CN113846377A - 一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法、装置及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法、装置及介质；该方法可以包括：根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
Description
技术领域
本发明实施例涉及晶圆制造技术领域，尤其涉及一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法、装置及介质。
背景技术
目前，在大尺寸的半导体级单晶硅片的工艺过程中，通常采用直拉(Czochralski)法拉制的单晶硅棒。直拉法包括使由石英制成的坩埚中多晶硅熔化以获得硅熔体，将单晶籽晶浸入硅熔体中，以及连续地提升单晶籽晶移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中相界面处生长出单晶硅棒。
在拉制单晶硅棒的常规方案中，通常会利用氮掺杂技术将微量氮掺入单晶硅晶体，从而能够抑制对集成电路质量产生严重影响的空洞型(COP)缺陷以提高集成电路的成品率；还能够促进直拉单晶硅棒中的氧沉淀和二次诱生缺陷，在后续切割所得到的硅片表面有源区生成高质量的洁净区，以利于集成电路器件制备过程中的金属杂质吸除；而且还可以提高硅片机械强度。减少硅片在集成电路制备过程中出现翘曲和破损的概率，以降低集成电路的制造成本。
由上述内容可知，氮掺杂单晶硅所实现的效果程度通常由氮的浓度来决定，基于此，对于氮掺杂单晶硅棒来说，不同位置的氮浓度差异不能过大，因此，在拉制过程中，需要控制氮掺杂单晶硅棒的各位置处的氮含量相对较为平稳。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法、装置及介质；通过调整拉制晶棒的旋转抑制由于提拉速度对氮含量变化的影响，避免氮掺杂单晶硅棒不同位置处的氮浓度产生较为明显的差异。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法，所述方法包括：
根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
第二方面，本发明实施例提供了一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置，所述装置包括：第一获取部分、第二获取部分、修正部分以及控制部分；其中，
所述第一获取部分，经配置为根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
所述第二获取部分，经配置为根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
所述修正部分，经配置为按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
所述控制部分，经配置为控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
第三方面，本发明实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序，所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序被至少一个处理器执行时实现第一方面所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法步骤。
本发明实施例提供了一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法、装置及介质；在拉制氮掺杂单晶硅棒的过程中，当提拉速度发生变化的时候，利用有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系对籽晶转速，也就是晶棒转速进行修正，从而能够使得修正后的籽晶转速能够保证有效分凝系数保持稳定，也就保持了在拉制过程中作为杂质的氮元素质在晶棒中的溶解浓度保持稳定，从而避免单晶硅棒的不同位置的氮浓度差异较大的情况发生。
附图说明
图1为能够实现本发明实施例技术方案的拉晶炉结构示意图；
图2为单晶硅棒所存在的代表性原生缺陷的分布状况示意图；
图3为本发明实施例提供的一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置组成示意图；
图5为本发明实施例提供的控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置应用于拉晶炉的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，其示出了能够实现本发明实施例技术方案的拉晶炉1，该拉晶炉1可以包括：由壳体2围成的炉室、设置在炉室内的坩埚10、石墨加热器20、坩埚旋转机构30和坩埚承载装置40。坩埚10由坩埚承载装置40承载，坩埚旋转机构30位于坩埚承载装置40的下方，用于驱动坩埚10绕自身的轴线沿方向R旋转。
当使用拉晶炉1拉制单晶硅棒时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入坩埚10中，并在坩埚旋转机构40驱动坩埚10旋转的同时通过石墨加热器20对坩埚10不断进行加热，以将容置在坩埚10中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化成融汤S2，其中，加热温度维持在大约一千多摄氏度，炉中的气体通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。当通过控制由石墨加热器20提供的热场将融汤S2的液面温度控制在结晶的临界点时，通过提拉头S将位于液面上方的单晶籽晶S1从液面沿方向T向上提拉，融汤S2随着单晶籽晶S1的提拉上升按照单晶籽晶S1的晶向生长出单晶硅棒S3。为了使最终生产出的硅片具有较高的BMD密度，可以选择在单晶硅棒的拉制过程中对单晶硅棒进行掺氮，例如可以在拉直过程中向拉晶炉1的炉室内冲入氮气或者可以使坩埚10中的硅熔体中掺杂有氮，由此拉制出的单晶硅棒以及由单晶硅棒切割出的硅片中便会掺杂有氮。
