CN107604437A - 在石英坩埚中制备硅熔融体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，所述方法包括：将钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中进行熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。本发明采用多晶硅与钡掺杂的硅晶片熔化而形成熔融物质混合，能在与熔融体接触的石英坩埚的底部及侧壁上形成不透明的二氧化硅层。在晶体生长过程中，形成于坩埚内表面上不透明的二氧化硅层可以降低熔融体以及已经生长的晶体杂质水平。另外，本发明通过离子注的方式入对硅片进行钡掺杂，可以简便且精确地控制钡离子的掺杂量，大大的拓展了本发明的实用性。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法以及直拉生长单晶硅的方法。
背景技术
提拉法被广泛用于制备单晶硅材料，石英坩埚通常被用于承载单晶硅熔融体。提拉法的工艺过程是采用一个具有预定义取向的籽晶沉浸在熔融体中，使籽晶和熔融体在不同方向上旋转，然后慢慢地往上提拉，提拉的过程中，熔融体在表面张力的作用下随着籽晶逐渐被拉起，并冷却结晶成为连续的单晶体。在这个提拉的过程中，石英玻璃坩埚需要承受数小时的高温，因而其必须具有高的机械强度，以及稳定的化学性质及热应力形变，从而保证其不发生明显的塑性变形。而且，坩埚的体积越大，在其中承载的熔融体量就越大，熔融体熔化所需的时间就越长。
在直拉单晶硅生长的过程中，由于石英坩埚工作在非常高的温度下，导致石英坩埚的埚壁会逐渐熔解，一部分的石英颗粒溶解进入到硅熔融体中，这些石英颗粒不仅会使单晶硅熔融体在坩埚与熔融体的界面上逐渐成核生长，最重要的一个影响是，这些石英颗粒很容易逐渐在硅熔融体中释放，从而导致最终的硅晶锭内形成大量的位错缺陷。
美国专利US6319313公开了一种用于生长硅的硅熔融体坩埚的制备方法，用于生长单晶硅锭。该方法首先将多晶硅和钡剂放入到具有底壁和侧壁的坩埚中，并包含小于约0.5％的不溶于硅的气体，使多晶硅被熔化以在坩埚中形成熔融体。最后，在坩埚与熔融体接触的表面形成二氧化硅层。在熔化和晶体生长的过程中，钡作为晶体生长促进剂使得坩埚与熔融体的界面形成一层二氧化硅，这层二氧化硅可以降低熔融体及后续形成的晶体中的污染物。所述钡剂选自氧化钡、硅酸钠、醋酸钡，钡硅化物、氢化钡，氯化钡、草酸钡、碳酸钡、氧化硅钡和/或在多晶硅及钡的合金。然而，这种钡物质的添加量需要非常精确，从而阻碍了这种方法的使用。此外，由于在坩埚表面的结晶促进剂(钡)是均匀分布，使得二氧化硅的生长几乎是不可控制的。
基于以上所述，提供一种可以降低单晶硅缺陷，提高半导体器件稳定性的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法以及直拉生长单晶硅的方法，用于解决现有技术中直拉法制备单晶硅中缺陷较多的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，所述方法包括：提供钡掺杂的硅片以及多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中进行熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。
作为本发明在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的一种优选方案，将所述硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中的同时通入气体，所述气体包括氩气。
作为本发明在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的一种优选方案，所述钡掺杂的硅片的制备包括步骤：采用离子注入方法，对硅片进行钡离子注入掺杂。
优选地，所述钡离子的注入能量范围为100keV～1000keV，注入剂量为1E12～1E18ions/cm2。
作为本发明在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的一种优选方案，所述硅片与多晶硅原料的熔化选用的温度范围为1410～2000℃。
作为本发明在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的一种优选方案，所述石英坩埚包括坩埚底部以及坩埚侧壁，且在熔融过程中，所述坩埚底部以及坩埚侧壁均形成不透明的二氧化硅层。
作为本发明在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的一种优选方案，所述熔融体中，每立方厘米熔融体包含的钡原子的质量1.0×10-8～1.0×10-6克。
本发明还提供一种直拉生长单晶硅的方法，所述方法包括：步骤1)，提供钡掺杂的硅片以及多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中进行熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度；以及步骤2)，采用加磁场直拉法形成单晶硅锭。
