MX2013005859A - Metodo para reducir la gama de resistividades de laminas cristalinas semiconductoras que crecen en un horno de carriles multiples,. - Google Patents
Metodo para reducir la gama de resistividades de laminas cristalinas semiconductoras que crecen en un horno de carriles multiples,.Info
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Abstract
Un método para reducir la escala en resistividades de hojas cristalinas semiconductoras producidas en un horno de desarrollo de vías múltiples; se proporciona un horno para desarrollar hojas cristalinas que incluye un crisol con una región de introducción de material y una región de desarrollo de material que incluye una pluralidad de vías de desarrollo de hojas de cristal; el crisol se configura para producir generalmente un flujo direccional de material desde la región de introducción de material hacia la vía de desarrollo de hoja de cristal más lejana de la región de introducción de material, el silicio dopado tanto con un adulterante tipo p como con un adulterante tipo n en más que las cantidades traza se introduce en la región de introducción de material; el silicio dopado forma una sustancia fundida en el crisol denominada una fusión; las hojas cristalinas se forman a partir de la fusión en cada vía de desarrollo en la región de desarrollo de cristal; el co-dopado de la materia prima de silicio puede reducir la variación en resistividades entre las hojas cristalinas formadas en cada vía.
Description
MÉTODO PARA REDUCIR LA GAMA DE RESISTIVIDADES DE LÁMINAS
CRISTALINAS SEMICONDUCTORAS QUE CRECEN EN UN HORNO DE
CARRILES MÚLTIPLES
CAMPO TÉCNICO
La invención se relaciona generalmente con la fabricación de semiconductores laminados cristalinos y, más particularmente, la invención se relaciona con reducir las variaciones en propiedades de láminas cristalinas fabricadas en carriles diferentes de un horno para el crecimiento de láminas cristalinas de carriles múltiples.
ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA
Los cristales semiconductores de lámina cristalina pueden formar la base de una diversidad de dispositivos electrónicos. Por ejemplo, Evergreen Solar, Inc., de arlborough, Massachusetts produce celdas solares a partir de cristales semiconductores de lámina cristalina, lo cual Evergreen Solar denomina como cristales STRING RIBBONMR.
El crecimiento continuo de láminas de silicio elimina la necesidad de rebanar silicio producido a granel para formar obleas. Por ejemplo, en una implementación, dos filamentos de material de alta temperatura se introducen a través del fondo de un crisol el cual incluye una capa de poca profundidad
de silicio fundido, conocida como "masa fundida". Una semilla se hace descender en la masa fundida, conectada a los dos filamentos y después es jalada verticalmente hacia arriba desde la masa fundida. Se forma un menisco en la superficie de contacto entre el extremo inferior de la semilla y la masa fundida y el silicio fundido se congela en una lámina sólida justo por encima de la masa fundida. Los filamentos sirven para estabilizar los bordes de la lámina en crecimiento. La patente de E.U.A. número 7,507,291 , la cual se incorpora en la presente como referencia en su totalidad describe un método para hacer crecer láminas cristalinas estabilizadas por filamentos múltiples simultáneamente en un crisol único. Cada lámina crece en un "carril" en el horno de carriles múltiples. De esta manera el costo de fabricación de obleas se reduce en comparación con la fabricación de lámina cristalina en un horno de carril único.
En un horno de carriles múltiples, en donde los carriles están distribuidos de manera que la materia prima de silicio se introduce adyacente a un primer carril y fluye pasando el primero y después los carriles sucesivos de una manera paulatina, cada una de las láminas cristalinas incorporará una concentración diferente de elementos impurificadores. Esta variación se produce debido a la diferencia en la solubilidad de cada impurficador en fase sólida (lámina cristalina) y líquida (fundido). Cada impurificador es incorporada en la lámina cristalina en una cantidad diferente a la presente en la masa fundida, medido por el coeficiente de segregación para el impurificador particular. El coeficiente de segregación para la mayor parte de los elementos
en Si es menor de 1. El coeficiente de segregación es la relación de la concentración de impurificador en la lámina solidificada respecto a la concentración de impurificador en la fase líquida. Debido a que el coeficiente de segregación de los elementos impurificadores es menor de 1 , la cantidad de cada impurificador en la lámina cristalina es menor que la cantidad que en el líquido desde el cual se forma. Con el coeficiente de segregación para cada impurificador menor de uno, la concentración de cada impurificador en la masa fundida inicialmente se incrementará conforme la lámina cristalina es extraída de la masa fundida. Con el tiempo se alcanzará una condición de estado estable, en donde la concentración del impurificador en la masa fundida constante y la cantidad de impurificador extraída en la cinta es igual a la cantidad de impurificador suministrada en la materia prima.
