CN115710693A - 掺杂剂及其制备方法、掺杂的硅片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于制备掺杂剂的方法，所述方法包括：使含目标掺杂元素的原料与硅片衬底接触；通过化学沉积使所述原料沉积在所述硅片衬底上以形成具有设定厚度的沉积层，其中，形成有所述沉积层的所述硅片衬底能够用作掺杂剂，由于沉积层的参数可以精确地控制，因此可以通过控制沉积层的参数精确控制最终获得的掺杂剂中掺杂元素的含量，进一步地，当使用通过本发明实施例提供方法获得的掺杂剂生产掺杂的单晶时，相比于现有的掺杂剂，可以更为精确地控制掺杂的单晶中的掺杂元素含量，进而提高掺杂的单晶的电阻率稳定性和一致性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及掺杂剂及其制备方法、掺杂的硅片及其制造方法。
背景技术
随着电子产品不断向小型化和高性能化的方向演变，对相关器件的工作电压和能量消耗尤其是待机功耗提出了更加严格的要求，这种趋势使得对晶体材料的导电能力提出了更高的要求。现有技术中，为了控制晶体材料的导电类型和导电能力，会对熔融状态的硅添加特定的杂质以用作掺杂剂。目前，对单晶的掺杂方法主要有：直接掺杂法、母合金掺杂法、装置掺杂法。
直接掺杂法通常采用蒸发量和熔点都较高的纯掺杂剂，该方法具体包括，根据目标电阻率的要求选择一定重量的掺杂剂，将掺杂剂和多晶硅料同时放入石英坩埚中，掺杂剂和多晶硅料同时经历高温熔化阶段，在此过程中，通过搅动熔液以使掺杂剂均匀地分布于熔体中，最终生产出掺杂的单晶硅。母合金掺杂法采用的是母合金掺杂剂并通常用于生产掺杂元素含量较少且目标电阻率较高的单晶硅，其中，母合金掺杂剂是通过将掺杂元素和多晶硅料制成母合金而获得，母合金掺杂法具体包括：根据母合金掺杂剂中掺杂元素的含量和电阻率的要求计算母合金掺杂剂的用量，并将母合金掺杂剂和多晶硅料同时放入石英坩埚熔化，最终生产出经掺杂的单晶硅。装置掺杂法通常适用于无法直接进行掺杂的特殊掺杂剂，例如挥发性较强的掺杂剂，这类掺杂剂例如以液态装入掺杂工具或掺杂装置中以进行掺杂。
对于通过直拉法拉制的大尺寸单晶硅，在晶体拉制过程中，需要根据单晶硅的规格、应用要求等控制其导电的类型和电阻率，其中，导电类型是由掺杂的元素外层电子的数量决定，而对电阻率的控制是通过控制在单晶生长时硅熔体中所含有掺杂元素的浓度来实现的。目前，单晶硅棒按照掺杂元素的类型可以分为P型单晶硅棒和N型单晶硅棒，按照掺杂元素含量的多少，通常P型单晶硅棒又可以分为轻掺P-型单晶硅棒和重掺P+/P++型单晶硅棒。在通过直拉法制备P型硅晶片的过程中，通常选择硼作为控制电阻率的掺杂剂。目前，对于轻掺杂单晶硅棒的制造主要采用母合金掺杂剂，对于重掺杂单晶硅棒的制造主要采用纯掺杂剂直接进行掺杂。
然而，无论是使用母合金掺杂剂还是纯掺杂剂目前都存在无法准确控制掺杂至单晶中的掺杂元素的量的问题，进而导致无法准确控制掺杂的单晶硅的电阻率。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供掺杂剂及其制备方法、掺杂的硅片及其制造方法；能够通过精确控制掺杂的单晶中的掺杂元素含量，提高掺杂的单晶的电阻率稳定性和一致性。
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用于制备掺杂剂的方法，所述方法包括：
使含目标掺杂元素的原料与硅片衬底接触；
通过化学沉积使所述原料沉积在所述硅片衬底上以形成具有设定厚度的沉积层，其中，形成有所述沉积层的所述硅片衬底能够用作掺杂剂。
第二方面，本发明实施例提供了一种掺杂剂，所述掺杂剂通过根据第一方面的方法制备。
第三方面，本发明实施例提供了一种用于制造掺杂的硅片的方法，所述方法包括：
将根据第二方面的掺杂剂和多晶硅原料熔化以获得含目标掺杂元素的硅熔体；
利用所述硅熔体采用直拉法拉制掺杂的单晶硅棒；
对所述掺杂的单晶硅棒进行切割以获得掺杂的硅片。
第四方面，本发明实施例提供了一种掺杂的硅片，所述掺杂的硅片通过使用根据第三方面的方法获得。
本发明实施例提供了掺杂剂及其制备方法、掺杂的硅片及其制造方法；根据本发明实施例提供的用于制备掺杂剂的方法，目标掺杂元素通过化学沉积以沉积层的形式形成在硅片衬底的表面上并将形成有沉积层的硅片衬底整体上用作掺杂剂，由于沉积层的参数可以精确地控制，因此可以通过控制沉积层的参数精确控制最终获得的掺杂剂中掺杂元素的含量，进一步地，当使用通过本发明实施例提供方法获得的掺杂剂生产掺杂的单晶时，相比于现有的掺杂剂，可以更为精确地控制掺杂的单晶中的掺杂元素含量，进而提高掺杂的单晶的电阻率稳定性和一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于制备掺杂剂的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的方法中使用的化学沉积反应装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的用于制造掺杂的硅片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。
