CN105951173A - N型单晶硅晶锭及其制造方法 - Google Patents

N型单晶硅晶锭及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于在Cz法N型单晶硅硅锭提拉生长过程，通过缓慢且连续地向石英坩埚中添加相反导电类型的掺杂元素，提高晶锭中相反导电类型元素的浓度，抵消因分凝引起的熔体中主掺杂元素浓度的快速升高而使晶锭中增多的电子型载流子，从而解决在晶锭生长末期电阻率快速下降的问题。通过该发明，可以得到轴向电阻率波动小于30Ω•cm的N型单晶硅晶锭。

Description

N型单晶硅晶锭及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种N型单晶硅晶锭的制造方法，具体涉及通过硼、磷共掺的方式缩小晶锭轴向电阻率波动的集成电路级N型单晶硅晶锭制造方法。
背景技术
在传统单晶硅生长过程中，在纯硅原料中掺杂ⅤA族元素，使单晶硅中产生自由电子型载流子，从而形成N型半导体单晶硅。由于掺杂元素与硅元素晶格不匹配，在单晶硅生长过程中存在分凝现象，即掺杂元素结晶于单晶硅晶锭中的浓度小于熔体(原料)中的浓度，使得掺杂元素在坩埚中的浓度不断升高，从而使单晶硅晶锭中掺杂元素的浓度也不断升高，致使单晶硅晶锭生长末期掺杂元素浓度急剧升高，载流子密度随之显著升高，晶锭电阻率急剧下降，晶锭轴向电阻率变化梯度较大。近年来伴随着电子元器件尤其是功率器件要求电阻率变化率梯度越来越小，通过改变掺杂方式来减小电阻率的变化变得非常重要。
现有技术一般是通过掺杂两种或两种以上传导性相反的ⅢA族或ⅤA族元素来缩小电阻率的变化。诸如，ⅢA族元素常用作P型单晶硅的主掺杂剂，产生空穴型载流子，主要有硼、铝、镓等；ⅤA族元素常用作N型单晶硅晶锭的主掺杂剂，产生电子型载流子，主要是磷元素；借助电子-空穴对互补原理控制单晶硅中电阻率的变化，在P型单晶硅中掺杂ⅤA族元素来抑制主掺杂剂浓度升高而导致电阻率降低，反之N型单晶硅中可掺杂ⅢA族元素。其具体操作，通常是将含有两种相反导电类型掺杂元素的多晶原料一次性直接投入石英坩埚内，借助不同元素在单晶硅中具有不同的分凝系数，调整单晶硅锭从头到尾掺杂元素的浓度，即调整电子型导电类型元素与空穴型导电类型元素的比例或含量，从而使生长的单晶硅内的电阻率控制在一个很小的范围内。
例如在P型半导体单晶硅锭中，B元素为主掺杂剂，产生空穴型载流子决定晶锭导电类型，其的分凝系数约0.7左右；而P元素为副掺杂剂，产生电子型载流子抵消因分凝而增加的空穴型载流子，其的分凝系数在0.3左右；两者互补抵消后，剩下的空穴型载流子密度决定晶锭的电阻率。在N型半导体单晶硅锭中，与之相反；P为主掺杂剂，B为副掺杂剂，两者互补抵消后，剩下的电子型载流子的密度决定晶锭的电阻率。但在N型半导体单晶硅中，由于掺杂剂B元素的分凝系数约0.7高于主掺杂剂P元素分凝系数的0.3，若将P元素一次性投入石英坩埚中，虽能起调节晶锭整体的电阻率波动幅度，提高晶锭利用率。但是一次投入会造成晶锭新生区域电阻率突然升高，晶锭轴向电阻率波动梯度增大；同时在晶锭生长的中后期，由于P元素的分凝较小，致使晶锭中副掺杂剂P元素的浓度过高，电阻率严重升高，反而增大硅锭轴向电阻率波动的梯度，不利于大功率器件的应用。因而如果我们能采用ⅢA族元素（如：B元素）以新型工艺在缩小N型半导体硅锭轴向电阻率波动的幅度的同时，缩小其波动梯度将具有重大意义。
专利CN201180063344.1和CN201210391297.X曾做出相关报道。但两者均是将主副掺杂元素与多晶硅原料同时加入到石英坩埚中进行升温熔化。在N型单晶硅晶锭实际生产过程中，过早的加入磷对电阻率改善并无多大作用，因为B元素的分凝系数远大于P元素的分凝系数，随着硅单晶的生长，硅熔体中因分凝而导致P元素浓度升高的速率大于B元素，在晶锭生长的末期会导致电阻率异常的升高，可见过早加入磷并不是理想的。进一步地，在实际生产中，很难监测掺杂元素的含量，尤以P元素容易挥发，电阻率很容易偏离目标值。
专利CN201210382987.9报道了一种提高单晶硅轴向电阻率均匀性的方法，它采用气相掺杂的方式，改善单晶硅轴向电阻率均匀性。其采用掺杂气体均为B、P元素的烷类，诸如所述的乙硼烷、磷烷，具在空气中极易自燃，易爆，剧毒等缺点，安全性极差，使用与处理成本高，可操作性差。同时，该气相掺杂过程中氩气流速度快、流量大，掺杂气体利用率低且掺杂元素难以有效融入硅熔体中，因而对硅锭中轴向电阻率波动控制能力有限，仅适于电阻率较低的光伏太阳能电池使用。
针对现有技术的不足，本申请提供了一种N型单晶硅晶锭的制造方法，所获得的硅锭电阻率较高，且单晶硅轴向电阻率波动小。
发明内容
本发明在采用Cz法提拉生长N型单晶硅晶锭的过程中，缓慢连续地向坩埚中添加相反导电类型（空穴型）的副掺杂元素，提高熔体中相反导电类型掺杂元素的浓度，提高晶锭中相反导电类型元素的浓度，抵消因分凝而引起晶锭中主掺杂元素浓度升高而增加的电子型载流子。通过精确控制副掺杂元素的添加量和添加速率，稳定新结晶区域晶锭中的电子型载流子密度，以稳定新结晶区域的电阻率，缩小整个晶锭轴向电阻率波动幅度，提高晶锭利用率和晶片电学性能品质。
进一步，所述的主掺杂元素为ⅤA族元素，优选磷元素。主要在硅晶锭中提供电子型载流子，使其体现N型半导体特性。
