CN1289722C - 用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗。用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂漏斗具有漏斗体、在漏斗体上端设有漏斗盖、挂钩。用掺杂漏斗掺杂方法的主要步骤为：1)将掺杂剂装在掺杂漏斗中；2)在多晶硅完全熔化后降下掺杂漏斗至单晶炉炉膛内掺杂。若掺入的是锑，则降掺杂漏斗至漏斗下部漏嘴离熔硅液面10至20mm高度，使受热熔化的锑滴入硅熔体内而被吸收；若掺入的是磷或砷则降低漏斗至漏斗下部的漏斗嘴浸入液面5至10mm深，使气化的掺杂剂通过漏嘴进入硅熔体并被吸收。本发明使用的掺杂漏斗掺杂，提高了磷、砷、锑的掺杂效率(磷、砷、锑被熔体吸收的比例)，减少了高纯掺杂剂的使用量和环境污染，其中磷、砷的掺杂效率约为90%，锑的掺杂效率接近100%。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗。
背景技术
重掺直拉硅单晶用来生产外延衬底。在低电阻率的重掺衬底上长一层高电阻率的外延层可以解决双极晶体管的高击穿电压(要求使用高电阻率的硅片)与低集电极电阻的矛盾，可以降低双极晶体管的功率消耗，改善其高频讯号的回应效果。在低电阻率的重掺硅衬底上长一层高电阻率的硅外延层也可用来解决CMOS元件的闭锁问题。
器件制造需要低的衬底电阻率，但晶体中的掺杂剂的浓度受其在晶体中的固溶度的限制，N型掺杂剂在硅单晶中的固溶度分别是1.3×1021atoms/cm3(磷)、1.7×1021atoms/cm3(砷)、7×1019atoms/cm3(锑)。晶体中掺杂剂的浓度除了受固溶度的限制外还受拉晶过程中的其它条件限制，四英寸<111>硅单晶能达到的最低电阻率分别为：0.004Ωcm(锑)、0.0007Ωcm(磷)、0.0012Ωcm(砷)。实际上，浓度接近极限值时晶体生长已经非常困难，困难之一是大浓度均匀掺杂技术较复杂。
CZ单晶炉的组成如图1所示，主要由四部分组成：
(一)炉体：包括石英坩埚、石墨坩埚(用来支撑石英坩埚)、加热及绝热元件、炉壁等，炉体内这些影响传热及温度分布的元件，一般称为热场；
(二)单晶/坩埚拉升旋转机构：包括籽晶夹头、钢丝绳及提升旋转装置；
(三)气氛及压力控制系统：包括氩气流量控制、真空系统及压力自动控制阀；
(四)控制系统：传感器、计算机控制系统。
用直拉法生产重掺磷、重掺砷硅单晶时通常使用气相掺杂方法，其掺杂工具为如图2所示的掺杂钟罩。用直拉法生产重掺锑硅单晶通常使用液相掺杂的方法。掺杂在多晶熔化后进行。
发明内容
本发明发明了一种用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗。
用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂漏斗具有漏斗体、在漏斗体上端设有漏斗盖、挂钩。
用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法的步骤为：
1)将掺杂剂装在掺杂漏斗中，掺杂漏斗具有漏斗体24、在漏斗体上端设有漏斗盖23、挂钩22，漏斗嘴内径约5至10mm；
2)在多晶硅完全熔化后降下掺杂漏斗至单晶炉炉膛内掺杂，若掺入的是锑，则降掺杂漏斗至漏斗下部漏嘴离熔硅液面10至20mm高度，使受热熔化的锑滴入硅熔体内而被吸收；若掺入的是磷或砷，则降低漏斗至漏斗下部的漏斗嘴浸入液面5至10mm深，使气化的掺杂剂通过漏嘴进入硅熔体并被吸收。
本发明使用掺杂漏斗掺杂提高了磷、砷、锑的掺杂效率(磷、砷、锑被熔体吸收的比例)，减少了高纯掺杂剂的使用量和环境污染，其中磷、砷的掺杂效率约为90％，锑的掺杂效率接近100％。