作为本发明的直拉生长单晶硅的方法的一种优选方案，步骤2)包括：步骤2-1)，对熔化有钡掺杂的硅片以及多晶硅原料的石英坩埚施加磁场；步骤2-2)，采用籽晶以预定拉晶速率向上拉晶，待细晶长度达到预定长度时，降低拉晶速率进入放肩步骤；以及步骤2-3)，在所述放肩步骤中降低拉晶速率，，形成预定直径的单晶硅锭后，进入转肩等径步骤。
如上所述，本发明的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法以及直拉生长单晶硅的方法，具有以下有益效果：本发明采用多晶硅与钡掺杂的硅晶片熔化而形成熔融物质混合，能在与熔融体接触的石英坩埚的底部及侧壁上形成不透明的二氧化硅层。在晶体生长过程中，形成于坩埚内表面上不透明的二氧化硅层可以降低熔融体以及已经生长的晶体杂质水平。另外，本发明通过离子注的方式入对硅片进行钡掺杂，可以简便且精确地控制钡离子的掺杂量，大大的拓展了本发明的实用性。
附图说明
图1显示为本发明的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法的步骤流程示意图。
图2显示为本发明的直拉生长单晶硅的方法的步骤流程示意图。
元件标号说明
S11～S13 实施例1步骤1)～步骤3)
S21～S24 实施例2步骤1)～步骤4)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，所述方法包括：提供钡掺杂的硅片以及多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中进行熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。
如图1所示，具体地，包括步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)S11，提供硅片，采用离子注入方法，对所述硅片进行钡离子注入掺杂。
作为示例，所述钡离子的注入能量范围为100keV～1000keV，注入剂量为1E12～1E18ions/cm2。在本实施例中，所述钡离子的注入能量范围为500keV，注入剂量为1E15ions/cm2。当然，所述钡离子的注入能量和注入剂量可以依据需求进行调整，并不限于此处所列举的示例。
本发明通过离子注的方式入对硅片进行钡掺杂，可以简便且精确地控制钡离子的掺杂量，大大的拓展了本发明的实用性。
如图1所示，然后进行步骤2)S12，提供多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中。
作为示例，所述多晶硅原料可以为多晶硅块状材料或多晶硅沙状材料等。
作为示例，放入钡掺杂的硅片与多晶硅原料，需要对石英坩埚所处的腔室进行抽真空处理，然后将所述硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中的同时通入气体，所述气体包括氩气，所述氩气可以对后续熔融过程提高保护气氛，提高熔融体的质量。
作为示例，所述硅片与多晶硅原料的熔化选用的温度范围为1410～2000℃。实际上，这个温度选择需要高于多晶硅的熔点，此处并不作具体限定。
如图1所示，最后进行步骤3)S13，在高温下使所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。
作为示例，所述石英坩埚包括坩埚底部以及坩埚侧壁，所述坩埚底部及坩埚侧壁均具有外表面及内表面，所述内表面为石英材料，在熔融过程中，所述坩埚底部以及坩埚侧壁的内表面均形成不透明的二氧化硅层。
作为示例，所述熔融体中，每立方厘米熔融体包含的钡原子的质量1.0×10-8～1.0×10-6克。
本发明采用多晶硅与钡掺杂的硅晶片熔化而形成熔融物质混合，能在与熔融体接触的石英坩埚的底部及侧壁上形成不透明的二氧化硅层。在晶体生长过程中，形成于坩埚内表面上不透明的二氧化硅层一方面不会进入到熔融体中，另一方面可以阻碍或防止所述石英坩埚表面的二氧化硅进入到熔体中，从而大大降低熔融体以及已经生长的晶体杂质水平。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种直拉生长单晶硅的方法，所述方法包括：
如图2所示，首先进行步骤1)S21，提供硅片，采用离子注入方法，对所述硅片进行钡离子注入掺杂。
作为示例，所述钡离子的注入能量范围为100keV～1000keV，注入剂量为1E12～1E18ions/cm2。在本实施例中，所述钡离子的注入能量范围为500keV，注入剂量为1E15ions/cm2。当然，所述钡离子的注入能量和注入剂量可以依据需求进行调整，并不限于此处所列举的示例。
本发明通过离子注的方式入对硅片进行钡掺杂，可以简便且精确地控制钡离子的掺杂量，大大的拓展了本发明的实用性。
如图2所示，然后进行步骤2)S22，提供多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中。
作为示例，所述多晶硅原料可以为多晶硅块状材料或多晶硅沙状材料等。
作为示例，放入钡掺杂的硅片与多晶硅原料，需要对石英坩埚所处的腔室进行抽真空处理，然后将所述硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中的同时通入气体，所述气体包括氩气，所述氩气可以对后续熔融过程提高保护气氛，提高熔融体的质量。
作为示例，所述硅片与多晶硅原料的熔化选用的温度范围为1410～2000℃。实际上，这个温度选择需要高于多晶硅的熔点，此处并不作具体限定。