Además, esta diferencia en la solubilidad entre las fases sólida y líquida provoca que la concentración de impurificador en la masa fundida se incremente con la posición de carril desde el punto de introducción de materia prima, conforme la masa fundida fluye desde el punto de introducción de material a través de cada carril de crecimiento de una manera generalmente unidireccional. La diferencia en los coeficientes de segregación para impurificadores particulares provoca una variación adicional de resistividades entre las láminas cristalinas producidas en carriles diferentes del horno. La resistividad de una lámina cristalina depende de la concentración de portador neto de elementos impurificadores en el cristal. Por ejemplo, el boro y el fósforo son elementos impurificadores típicos utilizados en el procesado de
obleas de silicio. Cuando la concentración de portador neta p-n>0, la oblea es de tipo p, en donde p es la concentración de orificios y n es la concentración de electrones. Cuando p-n<0, la oblea de silicio es tipo n. Para concentraciones bajas de [B] y [P], en donde [X] es la concentración del elemento "X" en la oblea, es habitual establecer la suposición de que todos los portadores están ionizados completamente y que p-n = [B]-[P]. De esta manera, cuando [B]-[P] >0, la oblea de silicio es de tipo p mientras que cuando [B]-[P] <0, la oblea de silicio es de tipo n. Debido a la diferencia en los coeficientes de segregación el boro se extraerá de fundido a la lámina cristalina en cantidades mayores que el fósforo. Esto significa que cuando [P] es muy pequeño, para láminas cristalinas que crecen en el carril más cercano al punto de introducción de materia prima de silicio, [B]-[P] será menor que [B]-[P] para láminas cristalinas que crecen en el carril más alejado del punto de introducción de materia prima. El perfil resultante para la concentración de impurificador en la masa fundida provocará un intervalo de resistividades para láminas producidas en carriles diferentes los cuales, cuando las láminas son procesadas en una celda solar fotovoltaica, pueden alterar la eficiencia de conversión de luz en electricidad para cada lámina.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS DE LA
INVENCIÓN
En una modalidad de la invención, se hacen crecer láminas semiconductoras cristalinas en un horno de carriles múltiples. El horno incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas de cristal. El crisol está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional desde la región de introducción hacia el carril de crecimiento de láminas de cristal más alejado desde la región de introducción de material. El silicio co-impurificado con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n se recibe en la región de introducción de material. La relación de la concentración en peso del impurificador tipo n respecto al impurificador tipo p excede de 0.1. El silicio impurificado forma una masa fundida en el crisol y se hacen crecer láminas cristalinas tipo p desde la masa fundida en por lo menos un carril de crecimiento de lámina cristalina. La coimpurificación del silicio con concentraciones apropiadas de los impurificadores puede reducir la variación de resistividades entre las láminas cristalinas que crecen en los diversos carriles del horno. En una modalidad específica de la invención, el impurificador tipo p es boro y el impurificador tipo n es fósforo y la relación en peso de la concentración de fósforo respecto a boro varía de 0.4 a 1.0. El otra modalidad específica de la invención, el
impurificador tipo p es boro y el impurificador tipo n es arsénico y la relación en peso de la concentración de arsénico respecto a boro varía de 0.9 a 2.5.
En otra modalidad de la invención, las láminas semiconductoras cristalinas se hacen crecer en un horno de carriles múltiples. El horno incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas cristalinas. El crisol está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional desde la región de introducción hacia el carril de crecimiento de láminas cristalinas más alejado de la región de introducción de material. El silicio co-im purificad o con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n se recibe en la región de introducción de material. La relación de la concentración en peso del impurificador tipo p respecto al impurificador tipo n excede de 0.1. El silicio impurificado forma una masa fundida en el crisol y las láminas cristalinas tipo n se hacen crecer desde la masa fundida en por lo menos un carril de crecimiento de lámina cristalina. La co-impurificación del silicio con concentraciones apropiadas de los impurificadores puede reducir la variación de resistividades entre las láminas cristalinas que crecen en los diversos carriles del horno. En una modalidad específica de la invención, el impurificador tipo p es galio y el impurificador tipo n es fósforo y la relación en peso de las concentraciones de galio respecto a fósforo varía de 4.0 a 30.0. En otra modalidad específica de la invención, el impurificador tipo p es galio y el impurificador tipo n es arsénico y
la relación en peso de la concentración de galio respecto a arsénico varía de 1.0 a 13.0.
En una modalidad preferida adicional de la invención, las láminas semiconductoras cristalinas se hacen crecer en un horno de carriles múltiples. El horno incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas cristalinas. El crisol se configura para producir un flujo generalmente unidireccional de material desde la región de introducción hacia el carril de crecimiento de láminas cristalinas más alejado de la región de introducción de material. El silicio co-impurificado con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n es recibido en la región de introducción de material. El impurificador tipo p y el impurificador tipo n están presentes en la materia prima en cantidades mayores que en trazas. El silicio impurificado forma una masa fundida en el crisol y se hacen crecer láminas cristalinas desde la masa fundida en por lo menos un carril de crecimiento de láminas cristalinas. La co-impurificación del silicio con concentraciones apropiadas de los impurificadores puede reducir la variación de resistividades entre las láminas cristalinas que crecen en los diversos carriles del horno.
