CN102978699B - 硼镓共掺的重掺p型单晶硅的生长及掺杂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硼镓共掺的重掺P型单晶硅的生长及掺杂方法，包括如下步骤：（1）清洁；（2）将准备好的多晶硅及掺杂硼粉放入石英坩埚中；（3）用氩气多次冲洗单晶炉并抽真空；（4）开启加热器进行加温熔化多晶硅；（5）待多晶硅完全熔化，下调加热器功率，保持熔体熔化状态1455摄氏度；（6）向熔体内进行镓元素掺杂；（7）充分混合后，稳定熔体温度在1450摄氏度，并开始引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却；（8）将单晶硅进行头尾割断、晶棒分割、滚圆、多线切割、倒角、研磨、清洗，并进行器件制作。本发明硼镓共掺的重掺P型硅单晶具有吸杂能力强，机械性能好，微缺陷少等优点，是优质的外延衬底和器件衬底。<pb pnum="1" />

Description

硼镓共掺的重掺P型单晶硅的生长及掺杂方法
技术领域
本发明涉及半导体材料晶体生长和元素掺杂领域，特别涉及一种硼镓共掺的超低电阻率P型单晶的掺杂和晶体生长实现方法。
背景技术
近年来，随着超大规模集成电路(ULSI)的发展，作为外延衬底的大直径直拉重掺硅单晶在微处理器和高附加值逻辑器件等先进集成电路制造中得到了广泛的应用，并能够解决抛光硅片所不能解决的电路闩锁问题、软失效、动态存储时间短等问题。同时小尺寸的重掺直拉硅单晶也广泛应用于（TransientVoltageSuppressor）TVS瞬态电压抑制器件等领域。重掺硼硅单晶是最主要的P型重掺硅单晶，具有电阻率分布均匀；吸杂能力强；机械性能较好等优点。对于电阻率低于0.002欧姆厘米的超低电阻率的直拉重掺硼硅单晶而言，由于杂质浓度高，晶体体积应变能较大，在晶体生长中容易产生小角晶界等现象。
小角晶界的存在极大的破坏了晶体完整性，使得单晶失去无位错状态。因此在实际生产中，电阻率低于0.002欧姆厘米的超低电阻率的直拉重掺硼硅单晶较难获得，而器件制作为了得到不同电压响应的器件，又要求衬底硅片的电阻率达到0.002欧姆厘米，甚至更低0.001欧姆厘米以下。对于重掺B硅单晶而言掺杂浓度较高，由于硼原子比硅原子小，高的掺杂浓度必然导致较大的体积应变能及晶格畸变，这些因素进一步演化为生长时的略微晶向差异。这些有着晶向上略微不匹配的晶核生长时台阶的会合就容易产生位错等缺陷，这些缺陷在重掺硼硅单晶较强的位错钉扎作用下很快演化成小角晶界，通过小角晶界来释放其较大的体积应变能。因此在重掺硼<111>硅单晶中容易产生小角晶界。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种硼镓共掺的重掺P型单晶硅的生长及掺杂方法，减少掺杂引起的晶体体积应变，克服小角晶界现象。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：硼镓共掺的重掺P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）清洁热场、单晶炉、石英坩埚部件；
（2）打开单晶炉，将准备好的多晶硅及掺杂硼粉放入石英坩埚中；
（3）封闭单晶炉，用氩气多次冲洗单晶炉并抽真空；
（4）打开氩气流量，向单晶炉通入高纯氩气，高纯氩气流量为30~80slpm，同时开启加热器进行加温，熔化多晶硅；
（5）待多晶硅完全熔化，下调加热器功率，保持熔体熔化状态1455摄氏度；
（6）利用主室和副室隔离阀，结合镓元素的掺杂装置向熔体内进行镓元素掺杂；
（7）充分混合后，稳定熔体温度在1450摄氏度，并开始引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却，成型后单晶硅含有浓度为1×1018~1×1021atoms.cm-3硼和浓度为1×1017~1×1020atoms.cm-3的镓；
（8）将单晶硅进行头尾割断、晶棒分割、滚圆、多线切割、倒角、研磨、清洗，并进行器件制作。
优选的，单晶硅生长晶体转速为12~25rpm。
优选的，石英坩埚转速为5~10rpm。
优选的，单晶硅平均生长速度为50~75mm/h。
优选的，单晶硅的晶向为<111>或<100>。
优选的，单晶硅晶体生长方法为直拉法。
本发明基于固体物理基本原理结合重掺硼单晶硅中小角晶界产生原因从掺杂剂上进行晶体体积应变补偿，目前P型单晶硅主要采用硼和镓作为掺杂剂，硼的原子半径比硅原子半径小，镓的原子半径比硅原子半径大。在单晶硅生长过程中大量的硼掺杂时产生了较大的体积应变能，晶格畸变较大，此时引入适当的镓掺杂可以有效补偿硼掺杂引入的体积应变，减少晶格畸变，从而在生长超低电阻率的硅单晶是仍然能保证晶体的无位错完整性。
因而，本发明硼镓共掺的重掺P型硅单晶具有吸杂能力强，机械性能好，微缺陷少等优点，是优质的外延衬底和器件衬底。
具体实施方式
实施实例1：
本发明实施方法：（1）清洁热场、单晶炉、石英坩埚；（2）将多晶硅及硼粉小心放入石英坩埚；（3）封闭单晶炉，用氩气多次冲洗单晶炉并抽真空，检验真空漏率；（4）打开氩气流量，开启加热器进行加温，熔化多晶硅；（5）待多晶完全熔化，下调加热器功率，保持熔体熔化状态1455摄氏度；（6）使用单晶炉闸板阀隔离主室副室；（7）打开副室，取下籽晶，装上镓元素掺杂装置，整个过程注意保证清洁，防止沾污；（8）金属镓放入掺杂装置内；（9）清洁副室并连通主室副室；（9）进行镓元素掺杂；（10）掺杂完毕后，将装置升到到副室内；（11）闸板阀隔离主室副室，副室充气至常压，打开副室门，冷却若干时间后，取下掺杂装置，装回籽晶，重复步骤（6），连通主副室；（12）按照设定工艺进行引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却；（13）将单晶进行头尾割断、晶棒分割、滚圆、多线切割、倒角、研磨、清洗，并进行器件制作。
实施实例2对比实验
实验1：采用CG2000型单晶炉，多晶投料25kg，拉制头部目标电阻率0.0020欧姆厘米，投入1350mg硼粉，的硅单晶拉制P型重掺硼<111>3寸硅单晶，生长后得到硅单晶中硼浓度为5.5×1019~1.2×1020atoms.cm-3。
实验2：采用CG2000型单晶炉，多晶投料25kg，拉制头部目标电阻率0.0020欧姆厘米，投入1215mg硼粉，金属镓778mg，拉制P型重掺硼<111>3寸硅单晶，生长后得到硅单晶中硼的浓度为5.0×1019~1.1×1020atoms.cm-3，硅单晶中镓的浓度为4.7×1017~1.2×1019atoms.cm-3
试验结果：
1.试验1掺B硅单晶生长结束截取尾部样片进行各向异性腐蚀，发现存在明显小角晶界；试验2硼镓共掺硅单晶生长结束后截取尾部样片各向异性腐蚀，未发现小角晶界，说明硼镓共掺硅单晶能够有效消除小角晶界现象。
2.使用显微镜放大50倍观察试验2硼镓共掺硅单晶样片腐蚀表面，未见明显微缺陷，说明硼镓共掺硅单晶具有微缺陷少的优点。

