CN105239153B - 含辅助加料结构的单晶炉及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含有辅助加料结构的单晶炉及其应用，其特征在于该单晶硅生长炉内部装有辅助加料结构，该辅助加料结构带有独立的称重装置，可在辅助加料的同时，实时监控辅助原料的加入量，从而能实现单晶硅掺杂浓度的精确控制，有利于稳定单晶硅轴向电阻率，以及满足特殊掺杂需求单晶硅晶锭生长。

Description

含辅助加料结构的单晶炉及其应用

技术领域

本发明涉及一种含有辅助加料结构的单晶炉及其应用，具体涉及一种含有辅助加料结构的可在晶锭生长过程中不断添加辅助掺杂剂的单晶硅提拉炉。

背景技术

随着电力电子技术向高频化、节能化、轻量化、小型化发展，对功率半导体器件的频率特性、开关特性、功率容量、功率耗损、高可靠性、低成本提出了新要求。新一代硅微波了器件、肖特基器件、场控高频电力电子器件和功率集成电路要求硅单晶衬底材料为超低阻值（1.8×10^-3Ω•cm）。目前在0.002~0.005Ω•cm的电阻率范围内一般选用重掺砷硅单晶，在低于0.0018Ω•cm的电阻率范围内一般选用重掺磷硅单晶。重掺硅单晶的掺杂一般采用固体掺杂方法，即在装料过程所需的磷和多晶料一次性全部投入石英坩埚中。由于磷的蒸汽压较高，它在多晶硅融化和单晶生长过程中会在液面处大量的挥发，难以有效控制晶锭中实际的掺杂浓度，晶锭轴向掺杂浓度变化梯度大，致使轴向电阻率变化大，晶锭利用率低。

传统的改进方法是在单晶炉上设计一掺杂勺，在原料完全融化后，将提前装入掺杂勺内的含磷元素的原料倒入熔体中。这一方法的缺点是掺杂勺内的原料在升温过程处于高温环境，容易蒸发。在倒入熔体的过程中极易发生溅射，容易破坏炉内结构器件，污染炉内环境，直接影响单晶硅生长，且未改善生长过程熔体中磷元素的挥发而引起的浓度变化。国外曾采用气相掺杂法在硅熔体中掺杂磷元素，所采用的气体均匀磷元素的烷类，空气中易燃易爆，剧毒。气相掺杂装置比较复杂，尾气处理与安全保障投入巨大。生产与运营成本较高，利于规模化生产。

同时，在集成电路用单晶硅生长过程中，由于掺杂元素的分凝问题，熔体中掺杂元素的浓度逐渐升高，导致晶锭从头部到尾部电阻率降低幅度较大，晶锭轴向电阻率波动增大，不利于集成电路设计制造。目前现有技术是在装料过程一次性投入相反导电类型的掺杂元素，从而抑制电阻率降低的速率。该技术虽在一定纯度上能缓解电阻率降低的幅度，但在晶体生长过程中不能进行实时调控，晶锭尾部电阻率变化幅度依然较大，不能彻底解决因分凝而导致的电阻率降低的问题。

针对以上缺点，本发明提供一种带有连续辅助加料结构的单晶硅生长炉以及其应用方法，能实现单晶硅内所含掺杂元素的掺杂浓度的精确控制，稳定晶锭中的掺杂浓度，减小电阻率的波动。

发明内容

本发明是鉴于如上述的问题而完成的，其目的在于提供一种含有辅助加料结构的单晶炉，所述单晶炉可以在晶锭生长过程中，向石英坩埚内按需精确添加辅料例如掺杂剂、多晶硅料，从而满足特殊性能晶锭的生长与制造，诸如高掺杂低电阻率功率器件用的单晶硅片、较小轴向电阻率波动的集成电路用硅片、功率器件用单晶硅片，提高晶锭的品质和利用率。

为了达成所述目的，本发明提供一种含有辅助加料结构的单晶炉，是利用切克劳斯法来实行的单晶硅生长炉，其具备：包括融化原料的石英坩埚，支撑石英坩埚的石墨坩埚，以及坩埚支撑架；坩埚包围于石墨加热器内，在石墨加热器15外，装配有辐射材料4、保温材料5等形成了下部热屏；上部热屏包括漏斗型的具有导流功能的保温热屏17，以及与其相连的水平保温热屏12，从而使上部热屏之上的空间与下部空间仅通过漏斗型热屏的下部中央导通。

