CN1041011A - 制造硅单晶的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种硅单晶制造方法和设备，能够定量且稳定地馈送掺杂剂。按硅单晶的重量或者馈入的硅原料的重量，计算出熔硅中掺杂的浓度，预计添加掺杂剂(10)的时间与数量。掺杂剂采用同样浓度与重量，定量极准的掺杂片形式，连续或间歇地由圆筒(91)、活塞(92)和活塞操纵装置(93)组成的掺杂剂供给装置馈送。

Description

本发明涉及切克劳斯基法（此后称之为CZ法）制造硅单晶的方法，尤其是涉及调整掺杂剂浓度的方法。

CZ法一次投料型硅单晶制造法迄今仍在使用，且成为一种相当完善的技术。但是，这样的一次投料硅单晶的制造中，坩埚中熔料的量随硅单晶的提拉和生长而减少，而且因掺杂剂的分凝系数小于1，其结果，余留下的熔料中的掺杂剂浓度会增高，进入硅单晶的掺杂剂浓度沿它的纵向随之逐渐增加。因此，有一个问题是生产出来的硅单晶的纵向性能改变了。换言之，由于掺杂剂的分凝，硅单晶的电阻率随凝固时刻的推移逐渐下降。这样一来，对于C-MOS集成电路的情况下，例如，硅片的成品率就会低于约40%。

作为解决这个问题的方法，已经知道的方式以连续地或间断地进给硅原料与掺杂剂并使之熔化，从而维持硅单晶纵向的掺杂浓度不变。日本公开特许号58-130195曾披露一种生产硅单晶的设备，同时连续地把硅原料和掺杂剂送入坩埚。按该发明，使用了一种双层结构的石英坩埚，其中内坩埚带有狭缝状开口，而硅原料进给输送管与掺杂剂输送管则插入到坩埚内外壁之间的石英坩埚中，以至浸没入熔硅中，由此，随着提拉硅单晶，不断供给硅原料及掺杂剂。

另一方面，日本公开特许号61-132585和61-163188的发明公开了掺杂剂进给装置的例子。前者发明的设置是这样的，予定重量的掺杂剂予先装入安装在加热炉上边的掺杂剂加料装置中。这些掺杂在坩埚中的硅原料被熔化了之后再加入。

后者发明的设备中，掺杂到较高浓度的硅棒被安置在加热炉内，因而形成包括硅棒、熔融的硅、硅单晶体及电源的电迴路。于是，当通过这一电迴路检测到硅棒和熔硅表面相接触时，硅棒被浸入到熔硅中，从而调整着熔硅的掺杂浓度。

然而，日本公开特许58-130195号发明也有缺点，归结于下：

（1）由于把硅原料和掺杂剂馈送到内坩埚外侧的熔料中，虽因此内坩埚里的熔料对流不再受太多干扰，内外侧壁间的熔料却总是透过制成的相当大的狭缝状开口进出内坩埚，并且内坩埚内侧的熔料温度，一如内坩埚外侧高温熔料，达到相同的熔料温度。其结果，硅单晶的稳定生长受到妨碍。也就是说，内坩埚的内外侧壁间的熔料的掺杂浓度变成一样的了，于是增加着的硅单晶沿纵向的掺杂改变量，如同掺杂剂进给那样变成间歇式增长。为防止这一点，掺杂剂以这样的连续方式进给，使坩埚中的熔料掺杂浓度保持恒定。为此，需要大量浓度相当低的掺杂剂，同时这种掺杂剂的制品是不现实的。

（2）因为掺杂剂进给输送管出口浸入到内坩埚外侧的熔料中，供给的掺杂剂被熔化并暂时存储于浸没在熔料中的那一部份进给输送管中。如果熔化了的掺杂剂流出进入内坩埚外侧熔料中，从进给管口出来的数量相当于掺杂剂进给的量，那时就毫无问题。有一种不利情况那就是倘若出现一种现象，进给输入管中熔化了的掺杂剂因热对流，强制对流或类似方式被外侧熔料所置换，会妨碍硅单晶掺杂浓度的均匀性。

