RU2049164C1 - Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2049164C1
RU2049164C1 SU5038371A RU2049164C1 RU 2049164 C1 RU2049164 C1 RU 2049164C1 SU 5038371 A SU5038371 A SU 5038371A RU 2049164 C1 RU2049164 C1 RU 2049164C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dopant
chamber
growing
pipeline
silicon
Prior art date
Application number
Other languages
English (en)
Inventor
С.И. Дудавский
В.В. Дудченок
М.И. Осовский
Г.И. Силаков
Ю.В. Трубицын
Э.С. Фалькевич
И.Ф. Червоный
Original Assignee
Фалькевич Эдуард Семенович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Фалькевич Эдуард Семенович filed Critical Фалькевич Эдуард Семенович
Priority to SU5038371 priority Critical patent/RU2049164C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2049164C1 publication Critical patent/RU2049164C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к металлургии полупроводникового кремния и может быть использовано при получении легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки. Способ включает вакуумирование рабочей камеры, осушку ее атмосферы и оснастки. Затем проводят расплавление зоны исходного стержня кремния и вводят в нее легирующую добавку. Введение добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от нее на расстоянии 1,1 1,5 R, где R радиус выращиваемого монокристалла. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к металлургии полупроводникового кремния и может быть использовано при получении легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки (БЗП).
Известны способы легирования стержней кремния при разрежении атмосферы выращивания (в вакууме) [1] а также при избыточном давлении атмосферы выращивания [2]
Согласно этим способам в заданную атмосферу выращивания к растущему кристаллу подается легирующее вещество с помощью газа-носителя. Недостатками известных способов являются пригодность их только к какому-либо одному виду атмосферы выращивания, отсутствие учета коэффициента усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием в процессе выращивания. Этот важнейший параметр обеспечивает воспроизводимость процесса легирования. Кроме того, известные способы, как показывает практика, не обеспечивают достаточной воспроизводимости процесса при достижении задачи легирования (достижение заданного уровня удельного электрического сопротивления (УЭС) при легировании выращиваемых монокристаллов кремния), а также не обеспечивают равномерности распределения легирующей примеси по длине монокристалла кремния.
Известен способ для осуществления процессов легирования, в частности дозирующие камеры с клапанами для регулирования количества легирующей добавки, подаваемого к зоне расплава растущего кристалла кремния [3]
Устройство для осуществления способа [3] обеспечивает порционную подачу легирующей добавки при помощи комбинации по меньшей мере двух клапанов и одного определенного объема между этими двумя клапанами (прототип).
Недостатками известных устройств являются отсутствие регламентации параметров линий газовой разводки, соединяющей дозирующую камеру с камерой выращивания кристаллов кремния, а также режимов управления процессом подачи легирующей смеси с полным учетом основных параметров технологического процесса выращивания кристаллов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ легирования при выращивании полупроводников методом бестигельной зонной плавки [4] (прототип).
Предлагаемый способ легирования с заданной концентрацией легирующей добавки осуществляется путем расплавления исходного стержня индукционным нагревом, перемещением зоны расплава вдоль стержня с одновременным обдувом расплавленного участка газом, содержащим легирующую добавку. При этом для увеличения воспроизводимости процессе легирования и увеличения равномерности легирования по длине кристалла обдув начинают в момент расплавления конической части исходного стержня при повышенном расходе легирующей добавки, который затем снижают и стабилизируют после достижения зоной расплава цилиндрической части растущего кристалла. Указанный способ применим для разреженных сред (вакуум) и атмосфер с избыточным давлением. В качестве направляющего формообразователя потока легирующего элемента используется сопло.
Недостатками известного способа являются: приблизительное определение повышенного расхода лигатуры для увеличения равномерности процесса легирования по длине кристалла, что не обеспечивает высокой воспроизводимости процесса легирования; отсутствие учета влияния состояния трубопровода подачи лигатуры; не регламентируется расположение сопла; отсутствие алгоритма массопереноса легирующего потока. Каждая из вышеперечисленных причин не позволяет достичь высокой воспроизводимости процесса легирования и равномерности распределения легирующей добавки по длине выращиваемого кристалла менее ± 25% от задачи легирования.
Целью изобретения является увеличение выхода в годную продукцию за счет увеличения воспроизводимости процесса легирования в заданный уровень удельного электрического сопротивления и достижение равномерности распределения легирующей добавки по длине выращиваемого кристалла менее ±20% от задачи легирования.
Цель достигается тем, что как и в известном способе получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающем расплавление зоны исходного стержня в вакуумной камере и подачу легирующей добавки в зону расплава, в предлагаемом способе после вакуумирования проводит осушку атмосферы и оснастки камеры, а подачу легирующей добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от нее на расстоянии 1,1-1,5R, где R радиус выращиваемого монокристалла. Легирующую добавку подают из дозирующей камеры с помощью клапанов, частоту открывания которых определяют из выражения
f
Figure 00000001
, где f частота открывания клапанов, мин-1;
