CN1103115A - 改进的生长硅晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改进的用来生长硅晶的Czochralski 方法，其中单晶硅种从熔融态硅中提拉出来生长成晶 体，预氧化的砷掺杂剂被加到熔融态的硅源中以改变 长成晶体的电性能。预氧化的砷掺杂物包括具有砷 氧化物表面膜的粒状金属砷，表面膜的厚度为十微米 至一毫米。单晶硅种放入后，将熔融态硅源从生成的 晶体上移去，提高使用温度，烧掉多余的预氧化掺杂 剂。

Description

本发明涉及半导体加工，特别是涉及生长硅晶的方法。
单晶硅常用作加工集成电路的初始材料。典型的生产单晶硅的方法是Czochralski法，它先在熔融态硅中放入一颗小单晶种。然后慢慢提起，通常在提起的同时要不断转动晶体。这样，单晶就生长成比较大的硅晶或晶块。
在生产高原硅晶时，一些影响晶体生长的条件是要小心加以控制的，如温度、压力、杂质和提拉速度。此外，一些杂质可能会有意识地加到熔融态硅中作为掺杂剂用以改变产物晶体的电子特性。但是，杂质有时也会无意之中污染熔融态硅，主要是由于杂质进入了间隙或空位中压缩了晶格从而破坏了晶体生长。
因此，有必要通过减少因杂质引起的晶体生长的破坏来改进常规的Czochralski法。
本发明在于改进的生长硅晶的Czochralski法，特别是通过在熔融态硅源中加入预氧化的砷掺杂剂来进行。这种砷掺杂剂由金属砷或金属砷和硅的化合物组成，其表面有一层氧化物膜。该表面膜的厚度最好是在10微米至1毫米之间。过量的预氧化掺杂剂可通过将熔融态硅源从生长的晶体上移开然后提高应用温度烧掉。
图1是使硅晶生长和掺杂的系统简图。
图2是使硅晶生长和掺杂的方法流程简图。
图1是按照常规的Czochralski方法使硅晶生长和掺杂的系统简图。如图所示，单晶硅晶种2放入在被加热和转动的石英或石墨熔锅8中的熔融态硅6中。通过将晶种2缓慢地从熔融态硅6中提拉和转动出来，晶种2生长成更大的单晶硅锭或晶块4。
该系统配有可进行温度和压力控制的反应器10，其进口12和出口14分别用于接受和排放用于控制燃烧炉压力的惰性气体如氩气。进料管16和进口12并列在一起用来将诸如砷的掺杂剂18导入到熔融态硅6中以改变生成晶体4的电子特性。
掺杂剂18最好是一种砷材料而且在生长晶体4中的实际浓度为1015-1020cm。由于砷的气化温度比较低，因此在硅6熔化后再加入砷掺杂剂18可减少掺杂剂18由于蒸发带来的损失。从而有利于改善锭4的电阻率调控。
图2显示了一个改进的Czochralski法的简化流程图。按照本发明对方法进行的修改是在熔融态硅6中加入了预氧化或表面涂覆掺杂剂18一步（22）。在掺杂剂18和熔融态硅6中可能氧化或意外导入不需要的其它杂质就可排除在外了。
具体地说，希望这种表面氧化能减少或消除氧化物气泡在生长硅晶中形成。这样，例如通过砷掺杂剂18表面的预氧化，这种砷与氧所起的金属反应就被减少或消除，因此就稳定和控制了诸如掺杂剂18的表面氧化等固体杂质的反应。
当加工时可能会产生象As2O3或AsO气体等氧化物气泡，它们是在晶体4的固-液界面通过化学或物理反应形成的，在砷浓度高的地方特别容易发生。在这种地方，氧化物气泡可能会随着熔融态硅6的固化而产生（即，作为分配系数小于1.0的结果）。此外，氧化物气泡也可能间接地从石英熔锅8中所含的SiO2中产生，在熔锅8中砷掺杂剂18可能与在那儿的氧反应而在熔融态硅6中形成各种形式的砷氧化物。
当氧化物气泡大至一它程度（如1-2毫米直径时），可能在一些应力点上晶格生长受到破坏，特别在固-液硅界面上可能会产生滑移，从而有效破坏了晶体生长。通过掺杂剂18表面的预氧化，砷和氧的金属反应被减少或消除，同时任何固体氧化物杂质与掺杂剂表面氧化物的反应都被稳定化。
在本实施方案中，掺杂剂18是金属砷或金属砷和硅的化合物，最好是直径为1-4毫米的颗粒。这种掺杂剂外表面覆盖有一层砷氧化物膜，膜厚度最好为10微米至1毫米。
掺杂剂18的预氧化是通过将掺杂剂在常温常压条件下处理一天至两星期获得的。它也可通过将掺杂剂18置于足以形成所需外层氧化物膜厚度的高温和/或高压的氧气中来获得。
这样，如图1和图2所示，当单晶种2被放入熔融态硅6并拉高（20）和转动时，硅就生长起来。为调节生成硅晶块4的电子特性如电阻率，加入了预氧化的金属砷或金属砷硅化合物颗粒形式的掺杂剂18，它们通过进口12、16输入。
在一个实施例中，通过往12英寸直径的熔锅8中的20公升熔融态硅中加入100克的予氧化掺杂剂，长出了具有（1，1，1）取向的4英寸硅晶。在另一个实施例中，通过往16英寸直径的熔锅8中的30公斤熔融态硅中加入130克预氧化的掺杂剂，长出了具有（1，0，0）取向的6英寸硅晶。
在将熔融态硅源6掺杂（22）后，最好通过放低熔锅8，从生成的晶体4上移去熔融态硅源6来消除或减少那里的氧化物杂质（24），放低的距离最好离最初生长位置10-100毫米。然后将温度升至足够高的程度以烧掉多余的预氧化掺杂剂或氧化物杂质，将温度稳定在硅的熔点以上，最好将晶体4置于所需的生长位置。

