CN111051578A - 掺杂有n型掺杂剂的晶向为<100>的硅单晶及其制造方法 - Google Patents

掺杂有n型掺杂剂的晶向为<100>的硅单晶及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种由硅组成的单晶，所述单晶的晶向为<100>，所述单晶掺杂有n型掺杂剂，所述单晶包括起始锥体、圆柱形区段和端部锥体，其中，在所述起始锥体的中间区段中的晶体角不小于20°且不大于30°，所述中间区段的长度不小于所述起始锥体的长度的50％，棱边棱面从所述单晶的边缘延伸至所述单晶中，其中，在所述起始锥体和所述圆柱形区段中的所述棱边棱面的长度分别不大于700μm。

Description

掺杂有n型掺杂剂的晶向为＜100＞的硅单晶及其制造方法
技术领域
本发明的主题是一种掺杂有n型掺杂剂的晶向为<100>的硅单晶，以及一种用于制造这种单晶的方法。从这种类型的单晶中分离出半导体晶片，所述半导体晶片用作用于生产功率应用的电子组件(例如功率MOSFET)的衬底。通常根据CZ方法从坩埚中提供的熔体(Schmelze)中提拉(ziehen)所需的单晶。
背景技术
由EP 1 158 075 A1例如已知，有利的是对单晶的起始锥体如此进行提拉，使得单晶的起始锥体的形状相对较尖。该措施降低发生错位(Versetzung)事件的频率，错位事件会导致不再能够进行单晶的晶体生长，并且必须停止提拉。
还研究组分过冷对错位形成的影响(J.Friedrich等人，ACTA PHYSICA POLONICAA No.2，第124卷(2013)，第219-226页)，并且由研究的结果得出，有利的是建立较高的温度梯度，以降低提拉速度并增加熔体的对流传输。
US 2015/0275392 A1报告，在起始锥体上发生错位之前，在起始锥体上经常出现表面棱面(英语surface facets)。
发明内容
本发明的发明人提出以下任务：阐明如何进一步降低形成错位的频率，该错位需要中断提拉。该任务的解决方案还包括具有特征化特征的单晶。
因此，本发明的主题是一种掺杂有n型掺杂剂的晶向为<100>的硅单晶，所述单晶包括起始锥体(Anfangskonus)、圆柱形区段(zylinderisch Abschnitt)和端部锥体(Endkonus)，其中，在起始锥体的中间区段中的晶体角不小于20°且不大于30°，该中间区段的长度不小于起始锥体长度的50％，并且棱边棱面(Kante-Facetten)从单晶的边缘延伸到单晶中，其中，单晶的起始锥体和圆柱形区段中的棱边棱面的长度均不超过700μm。
单晶掺杂有磷、砷、锑或这些掺杂剂中的一种或多种的混合物。在掺杂磷的情况下电阻率(英语resistivity)优选不超过1.2mΩcm，在掺杂砷的情况下电阻率优选不超过3mΩcm，在掺杂锑的情况下电阻率优选不超过30mΩcm。
单晶在圆柱形区段中的直径优选不低于150mm或不低于200mm，特别优选不低于300mm。
单晶的特征化特征是起始锥体的中间区段中的晶体角和棱边棱面(英语edgefacets)的长度，尤其是在起始锥体的区域内的棱边棱面的长度。起始锥体可以划分为三个区段，即第一区段，在其变化过程中晶体角增加至第二中间区段，和第三区段，在其变化过程中晶体角降低至单晶的圆柱形区段的晶体角。
晶体角是单晶生长的<100>方向与位于单晶边缘的切线之间的角度。棱边棱面是沿{111}平面的棱面，其从单晶的边缘以边界角(英语boundary angle)延伸至单晶内部中的所提及的切线。
起始锥体的中间区段中的长度不小于起始锥体长度的50％，优选不小于起始锥体长度的70％，特别优选不小于起始锥体长度的90％，该中间区段中的晶体角不小于20°且不大于30°。起始锥体的第三区段(弯曲)的长度具有较低的个位数的百分比范围，例如2％。单晶的起始锥体的第一区段的长度实际上与其余部分相对应。
发明人已经发现，错位起源于棱边棱面并且棱边棱面的长度、尤其起始锥体中的棱边棱面是关键参数，形成错位的频率取决于该关键参数。发明人得出结论：为了解决所提出的问题，在起始锥体中棱边棱面的长度应不大于700μm，并且在单晶的圆柱形区段中应不大于700μm，优选不大于300μm。
为了确定棱边棱面的长度，可以在与单晶的生长方向平行的{110}平面中切割单晶，更确切地说，单晶的提拉边缘(英语ridge)位于所分离的瓷砖形样品(英语slab)中。然后对样品的侧面进行磨削、抛光，并且优选借助根据Secco的优先缺陷蚀刻(英语preferential etching)进行蚀刻，直至提拉边缘(Ziehkante)的中心。随后可以通过借助光学显微镜的检测来确定棱边棱面的长度。在此应注意，测量平面应与提拉边缘的中心相一致(最大可测量的棱面长度)，否则将会错误地将棱面长度测量得太小。
可以通过生长中的单晶中的温度梯度来影响棱边棱面的长度。沿棱边棱面的延展方向的温度梯度越大，棱边棱面的长度越小。因此，棱边棱面优选致力于，生长中的单晶与熔体之间的相界(Phasengrenz)采用如下形状：基于该形状使温度梯度变得尽可能大。也就是如下情况：在单晶的边缘区域中，提拉轴的方向和与单晶的生长方向相反的方向之间的曲率角为0°或小于0°，特别优选-35.3°。单晶的边缘的区域是以下区域：该区域从边缘径向地延伸到单晶中，直至0.1mm的长度。
优选地，在提拉起始锥体的中间区段和第三区段时，相界具有这样的形状：与提拉轴反向地进行观察，该形状是凹形弯曲的、W形的或平面的。在提拉单晶的圆柱形区段时同样应力求这种形状，其中，特别优选凹形弯曲的相界。在这种情况下，在单晶的边缘区域中，提拉轴的方向和与单晶的生长方向相反的方向之间的曲率角优选小于0°。
此外，本发明的主题是一种用于制造晶向为<100>的硅单晶的方法，所述方法包括，