N концентрация легирующей добавки, вводимой в кремний, ат/см3;
v скорость выращивания монокристалла, мм/мин;
R радиус выращиваемого монокристалла, мм;
Nисх концентрация легирующей добавки в дозирующей камере, ат/см3;
V объем дозирующей камеры, мм3;
К коэффициент усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, для атмосферы аргона К 0,084% для вакуума К 0,042%
Устройство для получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающее камеру для выращивания монокристалла, дозирующую камеру с клапанами для регулируемой подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий обе камеры, имеющий сопло на одном конце, входящем внутрь камеры для выращивания, в предлагаемом устройстве длина трубопровода не превышает (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода, см.
Предложенное техническое решение имеет следующие общие с прототипом существенные признаки: создание в камере выращивания заданной атмосферы выращивания; расплавление исходного стержня методом индукционной бестигельной зонной плавки и подача легирующей добавки к зоне расплава; использование дозирующего устройства с клапанами для регулирования подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий дозирующую камеру с ростовой камерой, имеющий сопло для подачи легирующей добавки к зоне расплава.
В отличие от прототипов предложенное техническое решение имеют следующие отличительные признаки: осуществляются предварительное вакуумирование объема ростовой камеры и подводящих трубопроводов перед процессом плавки, независимо от рабочей среды выращивания; осушка атмосферы выращивания, газопроводов, поверхностей ростовой камеры и технологической оснастки, размещенной в ней; подача легирующей добавки осуществляется порционно с частотой открывания клапанов, выбираемой с учетом технологических параметров процесса выращивания:
f
Figure 00000002
; сопло для подачи легирующей добавки направлено на середину зоны расплава и отстоит от нее на расстоянии (1,1-1,5)R, где R радиус выращиваемого монокристалла; длина трубопровода, соединяющего дозирующую камеру с камерой выращивания, не превышает (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
В зависимости от радиуса R выращиваемого монокристалла производится юстирование сопла, подающего лигатуру к зоне расплава, таким образом, чтобы оно было расположено по центру зоны расплава и отстояло от нее на расстоянии (1,1-1,5)R. Отклонение от этих требований приводит к изменению величины коэффициента усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, что не позволяет получить ожидаемый уровень легирования (удельного электрического сопротивления кремния). Расположение сопла по центру зоны расплава связано с тем, что это наиболее перегретая часть зоны расплава и соприкосновение потока лигатуры не нарушает бездислокационного роста монокристалла. Отклонение от этой области приводит к переохлаждению либо границы фронта плавления, либо границы фронта кристаллизации и появлению дендритов. Такое переохлаждение вызывает прекращение бездислокационного роста монокристалла (брак). Уменьшение же расстояния между соплом и зоной расплава менее 1,1R вызывает не только прекращение бездислокационного роста монокристалла вследствие переохлаждения, но и образует спайки между плавящимся и растущим кристаллом, что ведет к демонтажу процесса аварийной ситуации. Превышение расстояния между соплом и зоной расплава вызывает рассеивание струи легирующего потока, изменение коэффициента усвоения, недостижение задачи легирования.
Согласно предлагаемому способу перед началом процесса легирования производится технологическая операция осушки атмосферы в камере выращивания монокристаллов, подводящего газопровода лигатуры, внутренней поверхности ростовой камеры и расположенной в ней технологической оснастки.
Эта технологическая операция обеспечивает удаление остатков влаги, десорбцию компонентов воздуха из вышеперечисленных объектов. Отсутствие этой операции вызывает неравномерный во времени и количественно процесс химико-физических превращений (диссоциация, гидролиз, окисление) легирующей добавки, что и вызывает недостаточную воспроизводимость задачи легирования и особенно неоднородность вхождения лигатуры в растущий монокристалл по мере его выращивания (неоднородность удельного электрического сопротивления по длине монокристалла).
Предлагаемый эмпирический алгоритм массопереноса легирующей добавки
f
Figure 00000003
позволяет управлять режимом процессам легирования и связывает основные технологические параметры процесса БЗП и процесса легирования: N заданное количество легирующей добавки в кремнии, обеспечивающее достижение заданной величины удельного электрического сопротивления в выращенном со скоростью v легированном монокристалле кремния радиусом R; Nисх концентрация легирующей добавки в резервуаре с лигатурой, поступающей в дозирующую камеру с объемом V; К коэффициент усвоения легирующей примеси, зависящий от характера истечения легирующего потока (молекулярный, динамический), легирующей добавки и формы ее пребывания.
На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство для осуществления способа содержащее известное дозирующее устройство (1) включает дозирующую камеру 2, и источник легирующей добавки 3, а также подводящие трубопроводы, 4,5 и 6. Трубопровод 4 соединяет дозирующее устройство 1 с ростовой камерой 7 и имеет на свободном конце сопло 8. Трубопровод 5 посредством вентилей 9 и 10 и ротаметра 11 обеспечивает подачу и регулирование расхода газа-носителя легирующей добавки. Трубопровод 6 соединяет источник легирующей добавки 3 с емкостью 12 аргона и с помощью вентилей 13,14 и манометра 15 обеспечивает заданное постоянное давление легирующей смеси. Контроль осушки в подводящих трубопроводах и ростовой камере осуществляется манометрической лампой 16. Длина трубопровода 4 имеет регламентированную длину (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.