Claims (12)

1、使半导体晶体生长的方法，包括如下步骤：
从用来生长半导体晶体的熔融态半导体源中提拉出半导体晶体；和
在半导体源中加入预氧化的掺杂剂以改变生成的半导体晶体的性质。
2、权利要求1的方法，其中半导体晶体包括硅的单晶种和主要由硅组成的熔融态半导体源。
3、权利要求1的方法，其中预氧化掺杂剂包括氧化物覆盖的金属砷。
4、权利要求1的方法，其中预氧化掺杂剂包括氧化物覆盖的金属砷和硅的化合物。
5、权利要求1的方法，其中预氧化的掺杂剂包括一粒具有砷氧化物表面的砷。
6、权利要求1的方法，其中预氧化的掺杂剂表面覆盖了一层厚度为十微米至一毫米的氧化物膜。
7、权利要求1的方法，其中掺杂剂是通过在常温常压下保持至少一天来进行预氧化的。
8、权利要求1的方法，还包括下述步骤：
将半导体源从生成的晶体上移开;和
提高温度，烧掉多余的预氧化掺杂剂。
9、生长硅晶的改进的Czochralski方法，包括如下步骤：
从熔融态硅源提拉单晶硅种以生长出晶体;和
在熔融态硅源中加入预氧化的砷掺杂剂以改变生成晶体的电子特性，预氧化的砷掺杂剂包括一粒表面有一层砷氧化物膜的金属砷，表面膜厚度为十微米至一毫米。
10、权利要求9的方法，还包括下列步骤：
将熔融态硅源从长成的硅晶上移开;和
提高使用温度，烧掉多余的预氧化掺杂剂。
11、生长硅晶的系统，它包括：
一个至少有一个开口的反应器;和
一个处于反应器内的熔锅;
其中熔融态硅源被置于熔锅中，单晶硅种从熔融态硅源中提拉出来生成晶体，预氧化的砷掺杂剂加入到熔融态硅源中以改变长成晶体的电性能。
12、权利要求11的系统，其中预氧化的掺杂剂包括一粒具有砷氧化物表面膜的金属砷，表面膜的厚度为十微米至一毫米。
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