CN1289723C - 用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置 - Google Patents
用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置。它具有保温罩、在保温罩外侧设有上盖板并固定在保温罩上端、上盖板放置在支承筒上。保温罩为上、下两中空圆锥台连接件。本发明增强了熔体表面气流的吹扫作用，挥发产生的细小颗粒被有效地吹离熔体上部；本发明的熔体上部保温装置加强了对单晶的冷却作用，从而增大了固液界面处的温度梯度，使用本发明的熔体上部保温装置解决了在普通标准热场中不能生长六英寸和八英寸重掺磷直拉硅单晶的难题，使六英寸和八英寸重掺磷直拉硅单晶的生长变得与普通高电阻率直拉硅单晶一样容易。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置。
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，因此，如大量使用电阻率低于0.0018Ωcm的硅片只能用重掺磷的硅片。
日本专利文献公开发表过如图1所示的熔体上部保温装置，其发明人试图用这样尺寸的熔体上部保温装置来改善熔体上部的流场和温度场。与普通CZ生长过程相比，不同之处是在熔体上部增加了一个用高纯石墨制作的导气筒，起保温和导气作用，在拉晶过程中，长出的单晶通过导气筒提拉至副室中。
普通CZ单晶炉的组成如图2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)、加热及绝热部件、炉壁等，炉体内这些影响传热及温度分布的部件，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。
电阻率极低的大直径重掺磷直拉硅单晶(电阻率＜0.0015Ωcm)的生产是极困难的，主要原因有两个：
(一)生产电阻率小于0.0015Ωcm的重掺磷单晶时，硅熔体中磷的浓度大于13×1019atoms/cm3，高浓度的磷使熔硅表面产生强烈的挥发现象，挥发产生的particle掉落回熔体中容易导致单晶无位错生长(dislocation-free)过程的终止；
(二)组分过冷现象
稳态时固液界面前端的杂质分布见图3(a)，固液界面前端的熔体内温度分布TL(x)线、平衡凝固温度分布Te(x)线见图3(b)。如固液界面前端的熔体内温度TL(x)小于平衡凝固温度Te(x)，固液界面形状即会出现不稳定现象而形成胞状结构，这种由杂质浓度引起的过冷现象被称为组分过冷现象。Tiller推导得出避免组分过冷的条件为：
即必须满足(1)温度梯度G须足够的大；(2)晶体生长速度须慢；(3)杂质浓度CL 0须小。在重掺杂(大于1×1019atom/cm3)硅单晶的生长过程中较易发生组分过冷。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置。
它具有保温罩、在保温罩外侧设有上盖板并固定在保温罩上端、上盖板放置在支承筒上。保温罩为上、下两中空圆锥台连接件。
本发明增强了熔体表面气流的吹扫作用，挥发产生的微小颗粒被有效地吹离熔体上部；熔体上部保温装置加强了对单晶的冷却作用，从而增大了固液界面处的温度梯度G，使用本发明熔体上部保温装置解决了在普通标准热场中不能生长六英寸和八英寸重掺磷直拉硅单晶的难题，使六英寸和八英寸重掺磷直拉硅单晶的生长变得与普通高电阻率直拉硅单晶一样容易。
下表为使用熔体上部保温装置制造的六根6英寸和8英寸重掺磷硅单晶有关参数汇总表，表中单晶电阻率小于0.0015Ωcm，氧浓度23-35ppma，电阻率径向均匀性RRG小于20％(<111>晶向)或小于10％(<100>晶向)，成晶率＞55％。
| 晶锭直径(″) | 晶锭编号 | 晶向 | 投料量(kg) | 电阻率(Ωcm)/径向均匀性(％) | 氧浓度(ppma) | 成品率(％) | ||
| 头 | 尾 | 头 | 尾 | |||||
| 6 | 1 | <111> | 40 | 0.00147/13.0 | 0.00105/9.6 | 33.8 | 24.8 | 61 |
