CN104831346A - 一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，使用重掺单晶头尾料(有一定电阻率)，与原生多晶料在一定的配比下组合；化料完成后，按正常掺杂量掺杂，掺杂时切换高炉压参数进行烘烤，加快掺杂剂熔入熔体，正常炉压稳温后，开始拉晶，在开始长晶时，充入氩气混合气体，增加炉内掺杂剂的分压；当单晶保持且生长稳定后，逐步增加炉压，进一步降低掺杂剂的挥发，降低电阻率。本发明的主要效果在于：使用重掺单晶头尾料降低单晶成本，不增加首次掺杂量的情况下，头总电阻率可降低5％-25％，不影响单晶成晶率的情况下，明显达到降低单晶硅电阻率的效果，抑制电阻率反翘，提高电阻率轴向均匀性。

Description

一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法

技术领域

本发明创造涉及硅单晶的生产方法，特别涉及一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法。

背景技术

重掺单晶硅主要用于功率半导体器件。随着通信(communication)、计算机(computer)、消费电子(consumer electronics)和汽车(car)等“4C产业”的发展，功率半导体器件的应用范围日益广泛，已经成为国民经济各大支柱产业的基础。

由于功率半导体器件通常工作在大电流条件下，而且电流垂直流过器件，因而在器件的导通状态下，作为衬底的硅片将消耗一部分功率。为了最大幅度的减少这一部分功率，就要求减小硅片衬底的电阻率，以减小功率器件的“导通电阻”。器件的额定电压越低(如：手提电脑、手机和个人掌上电脑中应用的功率器件)，硅片衬底的电阻率对器件“导通电阻”的影响就越大。随着节能要求的日益提高，进一步降低功率半导体器件的功耗显得尤为重要，这就要求尽可能地降低重掺N型单晶硅的电阻率。。

中国专利CN1556255A公开的一种掺杂方法，其主要特点仅仅是通过漏斗掺杂提高了掺杂效率，但掺杂后单晶的电阻率并没有涉及。而现有重掺低阻单晶的不足在于：第一、重掺杂容易挥发，单晶生长过程中掺杂剂的挥发使得重掺电阻率反翘，不容易得到极低电阻重掺单晶；第二、通过增加掺杂降低头部电阻率，成晶将会受到极大影响；第三、硅单晶轴向电阻率衰减较快。

发明内容

本发明创造要解决的问题是提供一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：

一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选取具有电阻率的重掺单晶头尾料，将其与原生多晶料按比例组合并熔化；

(2)将步骤(1)中原料全部熔化后，按正常掺杂量加入掺杂剂,掺杂时切换至高炉压参数(比拉晶炉压高0－50torr,随工艺参数、炉子本身状态及目标电阻率变化而变化)进行烘烤，以加快掺杂剂熔入熔体，增加熔入熔体的掺杂量，同时抑制掺杂剂的挥发，高炉压烘烤1-5小时；

(3)烘烤完成后切换至正常拉晶炉压进行稳温，稳温1-2小时(具体时间依据炉子状态及操作手法不同而定)后，开始拉晶，在开始长晶时，充入氩气混合气体，以增加炉内掺杂剂的分压，降低熔体表面掺杂剂的挥发；

(4)当单晶保持且生长稳定后，逐步增加炉压，进一步降低掺杂剂的挥发，降低电阻率。

所述重掺单晶头尾料为重掺砷尾料、重掺磷尾料或重掺锑尾料中的一种，其电阻率分别为：重掺砷是0.002～1Ω.cm，重掺磷是0.0018～1Ω.cm，重掺锑是0.008～1Ω.cm。

所述步骤(1)中所述重掺单晶头尾料与原生多晶料的混合比例为：重掺砷单晶头尾料：原生多晶料＝(1～5)：(1～3)，重掺磷单晶头尾料：原生多晶料＝(1～3)：(0.3～3)，重掺锑单晶头尾料：原生多晶料＝(1～3)：(0.3～3)。

