CN113584574B - 固相掺杂方法、装置、重掺砷硅单晶生产系统及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固相掺杂方法、装置、重掺砷硅单晶生产系统及生产方法，属于重掺杂硅单晶技术领域。该固相掺杂方法将未经气化的固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料投入化料后的硅熔液中。该固相掺杂装置包括石英杯及石英浮杆，石英杯的上端开口，且设置有用于挂接于单晶炉上的挂钩，石英杯的下端设置有锥形的导料部，导料部的下端连接有下料管。石英浮杆沿下料管的轴向穿过下料管，石英浮杆的上端设置有浮阀，浮阀能够盖合于下料管的上端，石英浮杆的下端设置有浮子。实践表明，采用本发明提供的固相掺杂方法能够提升低电阻率产品的比率，降低晶变的概率，砷掺杂剂的用量相比气相掺杂过程降低约28.4%。固相掺杂装置结构简单，操作方便。

Description

固相掺杂方法、装置、重掺砷硅单晶生产系统及生产方法

技术领域

本发明属于重掺杂硅单晶技术领域，具体涉及一种固相掺杂方法、装置、重掺砷硅单晶生产系统及生产方法。

背景技术

目前半导体功率器件随着光伏发电以及新能源电动汽车领域的行业崛起需求日益旺盛，导致IGBT等功率器件对N型晶圆的电阻率特性要求越来越高。目前N型重掺砷的电阻率规格需求普遍在0.003Ω.cm以下，极个别需求已经在0.002Ω.cm以下。但是目前大尺寸(8寸以上)掺砷硅单晶电阻率普遍在0.0035-0.0045Ω.cm，无法满足低电阻率的需求。

目前大尺寸重掺砷硅单晶，均采用气相掺杂的方式进行掺杂，将掺杂剂放置于掺杂容器中，通过高温使掺杂剂气化后，由氩气带入硅液面进行掺杂，掺杂效率低，为达到低电阻率目标，一般方法是增加掺杂时砷杂质的总量，但此方法导致单晶炉内残存大量未进入硅熔液的砷杂质，导致晶体生长过程中频繁晶变，无法形成单晶。同时砷也是一种对环境和人体健康有害分物质，大量的使用会导致严重的环境污染。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种固相掺杂方法，以解决现有技术中存在的掺杂效率较低，易造成晶变的技术问题。

本发明还提供一种固相掺杂装置，以实现固相掺杂，降低掺杂剂气化。

本发明还提供一种重掺砷硅单晶生产方法，以降低重掺砷硅单晶的电阻率，并降低砷掺杂量。

本发明还提供一种重掺砷单晶生产系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固相掺杂方法，将未经气化的固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料投入化料后的硅熔液中。

优选地，所述固体掺杂剂为含砷的掺杂剂。

一种固相掺杂装置，包括：

石英杯，所述石英杯的上端开口，且设置有用于挂接于单晶炉上的挂钩；所述石英杯的下端设置有锥形的导料部，所述导料部的下端连接有下料管；以及

石英浮杆，所述石英浮杆沿所述下料管的轴向穿过所述下料管，所述石英浮杆的上端设置有浮阀，所述浮阀能够盖合于所述下料管的上端；所述石英浮杆的下端设置有浮子。

优选地，所述浮子的底面为平面。

优选地，所述浮子呈锥台型。

优选地，所述浮阀的上端形成锥形的排料部。

优选地，所述浮阀的下端形成倒椎台形的盖合部。

一种重掺砷硅单晶生产系统，包括设置在单晶炉上的籽晶夹头及设置在单晶炉内的坩埚，还包括如上所述的固相掺杂装置；其中，所述挂钩能够挂接在所述籽晶夹头上，所述浮子的下端能够伸入所述坩埚的内部。

