CN1439746A - 制造高掺杂硅单晶的方法 - Google Patents

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马丁·韦伯
埃里希·格梅尔鲍尔
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Abstract

本发明涉及一种自含有掺杂剂且容纳于转动坩埚的熔融材料抽拉单晶以制造高掺杂硅单晶的方法。在单晶抽拉过程中生长起伏是限制在－0.3毫米/分钟至0.3毫米/分钟。

Description

制造高掺杂硅单晶的方法
技术领域
本发明涉及由含有掺杂剂且容纳于转动坩埚中的熔融材料抽拉单晶以制造高掺杂硅单晶的方法。
背景技术
Czochralski坩埚拉晶法(CZ坩埚拉晶法)及浮动区域拉晶法是常用于制造高纯度单晶的方法，尤其单晶硅锭。若是坩埚拉晶，准备用以制造熔融材料的单晶或多晶半导体碎片通常是置入熔化坩埚内。然后，通过加热以增加坩埚温度直至坩埚内容物逐渐变成熔融状态。最后，将晶种置入该熔融材料内，再自熔融材料抽拉单晶，部分该单晶呈圆柱形生长，坩埚及单晶通常均在转动。该单晶包括晶种、首先抽拉的细颈(dash neck)、其次抽拉的起始圆锥(至圆柱段的过渡部分)、圆柱部分本身及最终的圆锥。该单晶的圆柱部分通常进一步加工制成半导体晶片。
晶体生长速率影响缺陷分布及氧沉淀。对于高掺杂晶体(尤其掺以砷、锑、纯磷或硼)，通过预定添加外来物质如氮或碳可调节氧沉淀。为达成此目的所用的氮浓度为1×1013至5×1015/立方厘米及碳浓度超过2×1016/立方厘米。
高掺杂单晶所含掺杂剂的浓度接近饱和浓度。由于掺杂剂浓度高，该单晶及由其切割成的半导体晶片具有低电阻的电学性质。制造此类型硅单晶是困难的，因为抽拉单晶时较高浓度掺杂剂的混入显著地增加了形成位错的风险。另一方面，直径200毫米及以上的低电阻半导体晶片的需求量日益增加。但由于上述问题的存在，与高电阻(低掺杂)半导体晶片不同，这些晶片无法经济有效地制造。位错可分布在单晶内使其报废。已经被抽拉的锭然后必须再度熔化且必须开始一项抽拉单晶的新的、困难的尝试。但，抽拉晶体的可能尝试次数例如受熔化坩埚使用寿命的限制，因此将不可能拉成无缺陷单晶。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种可经济有效制造高掺杂且无位错硅单晶的方法。本发明的主题是一种自含有掺杂剂且容纳于转动坩埚的熔融材料抽拉单晶以制造高掺杂硅单晶的方法，其中在单晶抽拉过程中生长起伏限制在-0.3毫米/分钟至0.3毫米/分钟。
惊奇的是，若将生长起伏变化保持在建议的范围内，则可能显著地减低位错的频率。该范围的限定显示与预定生长速率的最大容许偏差。将生长速率起伏变化加以适当控制显然可使掺杂剂更加均匀地混合，所以在生长单晶时，导致位错的局部应力的发生频率大幅减低。
本发明可有利地用于制造硅单晶，尤其是掺杂砷、锑或磷的硅单晶，当掺杂砷时，其电阻率优选至多3毫欧姆*厘米，特别优选至多2毫欧姆*厘米，当掺杂锑时，其电阻率优选至多20毫欧姆*厘米，特别优选至多15毫欧姆*厘米，如果掺杂磷时，其电阻率优选至多2毫欧姆*厘米，特别优选至多1.5毫欧姆*厘米。如果生长起伏依照建议加以限制，即使掺杂范围很高(接近掺杂饱和限制)，无位错晶体生长也是可能的。
由于离析作用，导致低电阻率的预期的高掺杂浓度通常仅在单晶圆柱段的后区达到。所以，特别在抽拉操作的此阶段显示出本发明的特殊优点。但该生长起伏的预定压制也对细颈、起始圆锥或最终圆锥的无位错抽拉有利。
例如通过控制向熔融材料与生长单晶之间的相界供应热能，可限制不合意的生长起伏。例如通过微调规定的加热输出，可达成此目的。借助于坩埚转动也可有效控制对生长单晶的热量供应。通过施加磁场也能限制生长起伏，该磁场影响熔融材料内的对流。单晶抽拉过程中晶体运动的低抽拉速率优选不超过0.8毫米/分钟，特别优选不超过0.6毫米/分钟，这也是有利的。最后，晶体运动本身亦可用作控制生长速率及减低生长起伏的参数。特别优选结合两种或多种上述影响的可能性以限制生长起伏及任选控制单晶圆柱段直径。
附图说明
参考以下附图说明本发明的效果，这些附图所示是利用Czochralski法制造直径200毫米的掺砷单晶的抽拉试验结果。
图1所示是电阻率随单晶长度变化的比较图。
图2所示为生长速率随单晶长度变化的关系图。
具体实施方式实验例
由图1中可看出，如果单晶已经依常规方式抽拉(a)，在达到一定电阻率后，进一步无位错生长则不再可能。另一方面，在另一相同条件下，如果抽拉是以适当的方式实施，以使生长起伏变化保持在所建议的范围内(b)，甚至可能抽拉成电阻率低至2.0亳欧姆*厘米以下、无位错的锭零件。
对相同的抽拉试验，由图2可看出，即使仅略微不遵守对生长起伏变化所提的限制也会产生不利结果。不再可能达成预期的完全单晶锭长度。

Claims (7)

1、一种由含有掺杂剂且容纳于转动坩埚中的熔融材料抽拉单晶以制造高掺杂硅单晶的方法，其中在抽拉单晶的过程中生长起伏限制在-0.3毫米/分钟至0.3毫米/分钟。
2、如权利要求1的方法，其中所述生长起伏是通过控制向熔融材料与生长单晶之间的相界供应热能而加以限制。
3、如权利要求1或2的方法，其中所述生长起伏是通过选择低拉晶速率而加以限制。
4、如权利要求1-3之一的方法，其中所述生长起伏是通过施加影响熔融材料内的对流作用的磁场而加以限制。
5、如权利要求1-4之一的方法，其中所述生长起伏是通过控制坩埚转动而加以限制。
6、如权利要求1-5之一的方法，其中所述生长起伏是通过控制单晶抽拉过程中的晶体运动而加以限制。
7、如权利要求1-6之一的方法，其中所述熔融材料是掺以砷、锑或磷。
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