所述步骤(2)中掺杂剂的正常掺杂量为：砷5g/kg－7.5g/kg，锑5g/kg－7.5g/kg，磷3.6g/kg-5.5g/kg。

0<烘烤时的高炉压参数-拉晶时炉压参数≤50torr。

所述氩气混合气体为混合有砷烷或磷烷的混合气体，所述混合气体中的砷烷或磷烷的体积分数为0.0001-100％。

本发明创造具有的优点和积极效果是：

第一、使用重掺单晶头尾料降低单晶成本，同时避免气掺时挥发过多，减少不必要的浪费；

第二、不增加首次掺杂量的情况下，头总电阻率可降低5％-25％，同时降低整颗单晶电阻率(砷<0.003，锑<0.013)；

第三、不影响单晶成晶率的情况下，明显达到降低单晶硅电阻率的效果，降低了因拉制极低电阻率硅单晶而造成不良损失的概率；

第四、抑制电阻率反翘，提高了电阻率轴向均匀性。

具体实施方式

实施例1

材料要求：5寸<111>晶向低阻重掺砷，电阻率要求：0.002－0.003Ω.cm；

步骤为：拆清炉后，将重掺砷单晶尾料(电阻率为0.003)作为原料,装入石英坩埚中，其它抽空、化料均按直拉硅正常程序进行；掺杂时，按掺杂5g/kg进行掺杂，掺杂时切换高炉压参数(用高于拉晶炉压30torr执行)烘烤1小时，然后稳温1.5小时开始拉晶步骤：稳温－引晶－扩肩－保持。当晶体保持稳定后，逐渐增加炉压35torr-100torr，直至等径生长完成，收尾停炉。所得单晶头部电阻率可由常规工艺处理后的0.0037降低到0.0029左右；尾部电阻率则由常规工艺的0.00285降低到0.0025，整颗单晶电阻率小于0.003的比例达到接近100％，而且轴向电阻率更均匀。

实施例2

材料要求：5寸<100>晶向低阻重掺锑，电阻率要求：0.007－0.014Ω.cm

步骤为：拆清炉后，将原生多晶料与重掺锑单晶尾料(电阻率为0.025)按1：1比例作为原料，装入石英坩埚中，其它抽空、化料均按直拉硅正常程序进行；掺杂时，按掺杂6g/kg进行掺杂，掺杂时切换高炉压参数(用高于拉晶炉压40torr执行)烘烤3小时，然后稳温2小时，当温度稳定后，开始稳温拉晶步骤：稳温－引晶－扩肩－保持。当晶体保持稳定后，逐渐增加炉压50torr-100torr，直至等径生长完成，收尾停炉。所得单晶头部电阻率由初始(常规工艺)的0.017降低到0.014，尾部电阻率由常规工艺的0.0126左右降低到0.009左右，低电阻率的入档率(即电阻率≤0.014)提高了20％以上。

实施例3

材料要求：6寸<111>晶向重掺磷，电阻率要求0.0008－0.0016Ω.cm

步骤为：拆清炉后，将原生多晶料与重掺磷单晶尾料(电阻率为0.002)按1：1比例作为原料,装入石英坩埚中，其它抽空、化料均按直拉硅正常程序进行；掺杂时，按掺杂4g/kg进行掺杂，掺杂时切换高炉压参数(用高于拉晶炉压40torr执行)烘烤2小时，然后稳温1小时，稳温过程中将氩气改为氩气与磷烷混合气体(磷烷体积分数0.001％)，当温度稳定后，开始稳温拉晶步骤：稳温－引晶－扩肩－保持。当晶体保持稳定后，逐渐增加炉压40torr-100torr，直至等径生长完成，收尾停炉。所得单晶头部电阻率由初始(改善前常规工艺)的0.0015左右降低到0.0012左右；尾部电阻率由初始0.0017(改善前常规工艺)降低到0.00135左右，不仅预防了电阻率反翘，而且轴向均匀性更好。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选取具有电阻率的重掺单晶头尾料，将其与原生多晶料按比例组合并熔化；

(2)将步骤(1)中原料全部熔化后，按正常掺杂量加入掺杂剂，掺杂时切换至高炉压参数进行烘烤，以加快掺杂剂熔入熔体，增加熔入熔体的掺杂量，同时抑制掺杂剂的挥发，高炉压烘烤1-5小时；

(3)烘烤完成后切换至正常拉晶炉压进行稳温，稳温1-2小时后，开始拉晶，在开始长晶时，充入氩气混合气体，以增加炉内掺杂剂的分压，降低熔体表面掺杂剂的挥发；

(4)当单晶保持且生长稳定后，逐步增加炉压，进一步降低掺杂剂的挥发，降低电阻率。

2.根据权利要求1所述的生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，所述重掺单晶头尾料为重掺砷尾料、重掺磷尾料或重掺锑尾料中的一种，其电阻率分别为：重掺砷是0.002～1Ω.cm，重掺磷是0.0018～1Ω.cm，重掺锑是0.008～1Ω.cm。

3.根据权利要求1所述的生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，所述步骤(1)中重掺单晶头尾料与原生多晶料的混合比例为：重掺砷单晶头尾料：原生多晶料＝(1～5)：(1～3)，重掺磷单晶头尾料：原生多晶料＝(1～3)：(0.3～3)，重掺锑单晶头尾料：原生多晶料＝(1～3)：(0.3～3)。

4.根据权利要求1所述的生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，所述步骤(2)中掺杂剂的正常掺杂量为：砷5g/kg－7.5g/kg，锑5g/kg－7.5g/kg，磷3.6g/kg-5.5g/kg。

5.根据权利要求1所述的生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，0<烘烤时的高炉压参数-拉晶时炉压参数≤50torr。

6.根据权利要求1所述的生产直拉重掺极低电阻率硅单晶的方法，其特征在于，所述氩气混合气体为混合有砷烷或磷烷的混合气体，所述混合气体中的砷烷或磷烷的体积分数为0.0001-100％。