如图2所示，接着进行步骤3)S23，在高温下使所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。
作为示例，所述石英坩埚包括坩埚底部以及坩埚侧壁，所述坩埚底部及坩埚侧壁均具有外表面及内表面，所述内表面为石英材料，在熔融过程中，所述坩埚底部以及坩埚侧壁的内表面均形成不透明的二氧化硅层。
作为示例，所述熔融体中，每立方厘米熔融体包含的钡原子的质量1.0×10-8～1.0×10-6克。
本发明采用多晶硅与钡掺杂的硅晶片熔化而形成熔融物质混合，能在与熔融体接触的石英坩埚的底部及侧壁上形成不透明的二氧化硅层。在晶体生长过程中，形成于坩埚内表面上不透明的二氧化硅层一方面不会进入到熔融体中，另一方面可以阻碍或防止所述石英坩埚表面的二氧化硅进入到熔体中，从而大大降低熔融体以及已经生长的晶体杂质水平。
如图2所示，最后进行步骤4)S24，采用加磁场直拉法形成单晶硅锭。
具体地，步骤4)S24包括：
步骤4-1)，对熔化有钡掺杂的硅片以及多晶硅原料的石英坩埚施加磁场；
步骤4-2)，采用籽晶以预定拉晶速率向上拉晶，待细晶长度达到预定长度时，降低拉晶速率进入放肩步骤；
步骤4-3)，在所述放肩步骤中降低拉晶速率，，形成预定直径的单晶硅锭后，进入转肩等径步骤。
在一个具体的实施过程中，所述直拉生长单晶硅的方法包括：在籽晶熔接前，将钡掺杂的硅片与多晶硅碎块以预定温度(1410～2000℃)进行充分熔融混合，随后降低熔融体温度至硅熔融体表面中心区域的温度至硅熔点温度附近(若熔化所设定的温度为硅熔点温度附近，则可省略该步骤)，进行籽晶熔接，接着进行固相掺氮拉晶生长，采用籽晶以预定拉晶速率向上拉晶，待细晶长度达到预定长度时，降低拉晶速率进入放肩步骤；在放肩步骤中降低拉速，形成预定直径的单晶硅锭后，进入转肩等径步骤；待单晶硅锭直径生长至预定要求后，迅速向上提升，并及时降温，给予坩埚上升速率，根据直径变化率速度，缓慢调节拉速控制，待单晶硅锭直径相对稳定后，打开自动等径控制程序，进入自动等径控制阶段，最终形成单晶硅锭。
如上所述，本发明的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法以及直拉生长单晶硅的方法，具有以下有益效果：本发明采用多晶硅与钡掺杂的硅晶片熔化而形成熔融物质混合，能在与熔融体接触的石英坩埚的底部及侧壁上形成不透明的二氧化硅层。在晶体生长过程中，形成于坩埚内表面上不透明的二氧化硅层可以降低熔融体以及已经生长的晶体杂质水平。另外，本发明通过离子注的方式入对硅片进行钡掺杂，可以简便且精确地控制钡离子的掺杂量，大大的拓展了本发明的实用性。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供钡掺杂的硅片以及多晶硅原料，将所述钡掺杂的硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中进行熔合形成熔融体，在熔融的过程中，所述钡作为促进剂使得所述石英坩埚与熔融体接触的界面形成不透明的二氧化硅层，以降低熔融体以及后续生长的硅晶锭中的杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：将所述硅片与多晶硅原料放入石英坩埚中的同时通入气体，所述气体包括氩气。
3.根据权利要求1所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：所述钡掺杂的硅片的制备包括步骤：采用离子注入方法，对硅片进行钡离子注入掺杂。
4.根据权利要求3所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：所述钡离子的注入能量范围为100keV～1000keV，注入剂量为1E12～1E18ions/cm2。
5.根据权利要求1所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：所述硅片与多晶硅原料的熔化选用的温度范围为1410～2000℃。
6.根据权利要求1所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：所述石英坩埚包括坩埚底部以及坩埚侧壁，且在熔融过程中，所述坩埚底部以及坩埚侧壁均形成不透明的二氧化硅层。
7.根据权利要求1所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法，其特征在于：所述熔融体中，每立方厘米熔融体包含的钡原子的质量1.0×10-8～1.0×10-6克。
8.一种直拉生长单晶硅的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1)，如权利要求1～7任意一项所述的在石英坩埚中制备硅熔融体的方法于石英坩埚内形成熔融体；
步骤2)，采用加磁场直拉法形成单晶硅锭。
9.根据权利要求8所述的直拉生长单晶硅的方法，其特征在于，步骤2)包括：
步骤2-1)，对熔化有钡掺杂的硅片以及多晶硅原料的石英坩埚施加磁场；
步骤2-2)，采用籽晶以预定拉晶速率向上拉晶，待细晶长度达到预定长度时，降低拉晶速率进入放肩步骤；
步骤2-3)，在所述放肩步骤中降低拉晶速率，，形成预定直径的单晶硅锭后，进入转肩等径步骤。
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