给熔体掺杂n型掺杂剂；
根据CZ方法来提拉单晶的起始锥体、圆柱形区段和端部锥体；
提拉起始锥体，该起始锥体的中间区段中——该中间区段的长度不小于起始锥体长度的50％——晶体角不小于20°且不大于30°，其中，借助角度调节将晶体角的波动限制在不超过0.01°/s；
以不超过极限提拉速度的75％的提拉速度来提拉单晶的圆柱形区段，在超过极限提拉速度时单晶的变形会阻止继续提拉；并且主动地冷却单晶。
特别优选以不超过极限提拉速度的65％的提拉速度来提拉单晶的圆柱形区段。
在提拉单晶之前，借助磷、砷、锑或这些掺杂剂中的一种或多种的混合物来对熔体进行掺杂。优选提供足以对单晶进行提拉的量的掺杂剂，在单晶的圆柱形区段中的电阻率如下：在掺杂磷的情况下，电阻率优选不超过1.2mΩcm，在掺杂砷的情况下，电阻率优选不超过3mΩcm，在掺杂锑的情况下，电阻率优选不超过30mΩcm。
发明人已经确定，棱边棱面的长度生长尤其取决于晶体角，并且取决于生长中的单晶与熔体之间的相界处的温度梯度。为了实现将棱边棱面的长度生长限制在所期望的程度内，晶体角应不大于30°，并且尤其在提拉起始锥体期间已经优选借助冷却设备(水流动通过该冷却设备以进行冷却)主动冷却相界附近的区域。在硅的熔点(1410℃)至1000℃的温度范围内，在提拉具有至少300mm的直径的硅单晶的圆柱形区段时，冷却速度优选不小于2K/min。
仅这些措施是不够的，因为系统会非常敏感地对晶体角的波动和相界区域中的温度波动作出反应。因此，进一步有利的是，在提拉单晶的起始锥体的中间区段时伴随进行角度调节，并且在提拉单晶的圆柱形区段时大幅地限制提拉速度。
在提拉起始锥体的中间区段期间直至开始弯曲的时刻，优选使用对晶体角的调节。例如在WO 00/60145 A1中描述这种调节，该调节使用晶体角作为指令参量
Figure BDA0002393461500000041
弯曲表示为过渡阶段，在该过渡阶段期间起始锥体的晶体角返回到单晶的圆柱形区段的晶体角。
此外优选，在没有角度调节的情况下，在弯曲期间根据事先决定的计划(受控制地)提拉单晶。该控制考虑坩埚加热装置的提拉速度和加热功率，并且必要时还考虑用于从上方加热熔体的一个或多个附加加热装置的加热功率。在弯曲期间，提拉速度应不超过1.5mm/min。优选将在弯曲时的提拉速度设置为这些值。替代提高提拉速度至超过该界限，还可以提高坩埚加热装置的加热功率，并且必要时可以提高一个或多个附加加热装置的加热功率。
在提拉单晶的圆柱形区段期间，提拉速度应不大于极限提拉速度的0.75倍，特别优选不大于极限提拉速度的0.65倍。极限提拉速度是在所使用的设备中可以提拉单晶的最大可能速度，而不会使单晶变形过大以至于不能够继续提拉。如果轴通过单晶的中心的位置与所设置的位置的偏离大于5mm，则可以认为单晶发生变形，在存在变现的情况下不再能够继续提拉。提拉速度的限制用于限制相界的区域中的温度波动。
如已经提及的那样，有利的是确保在提拉单晶的圆柱形区段期间相界具有凹形弯曲的形状。单晶的边缘区域中的曲率角优选小于0°。为此目的，单晶的旋转速度与坩埚的旋转速度之比应优选不小于2，和/或熔体应暴露在优选不小于2500高斯的水平磁场或CUSP磁场中。
附图说明
以下参考附图进一步阐述本发明。
图1用于术语解释并且示出通过起始锥体的中心的纵向截面的示意图；
图2示意性地示出在生长方向上的通过生长中的起始锥体的部分截面；
图3示出一个图表，该图表中绘制沿着棱面Gf的温度梯度随曲率角θ的变化；
图4示出在光学显微镜下检查的情况下在制备后的样品记录的一部分；
图5和图6示出根据本发明的示例的晶体角和棱边棱面的长度的变化过程。
所用附图标记列表
1 起始锥体
2 棱边棱面
3 表面棱面
4 弯月面(Meniskus)
5 相界
具体实施方式
如图1示意性示出的那样，具有晶体角κ的起始锥体1通常具有棱边棱面2并且必要时具有表面棱面3。棱边棱面2沿着{111}平面从起始锥体1的边缘延伸到内部中。{111}平面与垂直于晶向为<100>的单晶的生长方向的平面之间的交角μ具有固定值54.7°。
图2示出晶向为<100>的硅单晶的起始锥体1，该起始锥体在与熔体5的相界处生长。相界5延伸至单晶的边缘，直至三相界TPB，在该三相界处在熔体的弯月面4的上端部处，由熔体形成的液相I、由单晶形成的固相s以及周围的大气形成的气相g相互接触。相界5的走向也近似代表等温线的走向。棱边棱面沿着与提拉轴线pd的方向成35.3°的角度α的方向延伸。棱边棱面的延展方向上的温度梯度Gf应尽可能大，以使棱边棱面的长度尽可能小。与此相应地，在单晶的边缘处，提拉轴的方向和温度梯度Gs的方向之间的曲率角θ应为0°或小于0°，特别优选-35.3°。温度梯度Gs以直角从相界5延伸到单晶中，因此具有与单晶的生长方向相反的方向。温度梯度Gf和Gs以及曲率角θ彼此间的关系如以下公式：
Gs＝cos(35.3°+θ)×Gf
与根据图2的图示不同，相界5最有可能具有以下形状：与提拉轴的方向相反地进行观察，该形状是凹形弯曲的、W形的、近似平面的或是平面的。在该起始锥体的长度不小于起始锥体长度的50％的中间区段中，晶体角κ不小于20°且不大于30°。
图3绘制出温度梯度Gf随曲率角θ的变化。温度梯度Gf和Gs在θ＝-35.3°处达到最大值。
根据图4的记录可以用于确定棱边棱面5的长度。该图示出起始锥体的中间区段的一部分。附加地还示出晶体角κ和棱边棱面的长度lf。
图5和图6示出根据本发明的示例，其中，图5示出从在位置P＝-125mm处开始对起始锥体的中间区段进行提拉直至提拉出单晶的圆柱形区段的第一个25mm期间晶体角κ和棱边棱面的长度lf的变化过程，而图6示出从开始对圆柱形区段(P＝0mm)进行提拉直至提拉出单晶的圆柱形区段的第一个125mm期间晶体角和棱边棱面的长度的相应的变化过程。