由于这些原因，这项发明的设备迄今尚未投入实际运用。

按照日本公开特许61-132585号公开的发明，不可能仅仅一次装入掺杂剂。但是，在这种类型的设备中，当连续进给硅原料生长硅单晶时，就难以周期性地定量加进掺杂剂。

在另一方面，日本公开特许61-163188号公开的发明是这样设计的，当由于浸入熔化了的硅中的硅棒被熔化时，因硅棒熔化速率变动造成不良后果，引发熔硅表面脉动。尽管可以设想降低硅棒的掺杂浓度并增大其浸入量，以便减少这种熔化量的改变，当应用于上述设备时，大量的硅棒必须被连续熔化，这就会引起许多技术难题，诸如硅棒的上料，予防熔料表面上已熔化了的硅的凝固等等问题。

有鉴于前述情况，本发明的目的在于提供一种在连续不断地进给原材料以及单晶生长不受妨碍下能确定硅原料的熔化的同时，进行硅单晶提拉的方法及设备，从而可保证沿提拉方向上制造具有基本恒定掺杂浓度的硅单晶。

本发明的硅单晶制造方法，其特征在于，在生产硅单晶的CZ法中，当连续进给硅原料与掺杂剂时，缓冲壁被配置在用于盛装熔融硅的坩埚内，所说的熔硅由缓冲壁分隔成构成硅单晶生长区的中心区域与进给硅原料及掺杂剂的周边区域，而且，这些硅原料和掺杂剂被送到中心区的熔料表面同时熔硅可经形成在缓冲壁上的小孔，单向地从周边区流入中心区，借此，按照生长硅单晶的重量或硅原料的重量送给。估算中心区熔料中熔入的掺杂剂浓度，预计添加到周边区熔料中的掺杂剂量及时间，反复添加掺杂剂，从而保持中心区熔料的掺杂浓度处于予定的范围内。

按照另一个特点，沿生长硅单晶的纵向，电阻率的变化范围小于1%，而且沿硅单晶的纵向，含氧浓度的变化范围小于3%。

按照还有一个特点，坩埚中熔硅的起始掺杂浓度，要保持低于所希望的硅单晶掺杂浓度。

按照再一个特点，所用的掺杂剂包括具有已知掺杂浓度并切割成固定形状的硅小园片或片状材料。

另一方面，本发明的硅单晶制造设备，其特征在于在生长硅单晶的CZ法中，当连续送入硅原材料和掺杂剂时，该设备包括一个盛装熔融硅的坩埚，一个准备把坩埚中的熔融硅分隔成为包含有硅单晶的中心区和中心区外侧的周边区的缓冲壁，且在缓冲壁的下部形成一些小孔，一个计算机用以模拟熔料中掺杂浓度的改变与将来值，一个硅单晶提拉机构用来测量提拉硅单晶的重量，把提拉的重量指示信号发送到计算机，一个硅原料供给装置用于把硅原料送到坩埚周边区的熔料表面上，并测定送入的材料数量，把相应的信号发送到计算机，以及一个掺杂剂供给装置响应从计算机来的指令，把掺杂剂送入坩埚的周边区。掺杂剂供给装置特征是，它包括一端开口的园筒，内装许多高度定量的相同浓度与重量的掺杂剂片，其开口顶端倾斜的安装在加热炉外边，园筒活塞和活塞操纵机构以及以这样的方式安装的装料管，即它的一端安置在园筒开口端近旁，而另一端则安置在坩埚缓冲壁外侧熔硅表面附近。

因为坩埚内部由缓冲壁加以分隔，以便把掺杂剂送到缓冲壁外侧的熔料表面，加以迅速熔化并利用缓冲壁外侧的全部熔料分散这些掺杂剂，而又由于含有所供掺杂剂的熔料单向从外侧迁移到缓冲壁的内侧仅能经过形成的小孔，所通过的量相应于硅单晶的生长量。由于在缓冲壁外侧的予先稀释，大大减轻了缓冲壁内侧熔料中掺杂浓度的变化。此外，由于掺杂剂的添加时间与数量是预计的，只要根据生长硅单晶的重量，送入的硅原料的量及掺杂剂的量，便能计算估定缓冲壁外侧熔料的掺杂浓度，从而把内侧熔料的掺杂剂浓度保持在预定的范围内，所以能够完全精确地响应硅单晶直径的改变及从起始条件直到稳定状态提拉单晶速率的改变，由此降低沿硅单晶纵向上掺杂浓度的变化，从而生产出高质量的硅单晶。