一种重掺砷硅单晶生产方法，包括以下步骤：

化料；

高温处理：升温使液面温度≥1520℃，并在低炉压、低坩埚转速状态下，维持预定时间；

硅熔液一次安定：硅熔液安定1h-2h，坩埚位置上升至引晶埚位，炉压设置为引晶炉压；

一次籽晶试温；

砷掺杂：采用如上所述的固相掺杂方法进行砷掺杂；

硅熔液二次安定：硅熔液安定1h-2h

二次籽晶试温，确保液面温度达到引晶温度；

引晶、放肩、等径、收尾，获得重掺砷硅单晶。

优选地，步骤“高温处理”中，升温使液面温度≥1520℃，并在炉压为1kPa-3kPa、坩埚转速为1rp/min-2rp/min状态下，维持0.5-2h。

由上述技术方案可知，本发明提供了一种固相掺杂方法，其有益效果是：将未经气化的掺杂剂(尤其是含砷掺杂剂)投入到化料后的硅溶液中，由于掺杂剂直接融入硅熔液中，从而有效地提高了掺杂效率，降低单晶炉中气相掺杂剂的残留，降低环境污染。实践表明，采用本发明提供的固相掺杂方法进行重掺砷硅单晶的生产，能够明显提升低电阻率产品的比率，尤其是适合生产电阻率为0.003Ω.cm及以下的砷掺杂硅单晶。而且，由于气相中掺杂剂的残留降低，有效降低了拉晶过程中发生晶变的概率，使单晶形成更加容易。更为重要的是，同等生产条件和工艺要求下，采用本发明提供的固相掺杂方法进行重掺砷硅单晶的生产，砷掺杂剂的用量相比气相掺杂过程降低约28.4％，有效降低砷掺杂剂的用量，降低生产成本。

本发明还提供一种固相掺杂装置，用以实现上述固相掺杂方法。所述固相掺杂装置包括由石英材质制成的石英杯，石英杯上端能够挂接于单晶炉的籽晶夹头上，下端设置有下料管。所述下料管内设置有石英浮杆，石英浮杆的上端设置浮阀，下端设置浮子。硅料化料后，将装填含砷掺杂剂的石英杯挂接在单晶炉的籽晶夹头上，此时，所述浮阀在所述石英浮杆的重力作用下，盖合于所述下料管的上端，防止含砷掺杂剂坠入硅熔液中。随着籽晶夹头的下降，位于所述石英浮杆下端的浮子与硅熔液液面接触，所述石英浮杆在硅熔液的浮力作用下，被顶起，使所述浮阀与所述下料管的上端分离，所述石英杯中的掺杂剂在重力作用下，通过所述下料管落入硅熔液中，完成固相掺杂。所述固相掺杂装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1是固相掺杂装置的结构示意图。

图2是固相掺杂装置的剖视图。

图3是重掺砷硅单晶生产系统的结构示意图。

图4是对比例及实验例得到的重掺砷硅单晶晶棒的电阻率分布折线图。

图中：固相掺杂装置10、石英杯100、挂钩110、导料部120、下料管130、石英浮杆200、浮阀210、排料部211、盖合部212、浮子220。

具体实施方式

以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。

在一具体实施方式中，一种固相掺杂方法，该方法将未经气化的固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料投入化料后的硅熔液中。

作为优选，述固体掺杂剂为含砷的掺杂剂。

将固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料。尤其是含砷的掺杂剂，未经气化投入化料后的硅熔液中，固体掺杂剂在硅熔液液面附近或在硅熔液中气化并完成掺杂，提高掺杂效率，降低掺杂剂损失，从而减少掺杂剂用量；同时，降低单晶炉中气相掺杂剂的残留，降低环境污染。由于气相中掺杂剂的残留降低，有利于降低拉晶过程中发生晶变的概率，使单晶形成更加容易。

为实现上述固相掺杂方法，请参看图1与图2，本发明又一具体实施方式中，提供一种固相掺杂装置10，该固相掺杂装置10包括：石英杯100和石英浮杆200，所述石英杯100的上端开口，且设置有用于挂接于单晶炉上的挂钩110。所述石英杯100的下端设置有锥形的导料部120，所述导料部120的下端连接有下料管130。所述石英浮杆200沿所述下料管130的轴向穿过所述下料管130，所述石英浮杆200的上端设置有浮阀210，所述浮阀210能够盖合于所述下料管130的上端；所述石英浮杆200的下端设置有浮子220。