在常规的制造掺杂的单晶硅片的方法中，通常采用的掺杂剂为纯掺杂剂或者含有一定浓度掺杂元素的母合金掺杂剂，其中，纯掺杂剂主要适用于制备具有低电阻率的重掺杂硅片，含有一定浓度掺杂元素的母合金掺杂剂则主要适用于制备具有高电阻率的轻掺杂硅片，以硼作为掺杂剂为例，纯的硼颗粒主要用于制备具有低电阻率的P+型硅片或P++型硅片，含有一定浓度硼元素的母合金则用于制备具有高电阻率的P-型硅片。
在常规操作中，当使用纯掺杂剂时，通常是将纯的硼颗粒直接加入到坩埚中，以使其与多晶硅一起在高温下熔化，然而，当所需纯掺杂剂的量非常少时，比如当所需纯掺杂剂的重量小于10毫克时，一旦不能准确称量出所需硼颗粒就会导致掺杂结果与目标值差距较大。在这种情况下，通常会改为使用母合金掺杂剂。当使用母合金掺杂剂时，首先需要测试母合金掺杂剂的电阻率，再根据母合金掺杂剂的电阻率推算母合金掺杂剂中目标掺杂元素的含量，并根据目标产品要求称量所需的母合金掺杂剂与多晶硅一起放入石英坩埚中，经历高温熔化阶段以使掺杂元素分布于熔体中，以此来拉制符合目标电阻率的晶棒，然而，由于在上述操作中，推算所得到的掺杂元素含量也仅仅是理论值，与实际值存在偏差，因此导致添加的掺杂剂量往往不准确，这也最终致使难以准确控制掺杂的单晶的电阻率，而且对于单个单晶硅棒而言，不同部分的电阻率一致性较差，特别值得注意的是，因掺杂剂含量的不确定，导致掺杂的单晶硅棒的头部电阻率往往会有波动，也影响整个单晶硅棒的电阻率的分布，导致整个单晶硅棒的使用率降低，从而导致良率降低。
为了更精确且方便地控制掺杂的单晶中的掺杂元素含量，进而提高掺杂的单晶的电阻率稳定性和一致性，第一方面，参见图1，本发明实施例提供了一种用于制备掺杂剂的方法，所述方法包括：
S101、使含目标掺杂元素的原料与硅片衬底接触；
S102、通过化学沉积使所述原料沉积在所述硅片衬底上以形成具有设定厚度的沉积层，其中，形成有所述沉积层的所述硅片衬底能够用作掺杂剂。
本发明实施例提供了一种用于制备掺杂剂的方法；根据本发明实施例提供的用于制备掺杂剂的方法，目标掺杂元素通过化学沉积以沉积层的形式形成在硅片衬底的表面上并将形成有沉积层的硅片衬底整体上用作掺杂剂，由于沉积层的参数可以精确地控制，因此可以通过控制沉积层的参数精确控制最终获得的掺杂剂中掺杂元素的含量，进一步地，当使用通过本发明实施例提供方法获得的掺杂剂生产掺杂的单晶时，相比于现有的掺杂剂，可以更为精确地控制掺杂的单晶中的掺杂元素含量，进而提高掺杂的单晶的电阻率稳定性和一致性。
根据本发明的优选实施方式，硅片衬底可以这样获得：仅将多晶硅放置在坩埚内加热形成熔体，并采用直拉法提拉该熔体生长成单晶硅，随后通过切片、研磨、抛光、清洗等工序制成为适合于在其表面进行化学沉积的抛光片，这种硅片衬底自身不含有目标掺杂元素，而是将掺杂剂通过化学沉积以沉积层的形式形成在硅片衬底的表面上，硅片衬底经过化学沉积之后便形成了掺杂用硅片即整体上成为掺杂剂，由于可以在化学沉积过程中精确控制该沉积层的参数，例如沉积层的厚度、沉积层中掺杂元素的浓度等，因此也就可以精确控制化学沉积后获得的掺杂用硅片中掺杂元素的量，当在拉制单晶硅棒的过程中利用这种掺杂用硅片进行掺杂时也可以准确控制掺杂的单晶硅棒中的掺杂元素含量。例如，如果希望获得具有较高电阻率的单晶硅棒，仅需要在拉制过程中掺入少量的掺杂剂，这种情况往往对掺杂剂含量的控制要求更高，正如上文中所描述的，通过常规的纯掺杂剂或使用常规母合金掺杂剂将很难获得这种掺杂的单晶硅棒，但是通过本发明提供的方法，可以先将目标掺杂元素通过化学沉积在硅片衬底上形成较薄的沉积层，就可以获得含有少量掺杂元素的掺杂用硅片以用作掺杂剂，利用此掺杂用硅片可以获得掺杂元素含量较低的单晶硅棒。以制造电阻率为50欧姆的单晶硅棒为例，仅需要在硅片衬底上化学沉积厚度为约8微米的化学沉积层以形成掺杂用硅片，并将此掺杂用硅片用作掺杂剂在拉制过程中掺杂至单晶硅棒中即可。
根据本发明的另一优选实施方式，如果希望获得具有较低电阻率的单晶硅棒时，可以在制造硅片衬底的过程中就掺入一部分目标掺杂元素，以获得体内具有一定含量的掺杂元素的硅片衬底，然后在含掺杂元素的硅片衬底的表面上进一步执行化学沉积以形成沉积层，由此获得掺杂元素含量较高的掺杂用硅片以用作掺杂剂，利用此掺杂用硅片可以获得掺杂元素含量较高的单晶硅棒。