下表为十六英寸和十八英寸热场中使用本发明掺杂漏斗和图1所示钟罩掺杂的各一个应用实例对比。
| 热场尺寸(″) | 掺杂剂种类 | 掺杂方法 | 掺杂效率(％) |
| 16 | 磷 | 漏斗 | 41 |
| 钟罩 | 89 | ||
| 砷 | 漏斗 | 45 | |
| 钟罩 | 90 | ||
| 锑 | 漏斗 | 98 | |
| 钟罩 | 不能掺杂 | ||
| 18 | 磷 | 漏斗 | 43 |
| 钟罩 | 92 | ||
| 砷 | 漏斗 | 49 | |
| 钟罩 | 91 | ||
| 锑 | 漏斗 | 98 | |
| 钟罩 | 不能掺杂 |
从表中可以看到，使用本发明的漏斗掺杂时磷、砷的掺杂效率约为90％，锑的掺杂效率接近100％，效率明显高于使用钟罩掺杂。
附图说明
图1是一个典型的普通CZ单晶炉结构示意图；
图2是用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂钟罩结构及应用示意图；
图3是使用本发明的掺杂漏斗掺杂示意图；
图4是本发明的掺杂漏斗结构示意图；
图5是本发明的掺杂漏斗各组件结构示意图。
上图中提拉头1、副炉室2、钢丝绳3、隔离阀4、籽晶夹头5、晶种6、石英坩埚7、石墨坩埚8、加热器9、隔热体10、电极11、坩埚上升旋转机构12、控制系统13、直径控制14、单晶15、硅熔体16、下炉室21、挂钩22、漏斗盖23、漏斗体24、掺杂剂25、挂钩26、石英钟罩27、掺杂剂容器28。
具体实施方式
用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂漏斗具有漏斗体24、在漏斗体上端设有漏斗盖23、挂钩22、
使用本发明的掺杂漏斗的掺杂方法，其特征在于它的步骤为：
1)将多晶硅全部装入石英坩埚内；
2)将掺杂剂装入如说明书附图4所示的掺杂漏斗中，盖好漏斗盖，悬挂在籽晶夹头下，并将掺杂漏斗升入副室中，盖好炉盖，抽真空，化料；待料全部化完后降下掺杂漏斗至单晶炉炉膛内掺杂，若掺入的是锑，则降掺杂漏斗至漏斗下部漏嘴离熔硅液面10至20mm高度，使受热熔化的锑滴入硅熔体内而被吸收；若掺入的是磷或砷则降低漏斗至漏斗下部的漏斗嘴浸入液面5至10mm深，使气化的掺杂剂通过漏嘴进入硅熔体并被吸收。掺杂结束后，将掺杂漏斗升入副室中，取出漏斗，结束掺杂程序。
本发明的掺杂漏斗，既能适用于气相掺杂又能适用于液相掺杂，其工作原理的核心是对低蒸汽压的锑采用将熔液滴入硅熔体的方式掺杂，对高蒸汽压的磷或砷采用将掺杂剂蒸气直接通入硅熔体的方式掺杂
漏斗材料为高纯石英玻璃。漏斗各部分的结构如图4、图5所示。漏斗各组件壁厚约5至10mm，漏斗嘴内径约5至10mm，漏斗容积略大于掺杂剂的体积，漏斗锥角约60°
Claims (2)
1.一种用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂漏斗，其特征在于它具有漏斗体(24)、在漏斗体上端设有漏斗盖(23)、挂钩(22)，漏斗嘴内径5至10mm。
2.一种用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法，特征在于它的步骤为：
1)将掺杂剂装在如权利要求1所述的掺杂漏斗中；
2)在多晶硅完全熔化后降下掺杂漏斗至单晶炉炉膛内掺杂，若掺入的是锑，则降掺杂漏斗至漏斗下部漏嘴离熔硅液面10至20mm高度，使受热熔化的锑滴入硅熔体内而被吸收；若掺入的是磷或砷，则降低漏斗至漏斗下部的漏斗嘴浸入液面5至10mm深，使气化的掺杂剂通过漏嘴进入硅熔体并被吸收。
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