由于在坩埚熔硅中起始掺杂浓度是选用低于待生长的硅单晶所要求的浓度，所以在较短时刻内定态掺杂浓度就能被达到。

就掺杂剂供给装置来说，通过操纵器推进活塞发出一次行程，使精密切割成的硅小园片或片状材料并具有极准确定量制作成的掺杂剂片之一或更多片从圆筒中压出，经供料输送管掺入熔硅中。通过制动活塞以限定掺杂片的压入。

使用硅片或片状材料的片形掺杂剂方式，晶体电阻率，即掺杂浓度与掺杂重量能够准确地加以掌握，又能非常定量地得到改善。

图1是本发明一个实施例的硅单晶制造设备的纵剖面图。

图2A至2E是用以阐述掺杂缓冲壁效果的曲线图。

图3是表示坩埚中心与周边区的熔硅掺杂浓度随时间变化的曲线图。

图4是表示沿硅单晶纵向，其晶体电阻率的变化曲线图。

图5A和5B是表示坩埚中熔料浓度的示意图。

图6是表示降低熔料初始浓度时，在晶体电阻率上的改变曲线。

图7A和7B分别表示出按本发明实施例与常规方法，沿晶体纵向的晶体电阻率的分布。

图8是表示掺杂剂供给装置的结构示意图。

参照附图将详述本发明的实施例。图1是本发明实施例的硅单晶制造设备的纵向剖图。

图中标号1表示硅单晶，3为石英坩埚用以盛放熔硅2、4为石英缓冲壁，用以分隔坩埚3中的熔料成内外部份。缓冲壁4环绕硅单晶1设置，且其下部作出小孔。标号6表示粒状硅原料，由硅原料供给装置7送到缓冲壁4外侧熔料的表面。标号10表示掺杂剂，借助于掺杂剂供给输送管8和掺杂供给装置9送到缓冲壁4外侧熔料表面。标号11表示起提拉和旋转硅单晶1作用的硅单晶提拉机构，并检测它的重量。标号12表示一个计算机，用于接收从硅原料供给装置7，掺杂供给装置9和硅单晶提拉装置11来的信号进行计算，以便在提拉单晶时控制加入的掺杂剂。标号13表示用于测量熔硅温度的热电偶，14是加热坩埚3的加热器，以及15为炉膛。

用上述结构，现在将叙述硅单晶制造设备的工作。这种设备当连续不断地送入硅原料时，适用于连续生长硅单晶的方法。

熔融硅或熔料2由安装在坩埚3内的缓冲壁4分隔成包含有硅单晶的中心区A与外周边区B。硅原料6和掺杂剂10分别由硅原料供给装置7和掺杂剂供给装置9按硅单晶1生长速率的相应量送入周边区B的熔料表面。送入的这些硅原料6与掺杂剂10以这种方式被熔化，即由沿坩埚3侧面按置的加热器14把周边区B中的熔料加热到高温，使该熔料单向地经缓冲壁4上作成的小孔5流向中心区A，并使两部份熔料的表面总保持为相同的水平面。要指明的是，本实施例中，小孔5的直径与数量分别为5mm与2，而缓冲壁4的厚度则为8mm。

硅原料供给装置7和掺杂剂供给装置9分别把硅原料6和掺杂剂10馈送到坩埚3的周边区B的熔料表面。尽管在本实施例中，如图1所示，是通过不同于硅原料的途径装入的，但它们也可以经相同的途径装入。

可是，按照前面的方法，实际上在相同的位置熔化高纯硅原料和掺杂剂，并且这样做具有降低周边区B中熔料的掺杂浓度分凝系数的作用。

现在参照图8，这里所显示的是表示掺杂剂供给装置9实施例的略图。在本发明的掺杂剂供给装置9中，标号91表示倾斜安装着的园筒，它带有一开口前端，活塞92及用以操纵活塞92的操纵装置93，例如，由螺线管或类似物做成，通过支杆94联结到活塞92。