进一步，所述的副掺杂元素为ⅢA族元素，优选B元素。主要在硅晶锭中提供空穴型载流子，在N型晶锭中与电子型载流子中和，形成空穴-电子对而稳定下来。从而降低载流子密度，提高电阻率。
进一步，副掺杂元素的添加速率决定于熔体的结晶率，即与所生长晶体的实时重量相关。随着熔体的不断结晶，熔体中引分凝所残留的主掺杂元素浓度逐渐升高，致使新结晶的晶锭区域主掺杂元素浓度升高。结晶率越高，剩余的熔体越少，残留的主掺杂元素越多，因而所需的副掺杂元素的量也因适当增加。因而副掺杂元素的添加速率决定于熔体的结晶率。
本发明还提供一种N型单晶硅晶锭的制造方法，在Cz法N型单晶硅晶锭提拉生长过程中，将棒条状P型硅棒竖立并不断地浸入硅熔体中，实现在硅熔体中不断添加相反导电类型掺杂元素的目的，从而生长出电阻率变化波动较小的N型单晶硅晶锭。P型硅棒浸入硅溶液的速度满足如下公式
v=1.7+k×m
其中，v为棒条状P型硅棒竖直向下浸入硅熔体的速度，单位mm/kg，
k为修正系数，单位mm/kg2，其取值范围为0~0.02；
m为所生长的N型晶锭的实时重量，单位kg。
即，N型单晶硅晶锭晶锭每生长1kg，棒条状P型硅棒向熔体里浸入（1.7+k×m）mm。
进一步，所述的P型硅棒可由Cz法生长的P型单晶硅锭切割加工而获得，其平均电阻率的范围为0.2Ω•cm~0.3Ω•cm。单晶硅棒的外形可以为圆柱形、方条形，优选20mm×20mm×200mm的方条。
进一步，其特征在于所述的N型单晶硅晶锭晶锭电阻率波动的幅度不大于30Ω•cm。
本发明将具有一定电阻率的P型硅锭材料逐步添加至高温硅熔体中，通过精确控制其添加速率，逐步增加熔体中空穴型导电类型的元素的浓度，抵消因分凝引起的熔体中主掺杂元素浓度的快速升高而使晶锭中增多的电子型载流子，从而解决在硅锭生长末期电阻率快速下降的问题。
具体实施方式
具体而言，本发明提供一种N型单晶硅晶锭及制造方法，采用一般的Cz法单晶硅生长炉，多晶硅原料的纯度达到11N或更高，即集成电路级多晶硅原料，主掺杂元素为磷元素，升温化料前一次性加入石英坩埚中，经抽真空、升温化料、引晶、缩颈等工艺进入晶体生长过程。当进入放肩过程后，将用P型硅锭制作的棒条状原料，根据熔体的结晶率，调整棒状原料浸入熔体的速率，直到整个晶体生长工艺结束。所生长的晶锭经切段、取样测试，分析晶锭轴向电阻率分布情况。
实施例 1
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在70~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长的升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩等工艺进入等径生长过程，将平均电阻率为0.30Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面1.7mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中；即k的取值为零，不进行速率修正，以1.7mm/kg的速率向溶液中添加。当所生长的N型硅晶锭重量为104kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称的晶锭总重量为111kg。
对晶锭切段并取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为73Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭80Kkg的部位测得电阻率最大值变为95Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为70Ω•cm，轴向电阻率波动的幅度小于等于25Ω•cm。
分析表明，晶锭在80kg以前，硅锭中P元素浓度升高的速率小于B元素升高的速率，B元素产生的空穴型载流子密度大于P元素增加的电子型载流子密度，从而使得电阻率升高。随后由于P元素分凝系数小，B元素分凝系数大，致使晶锭中P元素的浓度急剧升高，硅锭中P元素浓度升高的速率大于B元素升高的速率，使得B元素产生的空穴型载流子密度小于P元素增加的电子型载流子密度，从而使得电阻率降低。通过缓慢持续添加副掺杂剂的方式，前期减慢电阻率升高的速率，后期增强电阻率降低的抑制能力。从而降低轴向电阻率波动幅度与梯度。
实施例 2
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在70~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长的升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩等工艺进入等径生长过程，将平均电阻率为0.30Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面（1.7+0.02×m）mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中；即k的取值为0.02。当所生长的N型硅晶锭重量为104kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称的晶锭总重量为111kg。