硅料化料后，将装填含砷掺杂剂的石英杯100挂接在单晶炉的籽晶夹头上，此时，所述浮阀210在所述石英浮杆200的重力作用下，盖合于所述下料管130的上端，防止含砷掺杂剂坠入硅熔液中。随着籽晶夹头的下降，位于所述石英浮杆200下端的浮子220与硅熔液液面接触，所述石英浮杆200在硅熔液的浮力作用下，被顶起，使所述浮阀210与所述下料管130的上端分离，所述石英杯中的掺杂剂在重力作用下，通过所述下料管130落入硅熔液中，完成固相掺杂。所述固相掺杂装置10结构简单，操作方便。

进一步的，所述浮子220的底面为平面，以增加所述浮子220与硅熔液液面的接触面积，提高所述石英浮杆200所受到的浮力，保证所述浮阀210正常打开。

进一步地，所述浮子220呈锥台型。即所述浮子220的横截面积由上至下逐渐变大，从而在所述浮子220的上方形成导向面。固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料由上而下落下的过程中，首先落在所述浮子220上方的导向面上，经过减速缓冲后，没入硅熔液中，从而避免固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料直接落入硅熔液中，造成硅熔液溅起，降低安全风险。

又一实施例中，所述浮阀210的上端形成锥形的排料部211，所述石英浮杆200被向上顶起的过程中，所述浮阀210上的固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料被所述排料部211向两侧分流，从而使固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料短时间内全部落入硅熔液中，减少固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料的气化。

进一步地，所述浮阀210的下端形成倒椎台形的盖合部212，当所述浮阀210盖合于所述下料管130的上端时，所述盖合部212部分伸入所述下料管130内，而通过侧壁与所述下料管130的管口处接触，实现全密封盖合，防止在浮子220未接触硅熔液液面前，发生漏料。

进一步地，在一些实施例中，在不考虑掺杂剂气化时，可以通过控制所述固相掺杂装置10的高度，实现控制所述下料管130的开口大小，从而实现慢掺杂或分批次掺杂。

请参看图3，又一具体实施方式中，提供了一种重掺砷硅单晶生产系统，包括设置在单晶炉上的籽晶夹头20及设置在单晶炉内的坩埚30，还包括如上所述的固相掺杂装置10。所述挂钩能够挂接在所述籽晶夹头上，所述浮子的下端能够伸入所述坩埚的内部。对于所述重掺砷硅单晶生产系统的详细限定及解释同上文，此处不再赘述。

又一具体实施方式中，提供了一种重掺砷硅单晶生产方法，包括以下步骤：

S10.化料，向设置于单晶炉中的所述坩埚中装入硅料，并在化料工艺参数下，进行化料，使硅料熔化，形成硅熔液。

S20.高温处理，升温使液面温度≥1520℃，并在低炉压、低坩埚转速状态下，维持预定时间。例如，在液面温度≥1520℃，并在炉压为1kPa-3kPa、坩埚转速为1rp/min-2rp/min状态下，维持0.5-2h。高温处理的主要目的在于降低硅熔液的氧含量。

S30.硅熔液一次安定，硅熔液安定1h-2h，坩埚位置上升至引晶埚位，炉压设置为引晶炉压。

S40.一次籽晶试温，以确保液面温度达到引晶温度。

S50.砷掺杂，采用如上所述的固相掺杂方法进行砷掺杂。

S60.硅熔液二次安定：硅熔液安定1h-2h。

S70.二次籽晶试温，确保液面温度达到引晶温度。

S80.引晶、放肩、等径、收尾，获得重掺砷硅单晶。

上述步骤中，包括化料、安定、引晶、放肩、等径、收尾等工序在内的工艺，未加强调，可采用常规设计参数，此处不再赘述。

实践表明，采用本发明提供的固相掺杂方法进行重掺砷硅单晶的生产，能够明显提升低电阻率产品的比率，尤其是适合生产电阻率为0.003Ω.cm及以下的砷掺杂硅单晶。而且，由于气相中掺杂剂的残留降低，有效降低了拉晶过程中发生晶变的概率，使单晶形成更加容易。更为重要的是，同等生产条件和工艺要求下，采用本发明提供的固相掺杂方法进行重掺砷硅单晶的生产，砷掺杂剂的用量相比气相掺杂过程降低约28.4％，有效降低砷掺杂剂的用量，降低生产成本。