掺杂剂装料输送管8是这样安装的，它的一端邻接园筒9的开口端，另一端接近熔硅表面。把掺杂剂片10装进园筒91，且这些片有同样的形状，重量和浓度。

作为粗料从单晶硅棒切割成片或片状园片用来制作这些掺杂片，故此，电阻率及厚度都能知道得很精确。园片要切割成方块形片，如同器件制作工艺中使用的小方块片，所以这些片又能作成具有高精度规则的形状。

园筒91和装料输送管8分别是用与掺杂片10为低摩阻，且丝毫不产生任何不希望有的杂质的材料制作（例如，园筒用纯多晶硅制作，而装料输送管用石英玻璃制成）。

按前面叙述过的结构，现在将描述掺杂剂供给装置9的工作过程，首先，退回活塞92，把掺杂片装入园筒91中。为了投放掺杂片10，操纵操作装置93，逐渐移动活塞92向前。进行这种操作时，迫使全部掺杂片10前移，使最前端的掺杂片不得不从园筒91上堕落，经装料输送管8掉进坩埚3。应注意的是，要调整掺杂片10的形状，园筒91的倾角等等，以便能使掺杂片10一片挨一片地掉进坩埚中。

当所需数量的掺杂片已经投送完了之时，中断前移活塞92，或稍稍反移活塞，从而使加料停止，有关活塞92前进或后退的行程，操作时间等等都由供给速率控制装置（未示出）加以控制。

掺杂剂供料是以这样的方式完成的，计算机12接收来自硅原料供给装置7和单晶提拉机构11的信号，从而依次计算出所需的掺杂剂送料速率及给料时间，并把所得结果的信号加到掺杂剂供给装置9，它依次通过掺杂供给输送管8送入掺杂剂。

下面，将要阐述缓冲壁4。图2A到2E是表示掺杂缓冲壁效果的对比曲线图，这就是说，对使用由常规型隔壁构成的，允许内外区熔料进行混合的隔壁与使用由本发明的掺杂缓冲壁构成的，很难进行隔壁内外侧熔料混合的隔壁情况之间作比较的曲线图。

在这里，在给定的时间间隔内，以指定的量，把浓度为10¹⁹原子/克的掺杂片送入熔料的表面（图2A与2C），常规型缓冲壁许可壁内外熔料容易混合，以致于硅单晶提拉区的熔料掺杂浓度，实际上与该壁外侧熔料中存在的掺杂浓度相同，也与送入的掺杂片浓度一样，因此，如图2B所示，它的改变高达7.0×10¹⁴～7.5×10¹⁴原子/克。变化范围约为7%。另一方面，按照本发明的情况，该缓冲壁内外侧的熔料几乎不进行混合，如图2D所示，当缓冲壁外侧熔料的掺杂浓度的改变高达4.24×10¹⁴～7.07×10¹⁴原子/克时，在硅单晶提拉区的熔料掺杂浓度的变化，如图2E所示，仍小至7.20×10¹⁴～7.28×10¹⁴原子/克。这个改变范围约为1%。事实上这是由于高浓度的掺杂片，首先由缓冲壁外侧的熔料加以稀释，稀释过的熔料通过小孔再缓缓地移入硅单晶生长区，而且稀释了的熔料移过小孔相当于这样一种情况，即宛若常规型的情况下相当连续地供给低浓度掺杂片。在常规型的情况下应注意到，假设要把硅单晶生长区的掺杂浓度的改变控制在本实施例的大致相同数值，那末，就必须很连续地供给浓度相当低的掺杂片。