Claims (9)

1.一种由硅组成的单晶，所述单晶的晶向为<100>，所述单晶掺杂有n型掺杂剂，所述单晶包括起始锥体、圆柱形区段和端部锥体，其中，在所述起始锥体的中间区段中的晶体角不小于20°且不大于30°，所述中间区段的长度不小于所述起始锥体的长度的50％，棱边棱面从所述单晶的边缘延伸到所述单晶中，其中，在所述单晶的起始锥体中的和在所述单晶的圆柱形区段中的所述棱边棱面的长度分别不超过700μm。
2.根据权利要求1所述的单晶，所述单晶具有不超过1.2mOhmcm的电阻率并且包含磷作为掺杂剂。
3.根据权利要求1所述的单晶，所述单晶具有不超过3mOhmcm的电阻率并且包含砷作为掺杂剂。
4.根据权利要求1所述的单晶，所述单晶具有不超过30mOhmcm的电阻率并且包含锑作为掺杂剂。
5.一种由单晶硅组成的半导体晶片，所述半导体晶片从根据权利要求1至4中任一项所述的单晶的圆柱形区段分离出。
6.一种用于制造单晶的方法，所述单晶由硅组成且晶向为<100>，所述方法包括，
给熔体掺杂n型掺杂剂；
根据CZ方法来提拉所述单晶的起始锥体、圆柱形区段和端部锥体；
提拉所述起始锥体，在所述起始锥体的中间区段中晶体角不小于20°且不大于30°，所述中间区段的长度不小于所述起始锥体的长度的50％，其中，借助角度调节将所述晶体角的波动限制在不超过0.01°/s；
以不超过极限提拉速度的75％的提拉速度来提拉所述单晶的圆柱形区段，在超过所述极限提拉速度时，所述单晶的变形阻止继续所述提拉；
并且主动地冷却所述单晶。
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法此外包括：在所述起始锥体与所述圆柱形区段之间的过渡区域中，以不大于1.5mm/min的提拉速度来提拉所述单晶。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，借助水冷冷却设备对所述单晶进行冷却。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，所述方法此外包括，从所述单晶的圆柱形区段分离出所述半导体晶片。
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