| 2 | <111> | 40 | 0.00135/10.3 | 0.00090/8.5 | 32.9 | 23.9 | 62 | |
| 3 | <100> | 40 | 0.00148/7.8 | 0.00110/5.3 | 33.5 | 25.6 | 58 | |
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附图说明
图1是用于普通高电阻率的直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置结构示意图；
图2是典型的普通直拉硅单晶炉及其热场结构示意图；
图3是组分过冷现象原理图；图中(a)在稳定状况下，固液界面前端的杂质浓度分布(b)固液界面前端熔体内的温度分布TL和平衡凝固温度Te曲线，当TL低于临界温度时过冷现象就发生；
图4是采用本发明熔体上部保温装置的单晶炉结构及安装示意图；
图5是本发明熔体上部保温装置各组件结构示意图。
上述图中：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、直径控制探头14、单晶15、硅熔体16、支承筒17、上盖板18、保温罩19、导气筒20、下炉室21。
具体实施方式
本发明(见图4中有剖面线的部分)与普通热场(图2)的主要区别在于熔体上部保温装置增加了由上盖板18、导气罩19、支承筒17组成的上部组件，这些部件全部由高纯石墨制作。支承筒17、上盖板18主要起支承和保温作用，导气罩19主要起保温和调节熔体上部流场的作用。
保温罩19为上、下两中空圆锥台连接件(见图5)，上圆锥台底角A为30至40°，下锥台底角B为60-70°；上圆锥台底部直径D1和上圆锥台底角A的选择必须确保保温罩19安装好后不会挡住直径控制探头14；上下圆锥连接处的直径D2必须比所拉制的单晶的直径大40至60mm；下圆锥台底部直径D3必须比所使用的石英坩埚的内径小40至60mm；保温罩19的高度H的确定原则是确保熔体上部保温装置安装后保温罩19的下沿比支承筒17的下沿低30至50mm，并保证在坩埚放在拉晶位置时液面与保温罩17下沿的距离保持在20-80mm之间。
支承筒17的高度的确定原则是确保熔体上部保温装置安装好后单晶炉的炉盖能顺利的盖上且在炉盖内壁与上盖板18的上表面之间留有足够的热膨胀空间，并不能挡住拉晶过程中石英坩埚往上移动的路径。
本发明的熔体上部保温装置的壁厚约为5至10mm。
使用熔体上部保温装置时，先将多晶硅全部装入石英坩埚内，降石英坩埚至最低极限位置，安装熔体上部保温装置(按17、18、19的顺序安装)，其它操作步骤与只使用普通热场时完全一样，即：抽真空、化料、稳定、引颈、放肩、转肩、等径生长、收尾、冷却等。在拉晶过程中，单晶通过保温罩19逐步地升入副室中。使用熔体上部保温装置拉晶时操作要求与只使用普通热场时完全一样。
Claims (3)
1.一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置，其特征在于它具有保温罩(19)、在保温罩外侧设有上盖板(18)，并固定在保温罩上端、上盖板放置在支承筒(17)上，保温罩为上、下两中空圆锥台连接件，保温罩上圆锥台底角A为30至40°，下锥台底角B为60-70°。
2.根据权利要求1所述的一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置，其特征在于所说的上圆锥台底部直径D1和上圆锥台底角A的选择必须确保保温罩(19)安装好后不会挡住直径控制探头(14)；上下圆锥连接处的直径D2必须比所拉制的单晶的直径大40至60mm；下圆锥台底部直径D3必须比所使用的石英坩埚的内径小40至60mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于六英寸及八英寸重掺磷直拉硅单晶制造的熔体上部保温装置，其特征在于所说的保温罩(19)的高度H的确定原则是确保熔体上部保温装置安装后保温罩(19)的下沿比支承筒(17)的下沿低30至50mm，并保证在坩埚放在拉晶位置时液面与保温罩(17)下沿的距离保持在20-80mm之间。
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