Claims (6)

1.硼镓共掺的重掺P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）清洁热场、单晶炉、石英坩埚部件；
（2）打开单晶炉，将准备好的多晶硅及掺杂硼粉放入石英坩埚中；
（3）封闭单晶炉，用氩气多次冲洗单晶炉并抽真空；
（4）打开氩气流量，向单晶炉通入高纯氩气，高纯氩气流量为30~80slpm，同时开启加热器进行加温，熔化多晶硅；
（5）待多晶硅完全熔化，下调加热器功率，保持熔体熔化状态1455摄氏度；
（6）利用主室和副室隔离阀，结合镓元素的掺杂装置向熔体内进行镓元素掺杂；
（7）充分混合后，稳定熔体温度在1450摄氏度，并开始引晶、放肩、转肩、等径、收尾、冷却，成型后单晶硅含有浓度为1×1018~1×1021atoms.cm-3硼和浓度为1×1017~1×1020atoms.cm-3的镓；
（8）将单晶硅进行头尾割断、晶棒分割、滚圆、多线切割、倒角、研磨、清洗，并进行器件制作。
2.根据权利要求1所述的P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于：单晶硅生长晶体转速为12~25rpm。
3.根据权利要求1所述的P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于：石英坩埚转速为5~10rpm。
4.根据权利要求1所述的P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于：单晶硅平均生长速度为50~75mm/h。
5.根据权利要求1所述的P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于：单晶硅的晶向为<111>或<100>。
6.根据权利要求1所述的P型单晶硅的生长及掺杂方法，其特征在于：单晶硅晶体生长方法为直拉法。
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