CN113862776A - 一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法，所述设备包括：气压控制装置，所述气压控制装置用于将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；拉晶装置，所述拉晶装置用于利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
Description
技术领域
本发明涉及半导体硅片制造领域。尤其涉及一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法。
背景技术
用于生产集成电路等半导体电子元器件的硅片，主要通过将直拉(Czochralski)法拉制的单晶硅棒切片而制造出。Czochralski法包括使由石英制成的坩埚中的多晶硅熔化以获得硅熔体，将单晶晶种浸入硅熔体中，以及连续地提升晶种移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中在相界面处生长出单晶硅棒。
在上述生产过程中，提供这样的一种硅片是非常有利的：该硅片具有从正面开始向体内延伸的无晶体缺陷区域(Denuded Zone，DZ)以及与DZ邻接并且进一步向体内延伸的含有体微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的区域，这里的正面指的是硅片的需要形成电子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因为为了在硅片上形成电子元器件，要求在电子元器件的形成区域内不存在晶体缺陷，否则会导致电路断路等故障的产生，使电子元器件形成在DZ中便可以避免晶体缺陷的影响；而上述的BMD的作用在于，能够对金属杂质产生内在吸杂(Intrinsic Getter，IG)作用，使硅片中的金属杂质保持远离DZ，从而避免金属杂质导致的漏电电流增加、栅极氧化膜的膜质下降等不利影响。
而在生产上述的具有BMD区域的硅片的过程中，在硅片中掺杂有氮是非常有利的。举例而言，在硅片中掺杂有氮的情况下，能够促进以氮作为核心的BMD的形成，从而使BMD达到一定的密度，使BMD作为金属吸杂源有效地发挥作用，而且还能够对BMD的密度分布产生有利影响，比如使BMD的密度在硅片的径向上的分布更为均匀，比如使BMD的密度在临近DZ的区域更高而朝向硅片的体内逐渐降低等。
作为使硅片中掺杂有氮的一种实现方式，可以使石英坩埚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。
利用掺氮硅熔体拉制掺氮单晶硅棒的过程中存在的问题是，氮的分凝系数小于1，具体地为7×10-4，导致氮倾向于滞留在熔体中，而不是进入到单晶硅棒中，随着拉晶过程的不断进行，熔体中氮的浓度会逐渐增大，因此拉制出的单晶硅棒的氮浓度会出现头部较低而尾部较高的情况，或者说氮浓度在单晶硅棒的纵向上是不均匀的，利用这样的单晶硅棒切割出的不同的硅片的氮浓度之间产生差异，由此无法针对所述不同的硅片采用统一的方式获得期望的BMD的密度分布或对BMD的密度分布进行有效控制。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法，改善掺氮单晶硅棒中氮浓度沿纵向分布不均匀的问题。
本发明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用于制造掺氮单晶硅的设备，所述设备包括：
气压控制装置，所述气压控制装置用于将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；
拉晶装置，所述拉晶装置用于利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的方法，所述方法包括：
将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；
利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法，由于降低了掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强，因此掺氮硅熔体中的氮能够以更快的速率以氮气的形式挥发，氮浓度下降的速率更快，因分凝系数小于1导致的浓度增大能够获得更大幅度的减小，从而使整根硅棒头部和尾部的氮浓度的差异更小，或者说使整根硅棒沿纵向的氮浓度更匀均。
附图说明
图1为熔体中的氮的挥发速率以及硅棒中的氮浓度与气压之间的关系的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于制造掺氮单晶硅的设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种用于制造掺氮单晶硅的方法的流程示意图。
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。
对于掺杂在硅熔体中的氮而言，会以氮气的形式从硅熔体中挥发出来，从而导致熔体中氮浓度的降低。而本发明的发明人发现，上述氮挥发的速率，是与熔体上方的气压相关联的，具体地，如图1所示，在熔体上方的气压为P1的情况下，氮挥发速率较慢，氮浓度下降速率也较慢，从拉晶开始到拉晶结束熔体中的氮浓度会下降ΔC1，从而形成了如在图1中通过初始浓度线上方的虚线表示的单晶硅棒浓度变化曲线，而在熔体上方的气压为小于P1的P2的情况下，氮挥发速率较快，氮浓度下降速率也较快，从拉晶开始到拉晶结束熔体中的氮浓度会下降大于ΔC1的ΔC2，从而形成了如在图1中通过初始浓度线上方的点划线表示的单晶硅棒浓度变化曲线，无论哪种气压，尽管无法完全消除因分凝系数小于1导致的氮浓度的增大，但都能使增大的氮浓度发生一定程度的降低。
基于以上情况，参见图2，本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的设备1，所述设备1可以包括：
气压控制装置10，所述气压控制装置10用于将掺氮硅熔体M的液面L附近的气体的压强降低，其中，图2中示意性地示出了当掺氮硅熔体M处于炉体2中时，上述的气压控制装置10的一种具体实现方式，如图2所示，该气压控制装置10可以包括通入到炉体2内部的管路11和设置在炉体2外部的真空泵12，该真空泵12用于借助管路11将炉体2内部的气体抽吸出，如在图2中通过管路11中的箭头示意性地示出的，以将炉体2的整个内部的气压降低，从而将掺氮硅熔体M的液面L附近的气体的压强降低；