En modalidades adicionales de la invención, cualquiera de las modalidades descritas en lo anterior puede incluir además una región de separación de material en el crisol en donde no menos de 0.5% del material introducido en la región de introducción de material es separado. Esta
separación de material reduce principalmente las impurezas metálicas en las láminas cristalinas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Los rasgos anteriores de la invención se comprenderán más fácilmente con referencia a la siguiente descripción detallada tomada con referencia a las figuras anexas, en las cuales:
La figura 1 muestra esquemáticamente un horno de crecimiento de láminas cristalinas que puede implementar las modalidades ilustrativas de la invención;
la figura 2 muestra esquemáticamente una vista parcialmente despiezada de un horno de crecimiento que se muestra en la figura 1 ;
la figura 3A muestra esquemáticamente un crisol configurado para uso con las modalidades ilustrativas de la invención;
la figura 3B muestra esquemáticamente un crisol que contiene silicio líquido y el crecimiento de una pluralidad de láminas cristalinas; y
la figura 4 muestra un proceso de formación de láminas cristalinas de acuerdo con modalidades ilustrativas de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE MODALIDADES ESPECÍFICAS
Esta solicitud se relaciona con la solicitud de patente de E.U.A. número de serie 11/741 ,372 intitulada "System and Method of Forming a Crystal", la cual se incorpora como referencia en la presente en su totalidad.
En modalidades preferidas de la invención, un método reduce la variación de resistividades de láminas cristalinas semiconductoras producidas en un horno de crecimiento de carriles múltiples. Se proporciona un horno para crecimiento de láminas cristalinas que incluye un crisol con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas cristalinas. El crisol está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional desde la región de introducción hacia el carril de crecimiento de lámina cristalina más alejado de la región de introducción de material. El silicio impurificado tanto con impurificadores tipo p como con impurificadores tipo n en cantidades mayores a trazas se introduce dentro de la región de introducción de material. El silicio impurificado forma una sustancia fundida en el crisol que se denomina fundido. Las láminas cristalinas se forman en cada carril de crecimiento en la región de crecimiento de cristal. La co-impurificación de la materia prima de silicio con concentraciones apropiadas de impurificadores puede reducir la variación de resistividades entre las láminas cristalinas formadas en cada carril. Opcionalmente, el crisol puede tener una región de separación de material en donde el materia la masa
fundida es separado del crisol. Los carriles de crecimiento de láminas cristalinas habitualmente se encuentran situados entre la región de separación de material y la región de introducción de material.
La figura 1 muestra esquemáticamente un horno 10 de crecimiento de láminas cristalinas que se puede utilizar en modalidades ilustrativas de la invención. Entre otras cosas, el horno 10 tiene un alojamiento 12 para formar un interior sellado que está sustancialmente libre de oxígeno (para evitar combustión). En vez de oxígeno, el interior tiene cierta concentración de otro gas, tal como argón o una combinación de gases. El interior del alojamiento también contiene, entre otras cosas, un crisol 14 y otros componentes (algunos de los cuales se describirán más adelante) para crecimiento de manera sustancialmente simultánea de cuatro láminas 32 cristalinas de silicio. Las láminas 32 cristalinas pueden ser de una amplia variedad de tipos de cristal tal como multicristalino, cristalino único, policristalino, microcristalino y semicristalino. Una entrada 18 de alimentación en el alojamiento 12 proporciona un medio para dirigir la materia prima de silicio al crisol 14 interior mientras que una ventana 16 opcional permite la inspección de los componentes en el interior.
Debe hacerse notar que la discusión de láminas 32 cristalinas de silicio es ilustrativa. Por ejemplo, se pueden formar cristales de un material diferente de silicio o una combinación de silicio o algún otro material. Como un ejemplo, las modalidades ilustrativas pueden formar láminas no cristalinas. Además, aunque las modalidades ilustrativas de la invención se describen con
respecto a un horno con cuatro carriles de crecimiento con las láminas generalmente paralelas entre si en una linea única, otras modalidades pueden utilizar más carriles de crecimiento o menos carriles de crecimiento y la disposición de los carriles de crecimiento con respecto unos a otros puede diferir.
La figura 2 muestra esquemáticamente una vista parcialmente despiezada del horno 10 de crecimiento de láminas cristalinas que se muestra en la figura 1. Entre otras cosas, esta vista muestra el crisol 14 indicado antes el cual está soportado en una plataforma 20 interior dentro del alojamiento 12 y tiene una superficie superior sustancialmente plana. Como se muestra en la figura 3A, el crisol 14 tiene una región alargada con una región para el crecimiento de láminas 32 cristalinas de silicio en una distribución lado a lado a lo largo de su longitud. Aunque las modalidades ilustrativas de la invención se describen con respecto a este otro ejemplar con cuatro carriles de crecimiento con láminas generalmente paralelas entre sí en una línea única, otros hornos para uso con modalidades de la invención pueden utilizar más carriles de crecimiento o menos carriles de crecimiento y la disposición de los carriles de crecimiento unos con respecto a otros puede diferir.
El crisol 14 se forma de grafito y se calienta de manera resistiva a una temperatura capaz de mantener el silicio por encima de su temperatura de fusión. Para mejorar el flujo de líquido unidireccional en el crisol, el crisol 14 tiene una longitud que es mucho mayor que su anchura. Por ejemplo, la longitud del crisol 14 puede ser tres o más veces mayor que su anchura. Por
supuesto, en otras instancias, el crisol 14 no está alargado de esta manera. Por ejemplo, el crisol 14 puede tener una forma aproximadamente cuadrada o una forma no rectangular.