请一并参看图4，以下通过具体实施例，进一步说明本发明的技术方案及技术效果。值得说明的是，以下具体实验例均采用汉虹2408SR单晶炉，以本发明提供的固相掺杂的方式，生产8吋低电阻率(电阻率目标0.003Ω.cm)重掺砷硅单晶。本发明实验例中，未特别限定的工艺参数，均采用本领域技术人员可以获取的一般意义的参数。

未加强调时，以下实验例同一工艺过程，均以平行设置的10台汉虹2408SR单晶炉，生产2个批次(即总计拉制20个晶棒)作为统计背景基数。

对比例一

通过以下工艺流程生产目标重掺砷硅单晶：装料-化料-高温处理-一次安定-一次籽晶试温-气相掺杂-二次籽晶试温-引晶-放肩-等径-收尾。

其中，高温处理过程中，升温使液面温度≥1520℃，并在炉压为2kPa、坩埚转速为1rp/min状态下，维持1h。硅投料量为120kg，砷掺杂剂的投料量为950g。其他步骤工艺参数(包括炉压、氩气流量、温度、坩埚转速、单晶生长速度等)为本领域技术人员可以获取的一般意义的参数。

统计该工艺下的晶变发生概率，检测获得的完整晶棒的电阻率分布，统计及检测结果参看表1。

对比例二

将砷掺杂剂的投料量提高为1000g，其他工艺过程及参数同对比例一。统计该工艺下的晶变发生概率，检测获得的完整晶棒的电阻率分布，统计及检测结果参看表1。

对比例三

将砷掺杂剂的投料量降低为850g，其他工艺过程及参数同对比例一。统计该工艺下的晶变发生概率，检测获得的完整晶棒的电阻率分布，统计及检测结果参看表1。

实验例一

通过以下工艺流程生产目标重掺砷硅单晶：装料-化料-高温处理-一次安定-一次籽晶试温-固相掺杂-二次籽晶试温-引晶-放肩-等径-收尾。

其中，高温处理过程中，升温使液面温度≥1520℃，并在炉压为2kPa、坩埚转速为1rp/min状态下，维持1h。硅投料量为120kg，砷掺杂剂的投料量为950g。其他步骤工艺参数(包括炉压、氩气流量、温度、坩埚转速、单晶生长速度等)为本领域技术人员可以获取的一般意义的参数。

统计该工艺下的晶变发生概率，检测获得的完整晶棒的电阻率分布，统计及检测结果参看表1。

实验例二～实验例八

逐渐降低砷掺杂剂的投料量，分别取900g、850g、800g、750g、700g、680g、650g，其他工艺过程及参数同实验例一，统计该工艺下的晶变发生概率，检测获得的完整晶棒的电阻率分布，统计及检测结果参看表1。

表1对比例及实验例的统计及检测结果

请一并参看表1及图4，对比例一～对比例三揭示了采用气相掺杂法进行掺杂，提高掺杂剂的投入量虽有利于改善重掺砷硅单晶的电阻率，但由于单晶炉气相中存在较多掺杂剂气体，导致晶变率(重掺砷硅单晶局部或全部转变为多晶的概率)上升，降低掺杂剂的投入量虽有利于降低晶变率，但由于掺杂剂掺杂量较少，导致重掺砷硅单晶的电阻率无法有效保证。这一结论符合当前重掺杂硅单晶的理论。

对比例一与实验例一相比，揭示了通过改变掺杂方式，将气相掺杂改变为本发明提供的固相掺杂方式，能够大幅降低重掺砷硅单晶的电阻率，尤其地，重掺砷硅单晶晶棒的头部电阻率达到0.0027Ω.cm以内，尾部电阻率甚至达到0.002Ω.cm以内，大幅提高了重掺砷硅单晶晶棒的合格率。同时，相比气相掺杂，固相掺杂能够一定程度降低重掺砷硅单晶晶棒发生晶变的概率，提高成品良率，降低生产成本。