制造大量的浓度相当低的这样的掺杂片是不现实的。

现在将描述调整硅单晶掺杂浓度的方法。

与图1所示的硅单晶制造设备有关的模拟模型用计算机12装备。启动运行之初，要把熔硅的总量以及中心区A与周边区B中的熔料重量之间的比值输入到模拟模型中。运行时，该计算机12时时接收提拉出来的晶体实际重量，送入的硅原料的实际重量以及添加掺杂剂的实际重量，根据这些重量数据，由模拟模型予先计算出晶体提拉区（中心区A）熔料的当前浓度与随后熔料浓度的改变量。此外，还要确定下一步添加掺杂剂的最佳重量与时间，由此，在第二步添加之后，重复如上面所述的同样的运行过程。从运行开始，重复上述过程1至5次，运行进入定态条件。定态条件意味着被提拉着的晶体具有固定的直径和恒定的生长速率，连续不断送入硅原料和添加掺杂剂使周边区B的平均浓度变成与晶体的掺杂浓度C_s一样，而这时中心区A的浓度则稳定在C_s值的1/K倍（K为掺杂剂的平均分配系数，例如对硼K＝0.8）。应当注意的是，前述运行操作必须包括为保证生长晶体的重量及为保持所需的电阻率而要求掺杂的重量计算一致的效果。

就此而论，用其它不同于本发明的算法控制提拉单晶和供给硅原料，这样计算机12只接收作为输入的结果。

在掺杂剂10送入之后，周边区B中熔硅2的掺杂浓度立即上升，然后，掺杂浓度随时间而降低。掺杂剂送入的各个时刻均如此复现，这种情况见之于图3曲线上。由于周边区B的熔硅经过作在掺杂缓冲壁4上的小孔5单向流向中心区A，如图3曲线^a _-所示，实际上在中心区A的熔料浓度毫无变化。

图4是常规法与本实施例晶体电阻率的分布对比曲线。存在的关系是较低的晶体浓度有较高的晶体电阻率。图4中曲线^c _-是指本发明实施例，而曲线^d _-指常规方法，这些曲线分别对应于有或没有缓冲壁的情况。从图4两种方法之间定态晶体电阻率变化的比较中会清楚地明白缓冲壁的效果。

其次，要对非定态条件下，从籽晶开始生长硅单晶1直到定态条件的掺杂浓度的改变作出解释。运行过程之初，由于扩散和通过缓冲壁小孔的混合，中心区A和周边区B的熔料具有相同的掺杂浓度，因此如果把最初的熔料浓度取为CZ法的原始值，在达到定态条件前就要求相当的时间，额外地增加晶体的掺杂浓度。

这个现象将参照图5A和5B示出的坩埚熔料浓度给以说明。图5A表示在定态条件下各部位的浓度，而图5B则表示在起始条件下各部位的浓度。为简明起见，中心区A的熔料浓度用1.0表示，而其它部位的浓度用相应的值表示。在该例中，掺杂的分凝系数K用0.8表示。在定态条件下继续拉制单晶，周边区B的浓度等于硅晶体的浓度，就是说，与中心区A（见图5A）相比较减少了K倍。另一方面，起始时，中心区A和周边区B在浓度上是一样的（见图5B）。结果，起始时，在熔料中掺杂剂总量因周边区B的浓度大于定态条件下的浓度，而超过了相应的量。所以，如果中心区浓度在开始运行时设置为原始值（相应值1.0），在达到定态条件前拉制硅单晶要经过一段额外增加浓度的区域，其结果浪费晶体头部。

因此，把起始浓度设定在较低的值，可以防止中心区A的浓度变得过高，并且为达到定态条件所需的时间减少了。

本实施例指出，通过设定低于CZ法的起始浓度，能较早进入定态条件。图6和图4的曲线^c _-表示出在相同的条件下，只由于起始浓度不同的电阻率变化。换句话说，给定前者的起始熔料浓度低于后者的2.5%，而后者按原CZ法的情况给定起始浓度。从两者曲线图的比较应可看出，后者为达到定态条件需要较长的时间。但另一方面，本实施例中硅园片用作掺杂剂，这种掺杂剂在定量上十分优越，因为掺杂量可由测量园片的电阻率和重量加以准确确定。通过适当选择各次送入的硅园片的数量，这些片送入坩埚3的周边区中被迅速熔化。