同时，本发明在上部热屏的水平保温热屏12之上设有由气缸18、导杆28和导杆33、称重传感器30、称重传感器固定支座29、辅料夹具34、称重杠杆35组成的辅助加料结构。称重传感器30设于上部热屏的水平保温热屏12上方，且固定于内嵌有冷却循环水装置的固定支座29上，固定支座29固定于气缸18所连连接的导杆28上，该设计有利于减小高温对称重传感器30的干扰与侵蚀，有利于提高称重传感器30的使用寿命和测量精度。称重杠杆35的支点32与气缸18下的导杆28的下端连接，称重杠杆35的一端连接辅料夹具34，称重杠杆35的另一端连接称重导杆33，且称重杠杆35支点32距离辅料夹具34的臂长不小于称重杠杆35总长度的5/6，通过该设计将辅料夹具34所夹持的辅料23的重量放大5倍以上，从而使重量监测更加精确，有利于微量掺杂元素掺杂浓度的精确控制。

进一步，所述的称重杠杆35、辅料夹具34由高纯SiO₂陶瓷或玻璃制成，以减少辅助加料结构中有害元素对硅原料的污染。且称重杠杆35的长度应保证辅料夹具34所夹持的辅料23能顺利下降至石英坩埚16内。

更进一步，所述的辅料夹具34的中心法线距离石英坩埚壁的垂直距离不小于50mm。假如所需添加的辅料23的熔点略高于或小于单晶硅晶锭11的熔点，在升温化料过程或晶锭生长过程，可能导致石英坩埚壁和熔体14的辐射热直接将所需添加的辅料23熔化，丧失精确控制辅料23添加量和添加速率的设计目的。

进一步，所述的辅料夹具34呈圆环状且设有辅料固定卡槽，或者在圆环状辅料夹具34的侧面设有一对通孔，以便于插销24固定所需添加的辅料23。

进一步，所述的导杆28和导杆33相互平行且竖直穿过上部水平保温热屏12，经由滑块27和滑块31固定于上部热屏的水平保温热屏12上。导杆33一端固定于称重杠杆35的非辅料夹具34端，且与称重杠杆35垂直；同时导杆33的另一端竖直顶压在称重传感器33上。

本发明还提供一种含有辅助加料结构的单晶炉的应用方法，即通过该单晶炉生长单晶硅的方法，其特征在于在晶锭提拉生长过程中，通过辅助加料结构不断向坩埚中添加辅助原料，修正坩埚内熔体中掺杂元素的浓度的偏差，生长出轴向电阻率波动较小的单晶硅晶锭的方法。至少包括：将投入石英坩埚16内的多晶原料融化的工序、从该多晶料熔液14生长单晶硅11的工序、降温冷却收晶锭的工序，其特征在于：

所述的投入石英坩埚内的原料融化工序，还包括将辅料23例如硅合金通过由SiO₂制造的插销固定于辅料夹具34上，并调整辅料23的高度、计算当前重量。

所述的向熔体里添加辅料23的工序，还包括在晶锭提拉生长的同时，通过辅助加料装置将熔体中所需补偿的辅料23，通过气缸18的推动精确地浸入熔体中。

本发明公布的带有辅助加料结构的单晶炉，能够通过称重传感器30精确控制辅料23的实时添加量，满足单晶硅生长过程需要实时监控调整加料方案的需求。同时通过称重杠杆35原理放大辅料23的重量，提高辅料23添加量的监控精度。同时可通过称重反馈及时修正气缸18的推进速率，实现辅料23添加量的实时调整。

因而，通过本发明对于生长N型、P型集成电路级单晶硅，可在晶锭生长过程通过模拟分析晶锭中主掺杂元素因分凝而导致的浓度升高的速率，设定相应的辅料23添加控制程序，不断向熔体中添加相反导电类型的元素，从而抵消因主掺杂元素分凝而导致晶锭中掺杂元素浓度不断升高而增多的载流子，解决随着晶锭的生长新结晶区域电阻率不断下降的问题，有利于降低晶锭轴向电阻率波动的幅度，提高晶锭轴向电阻率的均匀性，提供晶锭的品质和利用率。