对晶锭切段并取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为73Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭82kg的部位的测得电阻率最大值变为98Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为78Ω•cm，轴向电阻率波动的幅度小于等于25Ω•cm。
分析表明，进行添加速度修正后，82kg之前的部分，电阻率变化稍微增大，后段电阻率的波动幅度显著减小，即轴向单位长度的电阻率波动减小。
实施例 3
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在70~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长的升温化料、引晶、缩颈、放肩、转肩等工艺进入等径生长过程，将平均电阻率为0.30Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面（1.7+0.0113×m）mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中；即k的取值为0.0113。当所生长的N型硅晶锭重量为104kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称的晶锭总重量为111kg。
对晶锭切段并取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为73Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭81kg的部位的测得电阻率最大值变为97Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为73Ω•cm，轴向电阻率波动的幅度小于等于24Ω•cm。
实施例 4
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为6.8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在85~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长工艺，在进入等径生长过程，将平均电阻率为0.28Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1Kg则P型硅棒浸入液面（1.7+0.0113×m）mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中，即修正系数k取0.0113。当所生长的N型硅晶锭重量为100kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称得晶锭总重量为107kg。
对晶锭切段取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为87Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭80kg的部位测得最大电阻率变为97Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为85Ω•cm。
通过晶锭的瞬时重量进一步修正副掺杂元素的添加速率，从而实现对晶锭电阻率的波动精确控制，降低晶锭轴向电阻率波动幅度与梯度，提高晶锭轴向电阻率的均匀性。
实施例 5
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为6.8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在85~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长工艺，在进入等径生长过程，将平均电阻率为0.2Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面1.7mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中，即修正系数k取0。当所生长的N型硅晶锭重量为100kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称得晶锭总重量为107kg。
对晶锭切段取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为86Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭78kg的部位测得最大电阻率变为95Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为78Ω•cm。其轴向电阻率波动的幅度小于等于17Ω•cm。