基于上述生产过程得到的单晶硅棒所存在的代表性原生缺陷的分布状况如图2所示，这些原生缺陷包括由被称为缺陷红外线散射体或COP(Crystal Originated Partical)等的大小为0.1至0.2μm左右的空位缺陷以及被称为位错簇的大小为10μm左右的微小位错构成的缺陷。一般而言，这些原生缺陷可以根据拉制过程中的提拉速度V以及温度分布(用温度梯度平均值G)的比值进行控制，但是温度分布依赖于拉晶炉1内的构造，也就是说，即便提拉速度V改变，温度分布是几乎不变的。因此，在同一构造的拉晶炉1的情况下，V/G仅对应提拉速度的变化而变化，也就是说，提拉速度V和V/G金丝玉正比例关系。所以，图2的纵轴采用提拉速度V。
从图2中可以看出，在提拉速度V较为高速的区域中，在结晶直径全部区域，存在被认为是由称作空位(Va，Vacancy)的点缺陷也就是由空孔所凝集而成的空隙(void)的COP、或是被称为流体图案缺陷(FPD，Flow Pattem Defect)的空孔型原生(Grown-in)缺陷，而被称为V-Rich区域。
若提拉速度V稍慢于上述速度，则自结晶的周边开始，环状地发生氧感生堆垛层错(OSF，Oxygen induced Stacking Fault)，随着提拉速度V的降低，OSF向中心收缩而终至消灭于结晶中心。
若提拉速度V更慢，则存在着其Va和被称为间隙硅(I，Interstitial silicon)的间隙型点缺陷，并无过多或过少的中性(N，Neutral)区域。此N区域虽有偏向Va或I的情况，但因为在饱和浓度以下，而判断其并不存在如前述COP或FPD般地凝集而成的缺陷、或是以现今的缺陷检验方法无法检验出缺陷的存在。
此N区域可区分为Va占优势的Nv区域和I占优势的Ni区域。
若提拉速度V更进一步地减慢，则I变成过饱和，其结果，被认为是凝集I而成的位错环的间隙位错环(L/D，large dislocation)的缺陷，呈低密度地发生，此区域被称为I-Rich区域。
根据此等情形，在自结晶的中心至径向全局所成为N区域的范围内，一边控制V/G、一边提拉，然后自这样得到的单晶硅棒所切出的晶圆，并通过研磨而得到其径向全面成为N区域、且缺陷极少的晶片。也就是说，提拉速度决定了N区域的工艺窗口。但是，在单晶硅棒生长的各个阶段中，提拉速度各不相同，因此，会影响氮掺杂单晶硅棒的有效分凝系数，从而导致单晶硅棒的不同位置的氮浓度差异较大。基于以上阐述，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法，该方法可以包括：
S301：根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
S302：根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
S303：按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
S304：控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
对于图3所示的技术方案，需要说明的是，对于固液界面来说，杂质在不同相中的溶解度不同，因此，造成杂质在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就是杂质分凝现象，杂质分凝作用的大小通常用分凝系数来描述。应用于本发明实施例，结合图1，融汤S2与拉过程中的硅棒S3就形成了固液界面，若将氮元素视为杂质，如果能够将杂质的分凝系数在整个拉制过程中保持在较为平稳的状态下，那么杂质在单晶硅棒S3中的浓度在单晶硅棒S3的轴向也能够保持一致，从而不会导致单晶硅棒的不同位置的氮浓度差异较大。
在考虑熔体对流对溶质分凝的影响时，利用伯顿(Burton)近似后，能够获得杂质分凝的有效分凝系数如式1所示：
其中，Cs表示固相杂质浓度，Cl表示熔体内部的杂质浓度，k0表示杂质的平衡分凝系数，在本发明实施例中，将氮元素视为杂质，该值优选为7×10-4。
由式1可知，有效分凝系数与晶体生长速度V，溶质在熔液中的扩散系数D以及边界层厚度δ有关，而δ和熔体的自然对流和搅拌相关。在考虑了晶体旋转对溶质边界层的影响后，溶质边界层和晶体转动速度之间的关系式2所示：
δ＝1.61D1/3v1/6ω-1/2 (2)
其中，D表示溶质在熔液中的扩散系数，通常为D＝2.7×103exp(-2.8/kT)，在晶体生长温度为1430K左右时，D＝1.86*10-8cm2/S，v＝8×10-4为熔液的运动粘滞系数，ω为晶体转速，在本发明实施例中，晶体转速即为单晶硅棒的转速，也就为籽晶转速。将式2代入式1可得如下式3所示：
基于式3，在一些可能的实现方式中，所述根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数，包括：
将初始提拉速度V0以及初始籽晶转速ω0代入式3，计算获得所述有效分凝系数k有效：
对于上述实现方式，通过式3可知，杂质的分凝系数和晶体生长速度V、晶体转速ω有关；而且，基于式3可知，可以根据拉速的变化来调节晶体转速的变化，从而使得有效分凝系数保持在一个较为平稳的水平上。基于此，对于图3所示的技术方案，在一些示例中，根据式3，所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系如式4所示：
相应来说，所述根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值，包括：
将当前提拉速度V′代入式4，获得所述当前籽晶转速修正值ω′。
基于上述示例，所述按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速，包括：
利用所述当前籽晶转速修正值ω′按照式5对籽晶转速目标值ωtarget进行修正，获得所述修正后的籽晶转速ω″：
ω″＝ωtarget+ω′ (5)。
通过以上技术方案，在拉制氮掺杂单晶硅棒的过程中，当提拉速度发生变化的时候，利用式4所示的有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系对籽晶转速，也就是晶棒转速进行修正，从而能够使得修正后的籽晶转速能够保证有效分凝系数保持稳定，也就保持了在拉制过程中作为杂质的氮元素质在晶棒中的溶解浓度保持稳定，从而避免单晶硅棒的不同位置的氮浓度差异较大的情况发生。