同时，通过本发明对于生长高导电性低电阻率的功率器件用单晶硅而言，可在晶锭生长过中通过该装置根据磷元素的挥发速率，不断向熔体中补充挥发的磷元素，从而保证晶锭中磷元素的掺杂浓度，提高晶锭中磷元素的平均掺杂浓度，降低晶锭电阻率的同时，满足功率器件对单晶硅必须具有低的轴向电阻率波动的严格要求。

附图说明

图1为含辅助加料结构的单晶炉整体示意图。

图2为单晶炉中辅助加料结构示意图。

具体实施方式

以下，说明本发明的实施形态，但本发明并不限定于此实施形态。

传统的技术是在单晶炉上设计一掺杂勺，在原料完全融化后，将提前装入掺杂勺内的二次添加原料倒入熔体中。这一方法的缺点是掺杂勺内的原料在升温过程处于高温环境，容易蒸发。在倒入熔体的过程中极易发生溅射，容易破坏炉内结构器件，污染炉内环境，直接影响单晶硅生长。该方法在熔体融化后，直接将原料投入熔体中，对于重掺磷元素的功率器件用单晶硅，该方法只能弥补在原料融化过程挥发的磷元素，不能对整个生长过程磷元素的逐渐挥发起到弥补作用；对于生长N型、P型集成电路级单晶硅而言，掺杂元素浓度的变化因分凝而导致，掺杂浓度随着晶锭的不断生长而逐渐变化，因而一次投入不能起到改善和稳定掺杂浓度波动的作用。

因此，本发明人针对以上问题，设计了该种能实时监测与调控辅料添加量的装置，图1是表示本发明含有辅助加料结构的单晶炉整体示意图，图二为单晶炉中辅助加料结构的示意图。

如图1所示的单晶炉，将盛装原料的石英坩埚16、石墨坩埚13、加热原料并使其融化成熔液的石墨电阻加热器15等，置于下部主腔室20内，并将石英坩埚16、石墨坩埚置13于坩埚旋转支架7上。从安装于此上部副腔室19的上部提拉结构1中绕出提线8，在此提线8的前端连接有由于安装籽晶的籽晶夹具19，将安装于籽晶夹具19前端的籽晶10浸渍于多晶硅原料熔液14中，利用提拉结构1卷取提线8，从而在籽晶10的下方形成单晶硅晶锭11。又，围绕着生长的单晶硅晶锭11，设置圆锥形导流筒17，该导流筒17使用石墨材料制得，并可屏蔽石墨加热器15、石英坩埚16或原料熔液14对单晶硅晶锭11的辐射热；在导流筒17上端周围设有将上下空间隔离的水平保温热屏12，从而使副腔室19仅能通过导流筒17中央与主腔室20连通。

为了将炉内产生的氧化物排出炉外等，由设置于副室上部的气体进气口2导入氩气等惰性气体，并通过圆锥形导流筒17的内侧，整流至提拉中的单晶硅晶锭11的附近，通过原料熔液表面22，再通过石英坩埚16的上端边缘的上方流入主腔室20的下部空间，最后由下部出气口6排出。由此，可以利用气体带走晶锭和生长界面处的热量，提高温度梯度，加快晶锭生长。同时，加速带走液面处排出的SiO气体，降低溶液中的氧浓度，有利于提高晶锭品质。

此外，本发明在水平热屏之上特别设计了辅助加料结构，气缸18竖立固定于单晶炉上部炉壁3上，气缸18导杆28和称重导杆33相互平行且竖直穿过水平热屏，并由滑块31和滑块27固定于水平热屏上；称重导杆33下端与称重杠杆35的一端垂直硬连接，气缸18所连导杆28的下端与称重杠杆35活动连接形成支点32，称重杠杆35的另一端设有圆环形辅料夹具34，辅料夹具34上开有卡槽或通孔，用于固定所需添加的辅助原料23。在导杆28上固定有与导杆28相垂直的带有冷却循环水装置的固定支座29，用于在其下方固定称重传感器30，使称重导杆33垂直顶压在称重传感器30上。