实施例 6
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为6.8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在85~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长工艺，在进入等径生长过程，将平均电阻率为0.2Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面（1.7+0.02×m）mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中，即修正系数k取0.02。当所生长的N型硅晶锭重量为100kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称得晶锭总重量为107kg。
对晶锭切段取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为86Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭81kg的部位测得最大电阻率变为103Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为88Ω•cm。其轴向电阻率波动的幅度小于等于17Ω•cm。
实施例 7
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为6.8×1013 atoms/cm3，计划生长电阻率在85~100Ω•cm的N单晶硅硅锭。按照常规的Cz法单晶硅生长工艺，在进入等径生长过程，将平均电阻率为0.2Ω•cm的尺寸为20mm×20mm×200mm的P型单晶硅棒竖直插入石英坩埚中，使P型硅棒下端接触熔体液面。通过称重传感器测量晶锭的瞬时重量，控制P型硅棒以硅锭每生长1kg则P型硅棒浸入液面（1.7+0.0121×m）mm的速率，将P型硅棒中的B元素融入硅熔体中，即修正系数k取0.0121。当所生长的N型硅晶锭重量为100kg时，开始进行收尾。经降温冷却后，称得晶锭总重量为107kg。
对晶锭切段取样，对其电阻率进行测试得，等径段晶锭的头部电阻率为86Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在晶锭81kg的部位测得最大电阻率变为96Ω•cm，而在等径段的尾部电阻率变为86Ω•cm。其轴向电阻率波动的幅度小于等于10Ω•cm。
比较例 1
采用CZ法生长8英寸<100>方向的N型单晶硅晶锭。在石英坩埚中加入120kg含有磷元素的集成电路级多晶硅原料，原料中磷元素的初始浓度为5.9×1013 atoms/cm3。按照常规的Cz法单晶硅生长工艺，生长N型单晶硅晶锭。与实施例1一样对晶锭切段取样测试电阻率，等径段晶锭的头部电阻率为99Ω•cm，沿着晶体生长的方向，在等径段的尾部电阻率变为25Ω•cm。晶锭头尾电阻率差值达到72Ω•cm，晶锭轴向电阻率波动梯度大，晶锭品质差、利用率低。

Claims (7)

1.一种N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于，在N型单晶硅晶锭提拉生长过程中，将棒条状P型硅棒不断浸入硅熔体中，生长出轴向电阻率波动较小的N型单晶硅晶锭，P型硅棒浸入硅熔体的速度满足如下公式
ν=1.7+k×m
其中，ν为棒条状P型硅棒竖直向下浸入硅熔体的速度，单位mm/kg；
k为修正系数，单位mm/kg2；
m为所生长的N型晶锭的实时重量，单位kg；
即，N型单晶硅晶锭每生长1kg，棒条状P型硅棒向熔体里浸入（1.7+k×m）mm。
2.根据权利要求1所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的公式中系数k的取值范围为0~0.02。
3.根据权利要求1或2所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的P型硅棒平均电阻率的范围为0.2Ω•cm~0.3Ω•cm。
4.根据权利要求1或2所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的P型硅棒经由P型单晶硅晶锭切割加工而成。
5.根据权利要求1或2所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的棒条状P型硅棒可以为圆柱形、方条形。
6.根据权利要求1或2所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的棒条状P型硅棒的尺寸优选20mm×20mm×200mm。
7.根据权利要求1或2所述的N型单晶硅晶锭的制造方法，其特征在于所述的N型单晶硅晶锭轴向电阻率波动的幅度不大于30Ω•cm。
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