El crisol 14 se puede considerar que tiene tres regiones separadas pero contiguas: específicamente, 1) una región 22 de introducción para recibir materia prima de silicio desde la entrada 18 de alimentación del alojamiento, 2) una región 24 de cristal para ser crecer cuatro láminas 32 cristalinas, y 3) una región 26 de separación para separar una porción del silicio fundido contenido por el crisol 14 (es decir, para realizar una operación de vaciado). En el horno ejemplar mostrado, la región 26 de separación tiene un puerto 34 para facilitar la separación de silicio. Como se describe en detalle a continuación, no obstante, otros hornos ilustrativos no tienen tal puerto 34.
La región 24 de cristal puede consistir de formación de cuatro regiones secundarias de cristal separadas que hacen crecer, cada una, una lámina 32 cristalina única. Para este fin, cada región secundaria de cristal tiene un par de orificios 28 de filamento para recibir respectivamente dos filamentos a alta temperatura que finalmente forman el área de borde de una lámina 32 cristalina de silicio en crecimiento. Además, cada región secundaria puede considerarse que está definida por un par de crestas 30 de control de flujo opcionales. En consecuencia, cada región secundaria tiene un par de crestas 30 que forman su límite, y un par de orificios 28 de filamento para recibir filamento. Como se muestra en la figura 3B, las regiones secundarias de cristal medias comparten crestas 30 con las regiones secundarias de cristal
adyacentes. Además de dividir las regiones secundarias de cristal, las crestas 30 también presentan cierto grado de resistencia de fluido al flujo de silicio fundido y de esta manera proporcionan un medio para controlar el flujo de fluido a lo largo del crisol 14.
La figura 3B muestra esquemáticamente un ejemplo de un crisol
14 con paredes 31 de perímetro de poca profundidad. Además, esta figura muestra esta modalidad del crisol 14 que contiene silicio líquido y que hace crecer cuatro cristales 32 de lámina de silicio. Como se muestra, la región secundaria de cristal más cercana a la región 22 de introducción, denominada como la primera región secundaria, hace crecer la "lámina D" mientras que la segunda región secundaria hace crecer la "lámina C". Una tercera región secundaria hace crecer la "lámina B" y una cuarta región secundaria, la cual está más cercana a la región 26 de separación, hace crecer la "lámina A". Como lo saben los expertos en el ámbito, el crecimiento continuo de láminas cristalinas de silicio se puede llevar a cabo al introducir dos filamentos de material a alta temperatura a través de los orificios 28 de filamento en el crisol 14. Los filamentos estabilizan los bordes de la lámina 32 cristalina en crecimiento y, como se ha indicado en lo anterior, finalmente forman el área de borde de una lámina 32 cristalina en crecimiento.
Como se muestra en la figura 3B, el silicio fundido extraído hacia arriba se integra con los filamentos en la lámina 32 cristalina congelada existente justo por encima de la superficie superior del silicio fundido. Es en este lugar (denominado como la "superficie de contacto") que la lámina 32
cristalina sólida habitualmente rechaza una porción de las impurezas de su estructura cristalina. Entre otras cosas, estas impurezas pueden incluir hierro, carbono y tungsteno. Las impurezas rechazadas de esta manera regresan al silicio fundido, y en consecuencia se incrementa la concentración de impurezas dentro de la región 24 de cristal. Durante este proceso, cada lámina 32 cristalina preferiblemente es extraída del silicio fundido a una velocidad muy lenta. Por ejemplo, cada lámina 32 cristalina puede ser extraída del silicio fundido a una velocidad de aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada) por minuto.
El crisol 14 está configurado para provocar que el silicio fundido fluya a una velocidad muy baja desde la región 22 de introducción hacia la región 26 de separación. Si esta velocidad de flujo es demasiado alta, la región de fundido debajo del listón en crecimiento se someterá a fuerzas de mezclado altas. Si este flujo bajo que provoca una porción de las impurezas dentro del silicio fundido, que incluye aquellas rechazadas por los cristales de crecimiento, fluyen desde la región 24 de cristal hacia la región 26 de separación.
Varios factores contribuyen a la velocidad de flujo del silicio fundido hacia la región 26 de separación. Cada uno de estos factores se relaciona con la adición o separación de silicio hacia y desde el crisol 14. Específicamente, el primero de estos factores es simplemente la separación de silicio provocada por el movimiento ascendente físico de los filamentos a través de la masa fundida. Por ejemplo, la separación de cuatro cristales 32
de láminas a una velocidad de 2.54 cm (1 pulgada) por minuto, en donde cada cristal 32 de lámina tiene una anchura de aproximadamente 7.6 cm (3 pulgadas) y un espesor que varía entre aproximadamente 190 micrómetros y aproximadamente 300 micrómetros, separa aproximadamente 3 gramos de silicio fundido por minuto. El segundo de estos factores que afecta la velocidad de flujo es la separación/vaciado selectivo del silicio fundido desde la región 26 de separación.
