CN117418302A - 改善igbt氧含量面内分布的拉晶方法及单晶晶棒 - Google Patents
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Abstract
本发明提供改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法及单晶晶棒，在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，降低初始氧含量；当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以抑制坩埚熔体内垂直切割磁力线的热对流，以达到降低流体高速运动的目的，使得产生的涡流减小，同时熔体中的强迫对流方向与磁场分量的方向垂直，强迫对流也被减弱，而靠近坩埚内熔体表面的对流几乎被完全抑制，而平行与磁场发现的对流流动速度加快，利于借助自然对流改善熔体内的氧浓度分布，使氧含量的面内分布均匀。
Description
技术领域
本发明属于单晶硅制备方法的技术领域，具体涉及一种改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法及单晶晶棒。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是适于控制大功率的栅电压驱动型开关元件，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动车、光伏风电、变频家电等领域。作为IGBT芯片的衬底材料，半导体级单晶硅片的品质对IGBT芯片的性能起着至关重要的作用。
目前，IGBT的衬底主要通过直拉法制造出200mm的大硅片，但是直拉法生长的单晶硅氧含量通常达到8-18ppma，远高于IGBT用硅片所需的小于5ppma的氧含量。即便是生产出来氧含量小于5ppma的衬底，氧含量面内分布也存在极不稳定的状态，面内分布过高的氧含量会在IGBT制作步骤的烧结处理过程中产生氧施主，造成热处理前后硅片电阻率的改变，且硅片在做外延或衬底结果后用在器件端后出现正向压降VF波动大的现象，导致器件失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法
还有必要提供一种单晶晶棒。
一种改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，包括以下步骤，
S1：在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，降低初始氧含量；
S2：当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；
S3：在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以使氧含量分布均匀。
优选地，所述S2步骤中：所述加热器的发热区处于硅液的液面位置以下距离为：NCP+80mm~+130mm。
优选地，所述S2步骤中：所述水平磁场中心位于液面下方具体距离为：MCP-50mm~-150mm。
优选地，所述S3步骤中：所述预定磁场强度为随着晶棒等径长度的增加，磁场强度从3000Gs降低至500Gs。
优选地，在晶棒等径0mm-500mm，磁场强度保持3000Gs不变。
优选地，在晶棒等径500mm-1000mm，磁场强度从3000Gs均匀降低至1000Gs。
优选地，在晶棒等径1000mm至等径结束，磁场强度从1000Gs均匀降低至500Gs。
优选地，所述S3步骤中，磁场与石英坩埚保持同步升降，以保证液口距为20mm-30mm。
优选地，所述石英坩埚升降的距离为80mm-250mm。
一种单晶晶棒，利用如上所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法进行晶棒拉制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法及单晶晶棒，在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，降低初始氧含量；当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以抑制坩埚熔体内垂直切割磁力线的热对流，以达到降低流体高速运动的目的，使得产生的涡流减小，同时熔体中的强迫对流方向与磁场分量的方向垂直，强迫对流也被减弱，而靠近坩埚内熔体表面的对流几乎被完全抑制，而平行与磁场发现的对流流动速度加快，利于借助自然对流改善熔体内的氧浓度分布，以使氧含量既降低至5ppma以下，且氧含量的面内分布均匀。
附图说明
图1为实施例一中的氧含量变化曲线。
图2为对比例一中的氧含量变化曲线。
图3为氧含量分布检测方法图。
图4为实施例一中的氧含量分布变化图。
图5为对比例一中的氧含量分布变化图。
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。
一种改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，包括以下步骤，
S1：在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，通过减少硅料与石英坩埚的接触面积来改变氧含量，降低硅液与石英坩埚之间的反应，降低初始氧含量；
S2：当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；
S3：在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以使氧含量分布均匀。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法及单晶晶棒，在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，降低初始氧含量；当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以抑制坩埚熔体内垂直切割磁力线的热对流，以达到降低流体高速运动的目的，使得产生的涡流减小，同时熔体中的强迫对流方向与磁场分量的方向垂直，强迫对流也被减弱，而靠近坩埚内熔体表面的对流几乎被完全抑制，而平行与磁场发现的对流流动速度加快，利于借助自然对流改善熔体内的氧浓度分布，以使氧含量既降低至5ppma以下，且氧含量的面内分布均匀。