实验例一～对比例八表明，随着砷掺杂剂投入量的不断降低，得到的重掺砷硅单晶晶棒发生晶变的概率逐渐降低，且在砷掺杂剂投入量为680g～950g时，获得的重掺砷硅单晶晶棒的电阻率良好，整体电阻率能够保持在0.003Ω.cm以内。当砷掺杂剂投入量≤650时，获得的重掺砷硅单晶晶棒的电阻率部分超过0.003Ω.cm，产生不合格品。

反之，采用本发明所提供的固相掺杂方法生产重掺砷硅单晶，当不必刻意要求低电阻率时，相比气相掺杂方式，能够大幅度降低砷掺杂剂的用量，降低生产成本。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种固相掺杂方法，其特征在于，将未经气化的固体掺杂剂或含固体掺杂剂的掺杂料投入化料后的硅熔液中，该方法基于固相掺杂装置实施，所述固相掺杂装置包括：

石英杯，所述石英杯的上端开口，且设置有用于挂接于单晶炉上的挂钩；所述石英杯的下端设置有锥形的导料部，所述导料部的下端连接有下料管；以及

石英浮杆，所述石英浮杆沿所述下料管的轴向穿过所述下料管，所述石英浮杆的上端设置有浮阀，所述浮阀能够盖合于所述下料管的上端；所述石英浮杆的下端设置有浮子，

硅料化料后，将装填含砷掺杂剂的石英杯挂接在单晶炉的籽晶夹头上，所述浮阀在所述石英浮杆的重力作用下，盖合于所述下料管的上端，防止含砷掺杂剂坠入硅熔液中，随着籽晶夹头的下降，位于所述石英浮杆下端的浮子与硅熔液液面接触，所述石英浮杆在硅熔液的浮力作用下，被顶起，使所述浮阀与所述下料管的上端分离，所述石英杯中的掺杂剂在重力作用下，通过所述下料管落入硅熔液中，完成固相掺杂。

2.如权利要求1所述的固相掺杂方法，其特征在于，所述固体掺杂剂为含砷的掺杂剂。

3.一种固相掺杂装置，其特征在于，包括：

石英杯，所述石英杯的上端开口，且设置有用于挂接于单晶炉上的挂钩；所述石英杯的下端设置有锥形的导料部，所述导料部的下端连接有下料管；以及

石英浮杆，所述石英浮杆沿所述下料管的轴向穿过所述下料管，所述石英浮杆的上端设置有浮阀，所述浮阀能够盖合于所述下料管的上端；所述石英浮杆的下端设置有浮子。

4.如权利要求3所述的固相掺杂装置，其特征在于，所述浮子的底面为平面。

5.如权利要求4所述的固相掺杂装置，其特征在于，所述浮子呈锥台型。

6.如权利要求3所述的固相掺杂装置，其特征在于，所述浮阀的上端形成锥形的排料部。

7.如权利要求6所述的固相掺杂装置，其特征在于，所述浮阀的下端形成倒椎台形的盖合部。

8.一种重掺砷硅单晶生产系统，包括设置在单晶炉上的籽晶夹头及设置在单晶炉内的坩埚，其特征在于，还包括如权利要求3-7中任意一项所述的固相掺杂装置；

其中，所述挂钩能够挂接在所述籽晶夹头上，所述浮子的下端能够伸入所述坩埚的内部。

9.一种重掺砷硅单晶生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

化料；

高温处理：升温使液面温度≥1520℃，并在低炉压、低坩埚转速状态下，维持预定时间；

硅熔液一次安定：硅熔液安定1h-2h，坩埚位置上升至引晶埚位，炉压设置为引晶炉压；

一次籽晶试温；

砷掺杂：采用如权利要求1或2所述的固相掺杂方法进行砷掺杂；

硅熔液二次安定：硅熔液安定1h-2h

二次籽晶试温，确保液面温度达到引晶温度；

引晶、放肩、等径、收尾，获得重掺砷硅单晶。

10.如权利要求9所述的重掺砷硅单晶生产方法，其特征在于，步骤“高温处理”中，升温使液面温度≥1520℃，并在炉压为1kPa-3kPa、坩埚转速为1rp/min-2rp/min状态下，维持0.5-2h。

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