En consecuencia, para mantener una altura de fundido sustancialmente constante, el sistema agrega materia prima de silicio nueva como una función de la altura de fundido deseada en el crisol 14. Para este fin, entre otras cosas, el sistema puede detectar cambios en la resistencia eléctrica del crisol 14, lo cual es una función de la masa fundida que contiene. En consecuencia, el sistema puede agregar materia prima de silicio nueva al crisol 14, según sea necesario, en base en la resistencia del crisol 14 y el nivel de fundido. Por ejemplo, en algunas implementaciones, la altura de fundido generalmente se puede mantener al agregar lodo de silicio generalmente esférico que tiene un diámetro de aproximadamente algunos milímetros aproximadamente cada segundo. Véanse, por ejemplo las siguientes patentes de los Estados Unidos (las descripciones de las cuales se incorporan en la presente en sus totalidades como referencia) para información adicional respecto a la adición de materia prima de silicio al crisol 14 y el mantenimiento de la altura de fundido: documentos de E.U.A. 6,090,199; 6,200,383 y 6,217,649.
La velocidad de flujo del silicio fundido dentro del crisol 14 por lo tanto es causada por esta adición generalmente continua/intermitente y separación de silicio hacia y desde el crisol 14. Se anticipa que a velocidades de flujo apropiadamente bajas, la geometría y forma de las diversas formas del crisol 14 provocarán que el silicio fundido fluya hacia la región 26 de separación por medio de un flujo generalmente unidireccional. Al tener este flujo generalmente unidireccional, la mayor parte sustancial del silicio fundido (sustancialmente la totalidad del silicio fundido) fluye directamente hacia la región 26 de separación.
Co-impurificación de la materia prima
En un horno de crecimiento de láminas cristalinas de carriles múltiples, tal como el horno descrito en lo anterior, la materia prima de silicio con frecuencia es suministrada con solo concentraciones en trazas de impurificadores tipo p y tipo n. La materia prima convencionalmente se impurifica con ya sea impurificadores tipo p para crear láminas cristalinas tipo p con un impurificador tipo n para producir láminas cristalinas tipo n. Por ejemplo, la materia prima de silicio se puede impurificar con impurificadores tipo p de boro, antes de su introducción al crisol para generar láminas cristalinas tipo p. Nótese que impurificar la materia prima con más de un tipo de impurificador (es decir, co-impurificación), generalmente no se ha realizado debido a que, entre otros motivos conocidos por los inventores, la co-
impurificación genera costos adicionales en comparación con los métodos de impurificación única.
Para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
una concentración de boro (¡mpurificador tipo p) de aproximadamente 95 partes por mil millones en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 0.1 partes por mil millones en peso (una cantidad en trazas), y
velocidad de separación de vaciado fundido = 1 %,
una simulación indicada por la resistividad de láminas que crecen con estos parámetros sería:
Notas: el carril D está adyacente a la región de introducción de material mientras que el carril A está más alejado de la región de introducción de material. El flujo de los fundidos generalmente es de una vía, desde el carril D al carril A. Todos los resultados proporcionados en esta especificación para resistividades de láminas cristalinas se derivan de simulaciones en vez de mediciones físicas. Nótese también que en la especificación y las reivindicaciones anexas, una "cantidad en trazas" de boro o fósforo es
cualquier concentración de estos impurificadores en la materia prima menor a 10 partes por mil millones en peso.
La resistividad promedio para láminas cristalinas que crecen en los cuatro carriles es de 1.88 ohmios-cm. La resistividad disminuye para láminas que crecen conforme se incrementa la posición de carril desde la región de introducción de material. Esta disminución de resistividades se produce debido a que la concentración de boro en la masa fundida aumenta del carril D al carril A. El incremento en la concentración de boro en la masa fundida del carril a carril se produce debido a que: (1) generalmente existe un flujo de una vía de la masa fundida desde el carril D al carril A, y (2) el coeficiente de segregación de boro es menor de uno (aproximadamente 0.8). Por lo tanto, únicamente una porción del boro en la masa fundida en un carril es separado por el crecimiento de la lámina cristalina en ese carril. Conforme la concentración de boro en la masa fundida aumenta de carril a carril, la diferencia neta en la concentración de portador en las láminas cristalinas, [B]-[P] aumenta en consecuencia. El incremento en (B]-[P] provoca que la resistividad disminuya a aproximadamente 0.7 ohmios-cm a partir de una lámina que crece en el carril D a una lámina que crece en el carril A. La materia prima de silicio se puede impurificar con impurificador de boro utilizando cualquier método conocido en el ámbito, tal como recubrimiento por centrifugación.
A. Rendimiento de co-impurificación de láminas cristalinas tipo P con alcance de resistividades reducido
1. Impurificadores de boro y fósforo
En una modalidad preferida de la invención, la materia prima de silicio es impurificada con boro y/o fósforo según se necesite (es decir, coimpurificación) para obtener relaciones de concentración de P respecto a B mayores de 0.1 para láminas cristalinas tipo p. La impurificación de la materia prima se puede llevar a cabo por cualquier método conocido en el ámbito, por ejemplo, recubrimiento por centrifugación, etc. La figura 4 muestra el proceso de agregar silicio co-impurificado al crisol 400, formación de láminas cristalinas en los carriles del horno 402 y, opcionalmente, vaciar periódicamente silicio fundido del crisol 404.
Por ejemplo, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 15 ppb (partes por mil millones) en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 70 partes por mil millones en peso, y
velocidad de remoción de vaciado fundido = 1%.
Por lo tanto, [P]/[B] = 0.61 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros seria:
Aunque la resistividad promedio para láminas que crecen en los cuatro carriles es la misma para estas condiciones que para la simulación previa para el caso sin co-impurificación, la dispersión de resistividades es para láminas que crecen en los cuatro carriles se reduce en 0.19 ohmios-cm, una reducción de 72%.
