掺杂剂在直拉阶段通过常规掺杂方式掺入到多晶硅棒中。随着硅熔体不断凝固结晶，受偏析作用的影响，硅熔体中掺杂剂浓度也越来越高，凝固的硅晶体电阻率也越来越低。又由于硅晶棒中心散热慢，边缘散热快，因而其固液界面为上凹形，这样在多晶硅棒中会形成上凹形的等电阻率面，且电阻率逐渐降低。

在区熔法拉制阶段，若多晶硅棒头部向下，在多晶硅棒的化料界面上，熔化的硅熔体电阻率较为接近，则为硅单晶生长提供的硅熔体电阻率较为均匀。但是由于多晶硅棒本身轴向电阻率不均匀，再加上偏析作用的影响，拉制的区熔硅单晶轴向电阻率梯度很大。同样，区熔硅单晶中心散热慢，边缘散热快，其固液界面为下凹形，所以区熔硅单晶的等电阻率面为下凹形。较大的轴向电阻率梯度导致硅片中心电阻率和边缘电阻率相差较大，因而大大降低了区熔硅单晶的径向电阻率均匀性。

在区熔法拉制阶段，若多晶硅棒头部向上，由于硅多晶本身轴向电阻率分布的影响以及偏析现象的影响，虽然所拉制的区熔硅单晶轴向电阻率分布比头部向下时有所改善，但是仍然不能得到有效控制。其次多晶硅棒熔化界面处熔化的硅熔体，其电阻率差别较大，在不能得到有效熔体对流作用下，熔体电阻率较为不均匀，最终也降低了区熔硅单晶的径向电阻率均匀性。

上述三种制造区熔硅单晶的工艺方法均存在一定的缺陷，因此，需要设计一种新的工艺方法既能保留将其优点，又可弥补其不足，但目前本行业未见有别上述三种制造区熔硅单晶的工艺的新方法应用，文献中尚未见相关报道。

发明内容

本发明的目的就是为克服现有技术的不足，提供一种能够综合上述三种制造区熔硅单晶的工艺的新方法，本发明相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，径向电阻率均匀性得到了有效提高。

 本发明是通过这样的技术方案实现的：一种制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法，其特征在于，首先采用直拉法拉制硅多晶，且在拉晶前完成掺杂，然后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔气掺法进行单晶拉制，且在区熔气掺法拉晶过程中通入定量的掺杂气体，掺杂气体通入量逐渐降低或升高；

   若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；所述的掺杂气为磷烷或硼烷，相应的掺杂剂为磷或硼，所述方法包括如下步骤：

a)      采用采用直拉法拉制多晶硅棒，然后将多晶硅棒进行滚磨、开槽和削减机加工；

b)      以机加工后制得的多晶硅棒为原料，采用区熔气掺法进行拉晶，采用区熔气掺法进行拉晶，通过现有技术，控制多晶硅棒尾部浓度为c0；区熔拉晶时，从在扩肩阶段，通入定量掺杂气，使得保持时硅熔体部分掺杂剂浓度达到c0/k；掺杂气可以是磷烷或硼烷；掺杂气为磷烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=1.7×10¹⁴ atom/cm³至6.5×10²¹atom/cm³范围之后即停止通入掺杂气；掺杂气为硼烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=7.6×10¹³到1.6×10²¹atom/cm³范围之后即停止通入掺杂气；之后根据多晶硅棒浓度分布，通入控制气体掺杂量的来控制掺入硅熔体的掺杂剂量，新熔化晶硅熔体中的掺杂剂质量加上气体掺杂量后，使新熔化硅熔体的浓度等于c0；

c)      保持阶段，假设结晶体积为V0，则流入的新熔体体积为V0，硅熔体体积恒定不变，由于结晶的单晶浓度为c0，则硅熔体掺杂剂减少量为c0*V0，而新增加的掺杂剂为c0*V0，掺杂剂总量不变，最终，硅熔体掺杂剂浓度维持在c0/k，而硅单晶的浓度也稳定在c0目标值； 

   根据上述步骤制备获得的区熔硅单晶轴向及径向电阻率均匀性达到＜8%。

本发明的有益效果是：由于本发明的多晶料棒的掺杂剂浓度均匀一致，且保持阶段无需进行气掺，则硅熔体浓度均匀性非常高，综上所述，本发明相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，有效提高了区熔单晶径向电阻率的均匀性。

附图说明

图1、为直拉区熔气掺法拉晶示意图；

图2、为直拉区熔气掺法，直拉多晶头部向下时拉晶示意图；

图3、为直拉区熔气掺法，直拉多晶头部向上时拉晶示意图；

图4、为直拉区熔气掺法制多晶示意图。

其中1.为多晶料棒，2.为硅熔体，3.为区熔多晶，4.为多晶熔化面，5.为直拉多晶料棒等电阻率线。

具体实施方式

如图1至图4所示，采用直拉法拉制硅多晶棒，并在拉晶前完成掺杂，将尾部掺杂剂浓度控制为c0。

将多晶棒进行滚磨，刻槽、削尖等机加工后，退火消除其热应力及机械加工应力。

将多晶硅棒置于区熔炉内，预热、化料，并开始拉晶。

引晶、拉细颈后，降低下轴速度和下轴转速开始扩肩，在扩肩过程中开始通入掺杂气体，使硅熔体中掺杂剂浓度为c0/k，根据对硅多晶料棒轴向电阻率的测量，可以轴向掺杂剂浓度分布，调整掺杂气通入量，使得新熔化硅熔体掺杂剂加上掺杂气的掺入量等于硅熔体结晶所减少的掺杂剂量。这样可以保证轴向电阻率均匀一致。

根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (1)

1.一种制造区熔硅单晶的直拉区熔气掺法，其特征在于，首先采用直拉法拉制硅多晶，且在拉晶前完成掺杂，然后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制，且在区熔法拉晶过程中通入定量的掺杂气体，掺杂气体通入量逐渐降低或升高；

若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；所述的掺杂气为磷烷或硼烷，相应的掺杂剂为磷或硼，所述方法包括如下步骤：

a)      采用采用直拉法拉制多晶硅棒，然后将多晶硅棒进行滚磨、开槽和削减机加工；

b)      以机加工后制得的多晶硅棒为原料，采用区熔气掺法进行拉晶，采用区熔气掺法进行拉晶，通过现有技术，控制多晶硅棒尾部浓度为c0；区熔拉晶时，从在扩肩阶段，通入定量掺杂气，使得保持时硅熔体部分掺杂剂浓度达到c0/k；掺杂气可以是磷烷或硼烷；掺杂气为磷烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=1.7×10¹⁴ atom/cm³至6.5×10²¹atom/cm³范围之后即停止通入掺杂气；掺杂气为硼烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=7.6×10¹³到1.6×10²¹atom/cm³范围之后即停止通入掺杂气；之后根据多晶硅棒浓度分布，通入控制气体掺杂量的来控制掺入硅熔体的掺杂剂量，新熔化晶硅熔体中的掺杂剂质量加上气体掺杂量后，使新熔化硅熔体的浓度等于c0；

c)      保持阶段，假设结晶体积为V0，则流入的新熔体体积为V0，硅熔体体积恒定不变，由于结晶的单晶浓度为c0，则硅熔体掺杂剂减少量为c0*V0，而新增加的掺杂剂为c0*V0，掺杂剂总量不变，最终，硅熔体掺杂剂浓度维持在c0/k，而硅单晶的浓度也稳定在c0目标值； 

   根据上述步骤制备获得的区熔硅单晶轴向及径向电阻率均匀性达到＜8%。

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