以下，举出本发明的实施例，更详细地说明本发明，但这些是实力并不是用以限定本发明。

实施例1

对于本发明的图1所示的单晶炉，结合本发明所述的辅助加料结构生长低轴向电阻率波动的高电阻N型单晶硅晶锭。

采用Cz法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅。首先通过标准砝码，校正称重传感器系数，使称重偏差小于3%。随后，向石英坩埚内一次性投入120Kg掺杂磷元素的多晶硅原料。加工一根ϕ20×200mm的p型单晶硅棒，该P型单晶硅的平均电阻率为0.30Ω·cm，即该P型单晶硅棒内部的硼元素的浓度约为3.7×10¹³atoms/cm³；同时在该P型单晶硅棒的距离末端20mm的位置加工一个凹槽，通过洁净处理后用插销固定于辅料夹具上。随后，合拢主腔室4、副腔室3，抽真空、通氩气，打开主加热器电源，使石墨电阻加热器15对石英坩埚16加热，逐渐升至1420℃左右，直到石英坩埚16内的多晶料全部融化。缓慢下降籽晶10，使籽晶头接触熔体表面22，完成引晶工艺；同时，通过气缸18逐渐下降P型半导体单晶硅棒23的高度，使硅棒23的下端刚好接触液面22。随后，向上提拉籽晶10，执行缩颈生长工艺。

待新生籽晶直径达到要求后，降低提拉速率，执行放肩、转肩、等径生长等工艺，并实时监控和反馈晶锭的质量的变化。通过晶锭的实时质量计算出所需添加的硼元素的含量，通过气缸推动导杆使P型单晶硅棒以N型晶锭每生长1Kg向下推动1.7mm的速度向坩埚内补充硼元素，从而逐渐抵消因磷元素分凝而导致浓度逐渐升高而增加的空穴型载流子，从而稳定所生长的N型单晶硅晶锭中轴向空穴型载流子密度，即减小晶锭轴向电阻率波动范围。在晶锭达到100Kg时，执行收尾程序，同时控制气缸使P型单晶硅棒脱离熔体液面。收尾结束后，执行冷却工序并出炉。

对所生长的单晶硅晶锭进行加工处理，切段取片测试电阻率。其结果表明，晶锭头部的电阻率为73Ω·cm；最大电阻率位于晶锭生长至80Kg处，其电阻率为95Ω·cm，晶锭尾部的电阻率为70Ω·cm。

实施例2

对于本发明的图1所示的单晶炉，结合本发明所述的辅助加料结构生长超低电阻率的低轴向电阻率波动的功率器件用N型单晶硅晶锭。

采用Cz法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭，电阻率目标值为60-100Ω。首先通过标准砝码，校正称重传感器30的称重系数，使称重偏差小于3%。随后，向石英坩埚内一次性投入120Kg掺杂硼元素的多晶硅原料。加工一根ϕ20×200mm的Si-Ga合金棒，该合金棒中Ga元素的质量比为0.1%，同时在该Si-Ga合金棒的距离末端20mm的位置加工一个凹槽，通过洁净处理后用插销固定于辅料夹具34上。随后，合拢主、副腔室，抽真空、通氩气，打开主加热器电源，使石墨电阻加热器15对石英坩埚加热，逐渐升至1420℃左右，直到石英坩埚16内的多晶料全部融化。然后通过气缸18逐渐下降Si-Ga合金棒，使Si-Ga合金棒的下端靠近熔体表面，但不与熔体表面接触；同时下降籽晶，完成引晶工艺后，向上提拉籽晶，执行缩颈生长工艺。

按照常规晶体生长参数进行引晶、放肩、等径生长、收尾降温等工序控制的同时，当晶锭重量增长至65kg时，通过气缸缓慢下降Si-Ga合金棒，下部的合金棒逐渐被融化。当合金棒的质量减少10g之后，通过气缸拉起合金棒，完成辅料添加工作。待晶锭生长至105kg时，开始进行收尾，整个晶体重量为111kg。

对所生长的单晶硅晶锭进行加工处理，切段取片测试电阻率。其结果表明，晶锭等径头部的电阻率为99Ω·cm；生长至在65Kg处电阻率降至61Ω·cm，在66kg处添加Si-P合金后，晶锭新生区域电阻率变为97Ω·cm，晶锭等径尾部的电阻率为58Ω·cm。可见通过该发明，晶锭等径区域的电阻率最小值为58Ω·cm，最大值为99Ω·cm，电阻率波动幅度为41Ω·cm，从而大大提高了晶锭的品质和利用率。

实施例3

对于本发明的图1所示的单晶炉，结合本发明所述的辅助加料结构生长低轴向电阻率波动的功率器件用高电阻P型单晶硅晶锭，一般要求电阻率不低于50Ω.cm，电阻率变化率要求优选不高于15%。