La presencia tanto de fósforo como impurificador tipo n así como boro, impurificador tipo p en la materia prima de silicio en cantidades que no son en traza (co-impurificación) funciona para reducir la dispersión de resistividades de las láminas cristalinas que se hacen crecer en los diversos carriles del horno. Como se indica en lo anterior, la resistividad de las láminas cristalinas que crecen bajo estas condiciones depende de la concentración de portador neto, p-n ~ [B]-[P] y por lo tanto las concentraciones de impurificadores de boro y fósforo en la lámina cristalina. Debido a la diferencia en los coeficientes de segregación, el boro se extraerá de la masa fundida a la lámina cristalina en cantidades mayores que el fósforo. Así, conforme la materia prima fluye en la masa fundida desde el carril D cerca de la
introducción hacia el carril A, el incremento en [B] en la masa fundida sea menor que el incremento de [P]" en la masa fundida debido a que el coeficiente de segregación de P es menor que la mitad del coeficiente de segregación de B. El incremento más rápido de [P] es atemperado por la selección apropiada de la concentración de fósforo en el punto de introducción en comparación con la concentración de boro, por ejemplo, el fósforo está presente en concentraciones menores en la materia prima en comparación al boro. Estos dos factores opuestos funcionan para reducir la variación en [B]-[P] entre la lámina cristalina que crece en diferentes carriles en el horno. Los resultados anteriores se obtienen con una velocidad de separación de vaciado fundido de 1%, en donde la velocidad de separación de vaciado fundido es el porcentaje de materia prima introducida en la región de introducción de material que es separado de la región de separación del crisol.
En otras modalidades de la invención, la relación de [P] respecto a [B] en la materia prima se puede establecer en una relación diferente con cambios correspondientes en la dispersión de resistividades entre los carriles. Por ejemplo, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 115 ppb en peso, y
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 46 partes por mil millones en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 1%.
Por lo tanto, [P]/[B] = 0.40 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio de los cuatro carriles permanece en 1.88 ohmios/cm, Aunque la gama de resistividades es menor que la gama de resistividades co-impurificación, la reducción es menos pronunciada que con [P]-[B] = 0.61.
En un ejemplo adicional, para una materia prima de silicio para horno de cuatro carriles introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 38 ppb en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 138 partes por mil millones en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 1%.
Por lo tanto, [P]/[B] = 1.0 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio de las láminas que crecen en los cuatro carriles permanece en 1.88 ohmios-cm. En este caso, aunque la gama en las resistividades es menor que la gama en las resistividades sin coimpurificación, la reducción de alcance también es menos pronunciada que con [P]-[B] = 0.61. De hecho, conforme la relación de [P]/[B] aumenta sobrepasando aproximadamente 1.1 , la gama de las resistividades puede aumentar en comparación con el caso sin co-impurificación, dado que la concentración aumentada de fósforo en la materia prima de silicio compensa en exceso el menor coeficiente de segregación de fósforo en comparación con boro.
Nótese que los niveles de impurificación para P y B se proporcionan a modo de ejemplo únicamente y no a modo de limitación. Las concentraciones de los co-impurificadores P y B se pueden ajustar para obtener otras resistividades promedio deseadas para las láminas cristalinas que crecen en los diversos carriles. Además, aunque el ejemplo anterior es para un horno de cuatro carriles, las modalidades de la invención son aplicables a cualquier horno con una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas cristalinas. En modalidades específicas de la invención, la materia prima es impurificada de manera que la relación de concentración de fósforo respecto a boro, en peso, varía de 0.4 a 1.0. La totalidad de estas variaciones
están dentro de la gama de la invención como se describe reivindicaciones anexas.
2. Impurificadores de boro y arsénico
En otras modalidades de la invención, la materia prima de silicio se puede impurificar con impurificadores diferentes a fósforo y boro para obtener láminas cristalinas tipo p. Por ejemplo: el impurificador tipo p puede incluir boro mientras que el impurificador tipo n puede incluir arsénico.
Para un horno de cuatro carriles sin co-impurificación bajo las siguientes condiciones con materia prima de silicio introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 63 ppb en peso,
concentración de arsénico (impurificador tipo n, únicamente cantidades en trazas) de aproximadamente 0.1 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%,
una simulación indicada por la resistividad de las láminas cristalinas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio de estas láminas cristalinas tipo o es de aproximadamente 2.75 ohmios-cm.
Para un horno de cuatro carriles con co-impurificación con materia prima de silicio introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 69 ppb en peso,
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 62 partes por mil millones en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%.
Por lo tanto, [As]/[B] = 0.9 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de láminas cristalinas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio para todas las láminas es de 2.75 ohmios-cm. El intervalo de resistividades en las láminas cristalinas de esta manera se reduce aproximadamente 50% en comparación con la formación de la lámina sin co-impurificación en la materia prima.
Para un horno de cuatro carriles con co-impurificación con materia prima de silicio introducida con:
concentración de boro (impurificador tipo p) de aproximadamente 83 ppb en peso,
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 208 partes por mil millones en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 5%.