Регламентация длины трубопровода, соединяющего дозирующую камеру с камерой выращивания, определена из условий длительности осушки ее стенок, не превышающей длительности осушки ростовой камеры и технологической оснастки. Этот необходимый признак также способствует достижению высокой воспроизводимости процесса легирования, как в задачу легирования, так и равномерного распределения легирующей добавки по длине монокристалла. Кроме того, регламентация способствует минимизации энергетических и временных затрат на проведение процесса легирования. Нижний предел 150d определен из соображений удобства монтажа и обслуживания дозирующего устройства. Превышение длины трубопровода свыше максимальной 200d приводит к неполной осушке трубопровода и инициированию химико-физических превращений лигатуры, что снижает воспроизводимость и равномерность процесса легирования, что ухудшает характеристики предлагаемого способа.
Устройство для осуществления способа работает следующим образом.
Дозирующее устройство 1 заправляется легирующей добавкой в виде жидкого соединения с определенной упругостью паров и находится в специальной емкости, которая является источником легирующей добавки 3 для процесса легирования. В этой емкости посредством запорно-регулирующей арматуры (вентилей 13,14, манометра 15) и трубопровода 6 создаются постоянные давление и концентрация парогазовой смеси. Впусной и выпускной клапаны, ограничивающие дозирующую камеру 2, поочередно открываясь и закрываясь с заданной частотой f, подают парогазовую смесь в трубопровод 4, которая за счет либо вакуума в ростовой камере (при плавке в разреженной атмосфере), либо избыточного давления газа-носителя в трубопроводе 5 (при плане в атмосфере аргона) подается к зоне расплава кремния посредством сопла 8.
П р и м е р 1. Легировали партию поликристаллического кремния в количестве 11 стержней. Процесс БЗП осуществлялся на установке "Кристалл-108" в атмосфере аргона при рабочем давлении 1,3˙103 Па. Радиус R выращиваемых легированных стержней кремния поддерживался 38 мм, а скорость выращивания 3 мм/мин. Целью легирования было достижение содержания примеси фосфора в кремнии 4,0˙1013 ат/см3. Исходная концентрация фосфора в смеси хлорида фосфора с четыреххлористым кремнием, являющейся источником легирующей добавки, составляла 1˙1018ат/см3. Устройство легирования соединялось с камерой установки БЗП трубопроводом с внутренним диаметром d 0,5 см и длиной 93 см или 186 d. Подающее сопло располагалось по центру зоны расплава на расстоянии 45 мм или 1,18 R от растущего стержня. Объем дозирующей камеры устройства легирования составлял 100 мм3. После загрузки камеры установки БЗП производилась осушка ростовой камеры, технологической оснастки и подводящих трубопроводов газовой разводки, после чего производилось заполнение ростовой камеры аргоном до рабочего давления и осуществлялось БЗП стержней кремния и их легирование. Частота открывания клапанов составляла 2,06 мин-1. Выход годных стержней составил 92% при неоднородности легирования по длине стержней не более ±20% от среднего значения. Коэффициент усвоения легирующей добавки фосфора при данных условиях составил К 0,084%
П р и м е р 2. При тех же условиях легирования подающее сопло легирующего потока располагали на расстоянии 40 мм, т.е. менее 1,1R. Имело место образование дендритов на фронте кристаллизации в области контакта легирующего потока с поверхностью зоны расплава и после непродолжительного процесса выращивания его аварийное прекращение.
П р и м е р 3. При тех же условиях, описанных в примере 1, расстояние между растущим стержнем и соплом составило 60 мм, т.е. более 1,5 R. В результате переработки партии стержней, легированных фосфором, попадание в задачу легирования снизилось до 64% из-за рассеяния потока легирующей добавки и недостижения задачи легирования.
П р и м е р 4. При условиях, описанных в примере 1, длина трубопровода, соединяющего легирующее устройство и ростовую камеру, составило 120 см, т.е. более 200 d. Результаты переработки легированных стержней кремния показали, что неоднородность распределения легирующей примеси по длине стержня возросло до 31% из-за изменения концентрации легирующей добавки в начале процесса выращивания, а воспроизводимость процесса снизилась, выход в годное составил 78% из-за непопадания в задачу легирования.
П р и м е р 5. Легировали партию поликристаллического кремния в количестве 14 стержней. Процесс БЗП осуществляли на установке "Кристалл-108"в глубоком вакууме при остаточном давлении не более 4˙10-3Па. Радиус выращивания легированных стержней поддерживали 38 мм, а скорость выращивания 2,5 мм/мин. Целью легирования было достижение содержание примеси фосфора в кремнии 1˙1014 см3. Исходная концентрация фосфора в смеси хлорида фосфора с четыреххлористым кремнием, являющейся источником легирующей добавки, составляло 3˙1018 ат/см3. Устройство легирования соединялось с камерой установки БЗП трубопроводом с внутренним диаметром 0,5 см, длиной 93 см или 186 D. Подающее сопло располагалось по центру зоны расплава на расстоянии 45 мм или 1,18 R от растущего стержня. Объем дозирующей камеры устройства составлял 100 мм3. После загрузки камеры установки БЗП производилась осушка ростовой камеры, технологической оснастки и подводящих трубопроводов газовой разводки, после чего осуществлялась БЗП стержней кремния и их легирование. Частота открывания клапанов составляла 2,87 мин-1. Выход годных стержней составил 90,6% при неоднородности легирования по длине стержней не более ±16% от среднего значения. Коэффициент усвоения легирующей добавки фосфора при легировании в вакууме составил 0,042%