进一步的，所述S1步骤中，通过石英加料器进行加料具体为：通过石英加料器进行三次加料，在原料总量相同的情况下，所述多次加料的时间与进行一次加料的时间相同，使得时间相同的情况下，接触面积的时间减少。
进一步的，所述S1步骤中：所述第一次加料量为总量的60%-70%，第二次加料量为总量的15%-20%，第三次加料量为总量的15%-20%，使得时间相同的情况下，接触面积的时间减少，进而降低硅溶液与石英坩埚之间的反应使得初始氧含量降低。
具体的，第二次、第三次加料时机为入石英坩埚内的料熔化65%-75%后进行，以保证硅料熔融。
进一步的，所述S2步骤中：所述加热器的发热区处于硅液的液面位置以下距离为：NCP+80mm~+130mm，以将加热器的发热区进行上移，调节石英坩埚的反应温度实现氧含量的降低，且不能直接将加热器的发热区直接调节至上述位置，需要保证石英坩埚内的硅料熔化完全。
进一步的，所述S2步骤中：所述水平磁场中心位于液面下方具体距离为：MCP-50mm~-150mm。
进一步的，所述S3步骤中：所述预定磁场强度为随着晶棒等径长度的增加，磁场强度从3000Gs降低至500Gs。
进一步的，在晶棒等径0mm-500mm，磁场强度保持3000Gs不变。
进一步的，在晶棒等径500mm-1000mm，磁场强度从3000Gs均匀降低至1000Gs。
进一步的，在晶棒等径1000mm至等径结束，磁场强度从1000Gs均匀降低至500Gs。
具体的，通过上述磁场强度的调整，配合石英坩埚的移动抑制石英坩埚熔体内垂直切割磁力线的热对流，借助自然对流改善熔体内的氧浓度分布使得石英坩埚内熔汤波动平稳，进而拉晶过程中固液界面平稳，温度梯度稳定，进而氧含量分布更加均匀。
进一步的，所述S3步骤中，磁场与石英坩埚保持同步升降，以保证液口距为20mm-30mm，保证持续抑制对流。
进一步的，所述石英坩埚升降的距离为80mm-250mm，以热场为基础。
一种单晶晶棒，利用如上所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法进行晶棒拉制。
为了便于理解，本发明通过以下实施例、对比例进一步说明：
实施例一
拉制200mm直径的晶棒时，通过石英加料器进行三次加料，在原料总量相同的情况下，所述多次加料的时间与进行一次加料的时间相同，所述第一次加料量为总量的65%，第二次加料量为总量的15%，第三次加料量为总量的20%；当化料结束后，调节加热器的高度NCP+130mm，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，加热器、单晶炉与对比例一使用相同，并且调节水平磁场的位置，所述水平磁场中心位于液面下方MCP-50mm；在等径时，晶棒等径0mm-500mm，磁场强度保持3000Gs不变，在晶棒等径500mm-1000mm，磁场强度从3000Gs均匀降低至1000Gs，在晶棒等径1000mm至等径结束，磁场强度从1000Gs均匀降低至500Gs，在上述等径磁场强度下，保证液口距为20mm-30mm下，磁场与石英坩埚保持同步升降，等径结束后，进行收尾，晶棒拉制完成，得到晶棒。
对比例一：采用申请号为：CN202310436939.1的中国发明中实施例一方案进行晶棒拉制，得到晶棒。
1.氧含量检测：通过实施例一的方法，实施3次，检测晶棒氧含量的结果如图1所示，通过对比例一的方法，实施3次，检测晶棒氧含量的结果如图2所示，其中实施例一、对比例一未提及的条件均相同；
2.对实施例一、对比例一得到的晶棒进行氧分布均匀性检测，检测方法如图3所示，检测结果如图4、5所示：
由上述可知，实施例一与对比例得到的晶棒的氧含量均位于5ppma以下，且实施例一得到的晶棒的氧含量相较于对比例一的氧含量更加均匀。
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)
1.一种改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：在化料步骤中，通过石英加料器进行加料，降低初始氧含量；
S2：当化料结束后，调节加热器的高度，使得加热器的发热区处于硅液的液面位置以下，并且调节水平磁场的位置，使得磁场中心位于液面下方；
S3：在等径时，在预定磁场强度下，调节磁场与石英坩埚上升的速度，以使氧含量分布均匀。
2.如权利要求1所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，所述S2步骤中：所述加热器的发热区处于硅液的液面位置以下距离为：NCP+80mm~+130mm。
3.如权利要求1所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，所述S2步骤中：所述水平磁场中心位于液面下方具体距离为：MCP-50mm~-150mm。
4.如权利要求1所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，所述S3步骤中：所述预定磁场强度为随着晶棒等径长度的增加，磁场强度从3000Gs降低至500Gs。
5.如权利要求4所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，在晶棒等径0mm-500mm，磁场强度保持3000Gs不变。
6.如权利要求5所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，在晶棒等径500mm-1000mm，磁场强度从3000Gs均匀降低至1000Gs。
7.如权利要求6所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，在晶棒等径1000mm至等径结束，磁场强度从1000Gs均匀降低至500Gs。
8.如权利要求1所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，所述S3步骤中，磁场与石英坩埚保持同步升降，以保证液口距为20mm-30mm。
9.如权利要求8所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法，其特征在于，所述石英坩埚升降的距离为80mm-250mm。
10.一种单晶晶棒，其特征在于，利用如权利要求1至权利要求9所述的改善IGBT氧含量面内分布的拉晶方法进行晶棒拉制。
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