Por lo tanto, [As]/[B] = 2.49 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas cristalinas que crecen con estos parámetros seria:
La gama de resistividades en las láminas cristalinas por lo tanto se reduce aproximadamente 80% en comparación con la formación de la lámina sin co-impurificación de la materia prima. En modalidades específicas de la invención, la relación de concentración de impurificadores de arsénico respecto a boro, en peso, varía de 0.9 a 2.5.
Las co-impurificaciones de boro-fósforo y boro-arsénico para silicio se proporcionan a modo de ejemplo y de ninguna manera como limitación para mostrar el impacto de la co-impurificación sobre la reducción en la gama en la resistividad. Una reducción en los alcances de resistividades
en láminas cristalinas tipo p por co-impurificación de materia prima de silicio es aplicable a otras combinaciones de impurificadores tipo p y tipo n. La totalidad de estas combinaciones están dentro de la gama de la invención como se describe en las reivindicaciones anexas.
B. Co-impurificación que proporciona láminas cristalinas tipo N con alcances de resistividades reducidos
De una manera similar, la co-impurificación se puede utilizar para reducir la gama de resistividades entre láminas cristalinas tipo n que crecen en los carriles de un horno de carriles múltiples.
1. Impurificadores de arsénico v galio
Por ejemplo: el impurificador tipo n puede incluir arsénico mientras que el impurificador tipo p puede incluir galio en una modalidad adicional de la invención.
Para un horno de cuatro carriles sin co-impurificación con materia prima de silicio introducida con:
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 216 ppb en peso,
concentración de galio (impurificador tipo p, cantidades en trazas únicamente) de aproximadamente 0.1 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 1 %, una simulación indicada por la resistividad de las láminas cristalinas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio de estas láminas cristalinas tipo n es de aproximadamente 2.75 ohmios-cm.
En otra modalidad de la invención, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 246 ppb en peso,
concentración de galio (impurificador tipo p) de aproximadamente 438 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%.
Por lo tanto, [Ga]/[As] = 1.8 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería:
La gama de resistividades en las láminas cristalinas de esta manera se reduce en aproximadamente 31 % en comparación con la
formación de las láminas sin co-impurificación de la materia prima. La resistividad promedio de las láminas permanece en 2.75 ohmios-cm.
En otra modalidad de la invención, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 290 ppb en peso,
concentración de galio (impurificador tipo p) de aproximadamente 1105 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 1%.
Por lo tanto, [Ga]/[As] = 3.81 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería:
La gama de resistividades de las láminas cristalinas de esta manera se reduce en aproximadamente 59% en comparación con la formación de la lámina sin co-impurificación de la materia prima. La resistividad promedio de las láminas permanece en 2.75 ohmios-cm.
En otra modalidad de la invención, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de arsénico (impurificador tipo n) de aproximadamente 515 ppb en peso,
concentración de galio (impurificador tipo p) de aproximadamente 6265 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 5%.
De esta manera, [Ga]/[As] = 12.2 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería:
La gama de resistividades en las láminas cristalinas por lo tanto se reduce en aproximadamente 64% en comparación con la formación de las láminas sin co-impurificación de la materia prima. La resistividad promedio de las láminas permanece en 2.75 ohmios-cm. En modalidades específicas de la invención, la relación en concentración de impurificadores de galio respecto a arsénico, en peso, varía de 1.0 a 13.0.
2. Impurificadores de fósforo y galio
De una manera similar, se pueden utilizar co-impurificación para reducir la gama de resistividades entre láminas cristalinas tipo n que crecen en un horno de carriles múltiples en donde el impurificador tipo n puede incluir fósforo mientras que el impurificador tipo p puede incluir galio.
Para un horno de cuatro carriles sin co-impurificación con materia prima de silicio introducida con:
concentración de galio (impurificador tipo p, únicamente cantidades en traza) de aproximadamente 0.1 ppb en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 79 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%.
Una simulación indicada por la resistividad de láminas cristalinas que crecen con estos parámetros sería:
La resistividad promedio de estas láminas cristalinas tipo n es de aproximadamente 2.75 ohmios-cm.
En otra modalidad de la invención para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de galio (impurificador tipo p) de aproximadamente 378 ppb en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 90 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%,
Por lo tanto [Ga]/[P] = 4.2 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de láminas que crecen con estos parámetros sería:
La gama de las resistividades en las láminas cristalinas de esta manera se reduce en aproximadamente 33% en comparación con la formación de láminas sin co-impurificación de la materia prima. La resistividad promedio de las láminas permanece en 2.75 ohmios-cm.
En otra modalidad de la invención, para un horno de cuatro carriles con materia prima de silicio introducida con:
concentración de galio (impurificador tipo p) de aproximadamente 4955 ppb en peso,
concentración de fósforo (impurificador tipo n) de aproximadamente 170 ppb en peso, y
velocidad de separación de vaciado fundido = 0.5%,
Por lo tanto, [Ga]/[P] = 29.1 en la región de introducción de material.
Una simulación indicada por la resistividad de las láminas que crecen con estos parámetros sería de:
La gama de resistividades en las láminas cristalinas de esta manera se reduce aproximadamente a 62% en comparación con la formación de las láminas sin co-impurificación de la materia prima. La resistividad promedio de las láminas permanece en 2.75 ohmios-cm. En modalidades específicas de la invención, la relación de concentración de impurificadores de galio respecto a arsénico, en peso varía de 4.0 a 30.9.