鉴于目前通常选择硼作为控制电阻率的掺杂元素，优选地，所述目标掺杂元素为硼。
在所述硅片衬底上进行化学沉积需要在密闭的高温环境中进行，图中示出了用于化学沉积的反应装置100A的示意图，该装置100A可以包括：
围闭出反应腔室RC的钟罩111A，其中图2中示出了上钟罩111A-1和下钟罩111A-2；
反应腔室RC内部的圆盘状的基座112A，该基座112A构造成承载硅片衬底W；
基座支撑架114A，该基座支撑架114A用于支撑基座112A并在化学沉积期间驱动基座112A以一定速度绕装置100A的中心轴线XA旋转，由于晶片W承载于基座112A，因此晶片W随基座112A一起绕中心轴线XA旋转；
进气口113A，该进气口113A构造成向反应腔室RC中输送反应气体，如在图1中通过进气口113A处的箭头示出的，其中，进气口113A位于基座112A的径向外侧并且基座112A处于与进气口113A齐平的高度处；
排气口115A，该排气口115A用于将反应尾气排出反应室RC，如在图2中通过排气口115A处的箭头示出的；
多个加热灯泡116A，所述多个加热灯泡116A设置在上钟罩111A-1和下钟罩111A-2的外围并用于透过上钟罩111A-1和下钟罩111A-2在反应室RC中提供高温环境。
在本发明的优选实施例中，所述化学沉积的反应温度在1100℃至1150℃之间。
优选地，所述化学沉积可以包括向容纳有所述硅片衬底的密闭的反应腔室中通入H2和B2H6混合气体，具体地，参见图3，在化学沉积过程中，H2和B2H6混合气体作为反应气体经由进气口113A通入反应腔室RC中，其中，H2与H2和B2H6混合气体的比例例如可以为1∶4。
作为本发明的一个示例，所述H2和B2H6混合气体的流量可以不大于500sccm。
根据本发明实施例，所述硼掺杂剂层的厚度与所需的掺杂剂的量相关，考虑到化学沉积工艺的客观要求以及掺杂剂的实际需求量，优选地，所述沉积层的设定厚度小于30微米。
第二方面，本发明实施例还提供了一种掺杂剂，所述掺杂剂通过根据第一方面的方法制备。
第三方面，参见图3，本发明实施例还提供了一种用于制造掺杂的硅片的方法所述方法包括：
S201、将根据第二方面的掺杂剂和多晶硅原料熔化以获得含目标掺杂元素的硅熔体；
S202、利用所述硅熔体采用直拉法拉制掺杂的单晶硅棒；
S203、对所述掺杂的单晶硅棒进行切割以获得掺杂的硅片。
第四方面，本发明实施例提供了一种掺杂的硅片，所述掺杂的硅片通过使用根据第三方面的方法获得。
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)
1.一种用于制备掺杂剂的方法，其特征在于，所述方法包括：
使含目标掺杂元素的原料与硅片衬底接触；
通过化学沉积使所述原料沉积在所述硅片衬底上以形成具有设定厚度的沉积层，其中，形成有所述沉积层的所述硅片衬底能够用作掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片衬底为不含所述目标掺杂元素的抛光硅片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅片衬底为含有设定量的所述目标掺杂元素的抛光硅片。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标掺杂元素为硼。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述化学沉积的反应温度在1100℃至1150℃之间。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述化学沉积包括向容纳有所述硅片衬底的密闭的反应腔室中通入H2和B2H6混合气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述H2和B2H6混合气体的流量不大于500sccm。
8.一种掺杂剂，其特征在于，所述掺杂剂通过根据权利要求1至7中任一项所述方法制备。
9.一种用于制造掺杂的硅片的方法，其特征在于，所述方法包括：
将根据权利要求8所述的掺杂剂和多晶硅原料熔化以获得含目标掺杂元素的硅熔体；
利用所述硅熔体采用直拉法拉制掺杂的单晶硅棒；
对所述掺杂的单晶硅棒进行切割以获得掺杂的硅片。
10.一种掺杂的硅片，其特征在于，所述掺杂的硅片通过使用根据权利要求9所述的方法获得。
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