采用CZ法生长8英寸<100>方向的P型单晶硅棒。首先通过标准砝码，校正称重传感器系数，使称重偏差小于3%。随后，向石英坩埚内一次性投入120Kg掺杂硼元素的多晶硅原料，硼的初始浓度为1.78E14 atoms/cm³。加工一根尺寸为ϕ20×200mm的Si-P的合金棒，该合金棒中磷元素的质量比为0.1%，在该合金棒距离末端20mm的位置加工一个凹槽，通过洁净处理后用插销固定于辅料辅料夹具34上。然后向石英坩埚中加入120kg的含由硼元素的多晶硅原料，在惰性气体（通常为氩气）的保护下，打开加热器逐步升温到1420℃以上使得原料完全熔化。随后，缓慢下降籽晶，使籽晶头接触熔体表面，完成引晶工艺；同时，通过气缸逐渐下降Si-P合金棒，使Si-P合金棒的下端刚好接触液面。随后，向上提拉籽晶，执行缩颈生长工艺。

按照常规晶体生长参数进行引晶、放肩、等径生长、收尾降温等工序控制的同时，当晶锭重量增长至66kg时，通过气缸缓慢下降Si-P合金棒，下部的合金棒逐渐被融化。当合金棒的质量减少160mg之后，通过气缸拉起合金棒，完成辅料添加工作。待晶锭生长至105kg时，开始进行收尾，整个晶体重量为111kg。

对所生长的单晶硅晶锭进行加工处理，切段取片测试电阻率。其结果表明，晶锭等径头部的电阻率为73Ω·cm；生长至在66Kg处的电阻率降至55Ω·cm，在66kg处添加Si-P合金后，晶锭新生区域电阻率变为73Ω·cm，晶锭等径尾部的电阻率为58Ω·cm。可见通过该发明，晶锭等径区域的电阻率最小值为55Ω·cm，最大值为73Ω·cm，电阻率波动幅度为18Ω·cm，从而大大提高了晶锭的品质和利用率。

比较例1

采用与实施例3相同的晶锭制造方法生长P型半导体单晶硅晶锭，仅在等径生长过程中不添加Si-P合金棒辅料。生长结束后，晶锭等径头部和尾部的硅片进行电阻率测试，电阻率分别为73Ω·cm和32Ω·cm，晶锭轴向电阻率波动幅度51Ω·cm，晶锭性能均匀性较差，且晶锭有效利用率较低。

Claims (2)

1.一种含辅助加料结构的单晶炉，其特征在于在上部热屏的水平保温热屏(12)之上设有由气缸(18)、导杆(28)、称重导杆(33)、称重传感器(30)、称重传感器固定支座(29)、辅料夹具(34)、称重杠杆(35)组成的辅助加料结构；气缸(18)竖立固定于单晶炉上部炉壁(3)上，导杆(28)和称重导杆(33)相互平行且竖直穿过水平保温热屏(12)，并分别由第一滑块(27)和第二滑块(31)固定于水平保温热屏(12)上；称重导杆(33)下端与称重杠杆(35)的一端垂直硬连接，气缸(18)所连导杆(28)的下端与称重杠杆(35)活动连接形成支点(32)，称重杠杆(35)的另一端连接设有圆环形辅料夹具(34)；辅料夹具(34)上开有卡槽或通孔，用于固定所需添加的辅料(23)；在导杆(28)上固定有与导杆(28)相垂直的带有冷却循环水装置的称重传感器固定支座(29)，用于在其下方固定称重传感器(30)，使称重导杆(33)垂直顶压在称重传感器(30)上；称重传感器(30)位于上部热屏的水平保温热屏(12)上方；所述称重杠杆(35)上的支点(32)距离辅料夹具(34)的力臂长度不小于称重杠杆(35)总长度的5/6；所述的称重杠杆(35)、辅料夹具(34)由高纯SiO2陶瓷或SiO2玻璃制成；所述辅料夹具(34)距离石英坩埚壁的垂直距离不小于50mm。

2.根据权利要求1所述的一种含辅助加料结构的单晶炉，其特征在于所述的含辅助加料结构单晶炉应用在晶锭提拉生长过程中，通过辅助加料结构不断向坩埚中添加辅料，修正坩埚内熔体中掺杂元素的浓度的偏差，生长出轴向电阻率波动较小的单晶硅晶锭。

Images