Los co-impurificadores de galio-fósforo y galio-arsénico se proporcionan a modo de ejemplo y no como una limitación. Una reducción en los alcances de resistividades en las láminas cristalinas tipo n por coimpurificación de materia prima es aplicable a otras combinaciones de
impurificadores tipo p y tipo n. La totalidad de estas combinaciones están dentro de la gama de la invención como se describe por las reivindicaciones anexas.
Las modalidades de la invención descritas en lo anterior se pretende que sean solo ejemplares y numerosas modificaciones serán evidentes para aquellos expertos en el ámbito. Por ejemplo, un horno de crecimiento de carriles múltiples no necesita tener una región de separación de material y el método es aplicable a otras configuraciones de hornos de crecimiento de más del horno ejemplar descrito en lo anterior. La totalidad de alcances y modificaciones se pretende que estén dentro de la gama de la presente invención como se define en cualquiera de las reivindicaciones anexas.
Claims (18)
1.- Un método para hacer crecer láminas semiconductoras cristalinas, método que comprende: proporcionar un horno de crecimiento de láminas cristalinas, horno que incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas de cristal, crisol que está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional desde la región de introducción hacia el carril de crecimiento de láminas de cristal más alejada de la región de introducción de material;, recibir en la región de introducción de material silicio impurificado con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n, en donde la relación de la concentración en peso del impurificador tipo n respecto al impurificador tipo p excede 0.1 , el silicio impurificado forma una masa fundida; y hacer crecer láminas cristalinas tipo p a partir de la masa fundida en por lo menos dos carriles de crecimiento de láminas cristalinas.
2. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye boro y el impurificador tipo n incluye fósforo.
3. - El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la relación de la concentración en peso del impurificador tipo n respecto al impurificador tipo p está en el intervalo de 0.4 a 1.0.
4. - El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye boro y el impurificador tipo n incluye arsénico.
5. - El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la relación de la concentración en peso del impurificador tipo n respecto al impurificador tipo p está en el intervalo de 0.9 a 2.5.
6.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye adicionalmente: separar material del crisol a una región de separación de material, región de crecimiento de cristal que está ubicada entre la región de introducción de material y la región de separación de material, en donde el porcentaje de material separado es no menor de 0.5% del material introducido en la región de introducción de material.
7. Un método para hacer crecer láminas semiconductoras cristalinas, método que comprende: proporcionar un horno de crecimiento de láminas cristalinas, horno que incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas de cristal; crisol que está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional a partir de la región de introducción al carril de crecimiento de láminas de cristal más alejada de la región de introducción de material; recibir en la región de introducción de material silicio impurificado con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n, en donde la relación de la concentración en peso del impurificador tipo p respecto al impurificador tipo n excede 0,1 , silicio impurificado que forma una masa fundida; y hacer crecer láminas cristalinas tipo n a partir de la masa fundida en por lo menos dos carriles de crecimiento de láminas cristalinas.
8. - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye galio y el impurificador tipo n incluye fósforo.
9. - El método de conformidad con la reivindicación ,8, caracterizado además porque la relación de la concentración en peso del impurificador tipo p respecto al impurificador tipo rv stá en el intervalo de 4.0 a 30.0.
10 - El método de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye galio y el impurificador tipo n incluye arsénico.
11 - El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque la relación de la concentración en peso del impurificador tipo.p respecto al impurificador tipo n está en el intervalo de 1.0 a 13.0.
12.- El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque incluye adicionalmente: separar material del crisol a una región de separación de material, región de crecimiento de cristal que está ubicada entre la región de introducción de material y la región de separación de material, en donde el porcentaje de material, separado es no menor de 0.5% del material introducido en la región de introducción de material.
13.- Un método para hacer crecer láminas semiconductoras cristalinas, método que comprende: proporcionar un horno de crecimiento de láminas cristalinas, horno que incluye un crisol configurado con una región de introducción de material y una región de crecimiento de cristal que incluye una pluralidad de carriles de crecimiento de láminas de cristal, crisol que está configurado para producir un flujo de material generalmente unidireccional desde la región de introducción al carril de crecimiento de láminas de cristal más alejado de la región de introducción de material; recibir en la región de introducción de material silicio impurificado con un impurificador tipo p y un impurificador tipo n, en donde la cantidad de impurificador tipo n excede una cantidad en traza y la cantidad de impurificador tipo p en el silicio impurificado excede la cantidad en traza, silicio impurificado que forma una masa fundida; y hacer crecer láminas cristalinas a partir de la masa fundida en por lo menos dos carriles de crecimiento de láminas cristalinas.
14.- El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye boro y el impurificador tipo n incluye fósforo.
15. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye boro y el impurificador tipo n incluye arsénico.
16. - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye galio y el impurificador tipo n incluye fósforo.
17 - El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el impurificador tipo p incluye galio y el impurificador tipo n incluye fósforo.
18.-( El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque incluye adicionalmente: separar material del crisol a una región de separación de material, la región de crecimiento de cristal está ubicada entre la región de introducción de material y la región de separación de material, en donde el porcentaje de material separado es no menor de 0.5% del material introducido en la región de introducción de material.
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