拉晶装置20，所述拉晶装置20用于利用所述掺氮硅熔体M通过直接法拉制单晶硅棒R，其中，对于图2中示意性地示出的拉晶装置20而言，该拉晶装置20位于炉体2的顶部，并且使单晶硅棒R沿着图2中空心箭头示出的方向移动，以使单晶硅棒R在相界面处或者说液面L处不断生长。
由于降低了掺氮硅熔体M的液面L附近的气体的压强，因此掺氮硅熔体M中的氮能够以更快的速率以氮气的形式挥发，氮浓度下降的速率更快，如图2以整根硅棒为例，因分凝系数小于1导致的浓度增大能够获得更大幅度的减小，从而使整根硅棒头部和尾部的氮浓度的差异更小，或者说使整根硅棒沿纵向的氮浓度更匀均。
对于上述的掺氮硅熔体M的获得，在根据本发明的实施例的设备1中，如图2所示，所述设备1还可以包括：熔化装置30，所述熔化装置30用于将氮化硅和多晶硅熔化以获得所述掺氮硅熔体M，其中，对于图2中示意性地示出的熔化装置30而言，该熔化装置30包括用于容纳氮化硅和多晶硅的坩埚31和用于对坩埚31进行加热以使容纳在坩埚31中的氮化硅和多晶硅熔化。
对于上述的掺氮硅熔体M的获得，在根据本发明的另一实施例的设备1中，仍然参见图2，所述设备1还可以包括：熔化装置30，所述熔化装置30利用氮化硅坩埚31熔化多晶硅以获得所述掺氮硅熔体M，也就是说，本实施例与前一实施例的区别在于：本实施例中的坩埚是由氮化硅制成的，在该坩埚被加热的过程中一部分内壁会被熔化使得氮元素掺杂到多晶硅熔化后形成的硅熔体中，而前一实施例中的坩埚可以是不含氮元素的坩埚比如石英坩埚；本实施例中的坩埚可以仅容纳多晶硅而不容纳任何含氮掺杂剂，而前一实施例中的坩埚需要容纳比如氮化硅的含氮掺杂剂以将氮掺杂到多晶硅熔化后形成的硅熔体中。
为避免高温的掺氮硅熔体M与周围环境中气体比如大气中的氧化发生不期望的化学反应，需要将掺氮硅熔体M保持在保护性气体的氛围中，为此，参见图2，所述设备1还可以包括供气装置40，所述供气装置40用于使惰性气体流经所述掺氮硅熔体M的液面L，而前述的所述液面L附近的气体为这里的惰性气体，其中，对于图2中示意性地示出的供气装置40而言，该供气装置40包括气体输送器41和导流筒42，该气体输送器41用于将惰性气体输送至炉体2内部，如在图2中通过导流筒42中的箭头示意性地示出的，该导流筒42用于将惰性气体引导至掺氮硅熔体M的液面L，如在图2中通过液面L上方的箭头示意性地示出的。
对于上述惰性气体的类型，在一个示例中，所述惰性气体可以为氩气。
参见图3，本发明实施例还提供了一种用于制造掺氮单晶硅的方法，所述方法可以包括：
将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；
利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
对于上述的掺氮硅熔体的获得，在根据本发明的实施例的方法中，所述方法还可以包括：将氮化硅和多晶硅熔化以获得所述掺氮硅熔体。
对于上述的掺氮硅熔体的获得，在根据本发明的另一实施例的方法中，所述方法还可以包括：利用氮化硅坩埚熔化多晶硅以获得所述掺氮硅熔体。
如前所述，为了将掺氮硅熔体保持在保护性气体的氛围中，所述方法还可以包括：使惰性气体流经所述掺氮硅熔体的液面，而前述的所述液面附近的气体为这里的惰性气体。
上述方法中涉及的惰性气体也可以为氩气。
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)
1.一种用于制造掺氮单晶硅的设备，其特征在于，所述设备包括：
气压控制装置，所述气压控制装置用于将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；
拉晶装置，所述拉晶装置用于利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
熔化装置，所述熔化装置用于将氮化硅和多晶硅熔化以获得所述掺氮硅熔体。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
熔化装置，所述熔化装置利用氮化硅坩埚熔化多晶硅以获得所述掺氮硅熔体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括供气装置，所述供气装置用于使惰性气体流经所述掺氮硅熔体的液面，其中，所述液面附近的气体为所述惰性气体。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
6.一种用于制造掺氮单晶硅的方法，其特征在于，所述方法包括：
将掺氮硅熔体的液面附近的气体的压强降低；
利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将氮化硅和多晶硅熔化以获得所述掺氮硅熔体。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
利用氮化硅坩埚熔化多晶硅以获得所述掺氮硅熔体。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
使惰性气体流经所述掺氮硅熔体的液面，其中，所述液面附近的气体为所述惰性气体。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Room 1-3-029, No. 1888, Xifeng South Road, high tech Zone, Xi'an, Shaanxi 710065 Applicant after: Xi'an Yisiwei Material Technology Co.,Ltd. Address before: 710065 room 1-3-029, No. 1888, Xifeng South Road, high tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province Applicant before: Xi'an yisiwei Material Technology Co.,Ltd. |
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