本实施例涉及的特定量值如下：硅单晶1直径150mm、所希望的电阻率10Ω.cm，而拉制速率约0.5～1mm/min。硅原料6由直径0.5～3mm的纯粒硅构成。掺杂剂10包含有5mm方形，厚525μm及电阻率0.01Ω-cm的硅片，按单晶拉制速率1mm/min的定态条件下，每隔20到40分钟装料7到8片。这样生产出来的硅单晶，定态部位沿纵向电阻率的改变范围完全可控制在小于所要求值的1%。同时，氧浓度的改变范围完全可控制小于3%，与常规方法相比，这些使制造高质量的硅单晶成为可能。

图7A和7B分别表示按本实施例和常规方法沿晶体纵向的电阻率分布。如图所示，作为满足可用电阻率的产品成品率大大提高了。此处可允许的晶体电阻率约为10Ω.cm。

按照本发明，借助于安装在坩埚内的缓冲壁，当生长硅单晶时，按硅原料供给率与硅单晶生长的重量，通过模拟计算确定掺杂剂的供给速率与时间，从而，把同样浓度与重量的掺杂片送入到缓冲壁外侧的熔料表面，在定量上生产硅单晶的效果是极为优越的，不再有障碍单晶生长的威胁因素，确保不变的掺杂浓度以及沿生长方向的均匀电阻率，因此，在整体上提高了具有相应要求电阻率硅单晶的成品率。

Claims (7)

1、一种硅单晶体的制造方法，当按切克劳斯基法连续供给硅原料和掺杂剂时用以生长硅单晶，所说的方法包括步骤：

在盛装熔融硅的坩埚内安装着缓冲壁，使所说的熔硅分隔成构成单晶硅生长区的中心区域与构成装入所说硅原料和所说掺杂剂区的周边区域；

把所说的硅原料和所说的掺杂剂送入到所说周边区域的所说熔硅的表面；

所说的熔硅单向地从所说的周边区域通过许多穿透所说缓冲壁的小孔流入所说的中心区域；以及按照生长硅单晶的重量或所说装入的硅原料的重量来估算在所说中心区域中所说熔硅的掺杂浓度以予计添加到所说周边区域内所说熔硅中所说掺杂剂的时间及数量，依此重复添加所说的掺杂剂以保持所说缓冲壁内侧所说熔硅的掺杂浓度在予定的范围内。

2、按照权利要求1所说的制造方法，其中所说的生长成的硅单晶沿纵向的电阻率变化范围为1%或更小，且其中所说硅单晶沿纵向的氧浓度变化范围为3%或更小。

3、按照权利要求1所说的方法，其中在所说坩埚中的所说熔硅的起始掺杂浓度被予定在低于所说硅单晶要求的浓度。

4、通过把已知掺杂浓度的硅片园片或片状材料切割成固定的形状备制成掺杂剂。

5、一种硅单晶制造设备，当按切克劳斯基法连续供给硅原料和掺杂剂时，用以生长硅单晶，所说的设备包括：

一个盛装熔融硅的坩埚;

一个缓冲壁，用来将所说坩埚内的熔硅分隔为盛装所说硅单晶的中心区域和在所说中心区域外侧的周边区域，在所说缓冲壁的较低部位形成许多小孔;

一个计算机用于模拟所说熔硅浓度的改变和其未来;

一硅单晶提拉机构，用于检测所说硅单晶的提拉重量，以便把提、拉重量指示信号送到所说的计算机;

一个硅原料供给装置，用于输送所说的硅原料到所说坩埚周边区中熔硅的表面并测定其供给速率以将供给速率的指示信号送到计算机;以及

一个掺杂剂供给装置，响应来自所说计算机的指令，以供给所说的掺杂剂到所说的坩埚周边区域。

6、一种硅单晶制造设备，其中掺杂供给装置包括一端开口的园筒，在其中装有许多掺杂片并且该园筒的所说开口顶端安装在一个加热炉的外侧，一个活塞在所说的园筒中，一个用来移动所说活塞的操纵装置，以及以这种方式装配的供料输送管，即其一端位于所说园筒开口端的近旁，而另一端位于所说坩埚中的所说缓冲壁外侧熔硅的表面附近。

7、按照权利要求6的制造设备，其中所说的掺杂剂片是权利要求4的掺杂剂片。

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