基于前述技术方案相同的发明构思，参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置40，所述装置40包括：第一获取部分401、第二获取部分402、修正部分403以及控制部分404；其中，
所述第一获取部分401，经配置为根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
所述第二获取部分402，经配置为根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
所述修正部分403，经配置为按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
所述控制部分404，经配置为控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
在一些示例中，所述第一获取部分401，经配置为：
将初始提拉速度V0以及初始籽晶转速ω0以及式1，计算获得所述有效分凝系数k有效。
在一些示例中，所述第二获取部分402，经配置为：将当前提拉速度V′代入式2，获得所述当前籽晶转速修正值ω′。
在一些示例中，所述修正部分403，经配置为利用所述当前籽晶转速修正值ω′按照式3对籽晶转速目标值ωtarget进行修正，获得所述修正后的籽晶转速ω′。
结合图1以及上述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置40，参见图5所示，在具体实施过程中，可以将前述技术方案中所阐述的控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置40作为拉晶炉的可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)控制系统的一部分与提拉头S连接，从而能够通过第二获取部分402基于所获得的当前提拉速度的实测值获取当前籽晶转速修正值；并且通过控制部分404向提拉头S发送包含有修正后的籽晶转速的控制指令，以使得提拉头S按照该控制指令中的修正后的籽晶转速控制籽晶S1旋转，进而带动单晶硅棒按照修正后的籽晶转速旋转。
可以理解地，在本实施例中，“部分”可以是部分电路、部分处理器、部分程序或软件等等，当然也可以是单元，还可以是模块也可以是非模块化的。
另外，在本实施例中的各组成部分可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并非作为独立的产品进行销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
因此，本实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序，所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法步骤。
可以理解地，上述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置40的示例性技术方案，与前述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法的技术方案属于同一构思，因此，上述对于控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置40的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见前述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法的技术方案的描述。本发明实施例对此不做赘述。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数，包括：
将初始提拉速度V0以及初始籽晶转速ω0以及式1，计算获得所述有效分凝系数k有效：
其中，k0表示杂质的平衡分凝系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效分凝系数、提拉速度V与籽晶转速ω之间的对应关系如式2所示：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值，包括：
将当前提拉速度V′代入式2，获得所述当前籽晶转速修正值ω′。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速，包括：
利用所述当前籽晶转速修正值ω′按照式3对籽晶转速目标值ωtarget进行修正，获得所述修正后的籽晶转速ω″：
ω″＝ωtarget+ω′ (3)。
6.一种控制氮掺杂单晶硅中氮含量的装置，其特征在于，所述装置包括：第一获取部分、第二获取部分、修正部分以及控制部分；其中，
所述第一获取部分，经配置为根据拉制晶棒的初始提拉速度和初始籽晶转速，获取有效分凝系数；
所述第二获取部分，经配置为根据所述有效分凝系数、提拉速度与籽晶转速之间的对应关系，通过当前提拉速度获取当前籽晶转速修正值；
所述修正部分，经配置为按照所述当前籽晶转速修正值对籽晶的旋转速度进行修正，得到修正后的籽晶转速；
所述控制部分，经配置为控制所述籽晶按照所述修正后的籽晶转速进行旋转。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取部分，经配置为：
将初始提拉速度V0以及初始籽晶转速ω0以及式1，计算获得所述有效分凝系数k有效。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二获取部分，经配置为：将当前提拉速度V′代入式2，获得所述当前籽晶转速修正值ω′。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述修正部分，经配置为利用所述当前籽晶转速修正值ω′按照式3对籽晶转速目标值ωtarget进行修正，获得所述修正后的籽晶转速ω′。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序，所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1至5任一项所述控制氮掺杂单晶硅中氮含量的方法步骤。
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