Claims (2)

1. Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающий расплавление зоны исходного стержня в вакуумированной камере и подачу легирующей добавки в зону расплава, отличающийся тем, что после вакуумирования проводят осушку атмосферы и оснастки камеры, а подачу легирующей добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от него на расстоянии 1,1 1,5 R, где R радиус выращиваемого монокристала.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что легирующую добавку подают из дозирующей камеры с помощью клапанов, частоту открывания которых определяют из выражения
Figure 00000004

где f частота открывания клапанов, мин- 1;
N концентрация легирующей добавки, вводимой в кремний, ат/см3;
V скорость выращивания монокристалла, мм/мин;
R радиус выращиваемого монокристалла, мм;
Nи с х . концентрация легирующей добавки в дозирующей камере, ат/см3;
V объем дозирующей камеры, см3;
K коэффициент усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, для атмосферы аргона K 0,084 для вакуума K 0,042%
3. Устройство для получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающее камеру для выращивания монокристаллов, дозирующую камеру с клапанами для регулируемой подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий обе камеры, имеющий сопло на одном конце, входящем внутрь камеры для выращивания, отличающееся тем, что длина трубопровода не превышает (150 200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.
SU5038371 1992-02-04 1992-02-04 Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления RU2049164C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5038371 RU2049164C1 (ru) 1992-02-04 1992-02-04 Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5038371 RU2049164C1 (ru) 1992-02-04 1992-02-04 Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2049164C1 true RU2049164C1 (ru) 1995-11-27

Family

ID=21602368

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5038371 RU2049164C1 (ru) 1992-02-04 1992-02-04 Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2049164C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2058420A1 (en) * 2006-09-29 2009-05-13 Sumco Techxiv Corporation Silicon single crystal manufacturing method, silicon single crystal, silicon wafer, apparatus for controlling manufacture of silicon single crystal, and program

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Патент Великобритании N 969903, кл. B 1S, B 01d, опубл. 16.09.64. *
2. Патент США N 3108073, кл. H 01J, 252/623, 1963. *
3. Заявка Франции N 2150491, кл.B01Z 17/00, 1973. *
4. Патент ГДР N 154108, кл. C 30B 13/00, 1982. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2058420A1 (en) * 2006-09-29 2009-05-13 Sumco Techxiv Corporation Silicon single crystal manufacturing method, silicon single crystal, silicon wafer, apparatus for controlling manufacture of silicon single crystal, and program
EP2058420A4 (en) * 2006-09-29 2010-12-22 Sumco Techxiv Corp PROCESS FOR MANUFACTURING SINGLE SILICON CRYSTAL, SINGLE SILICON CRYSTAL, SILICON GALETTE, REGULATOR MECHANISM FOR MANUFACTURING SINGLE SILICON CRYSTAL, AND PROGRAM
US8382895B2 (en) 2006-09-29 2013-02-26 Sumco Techxiv Corporation Silicon single crystal manufacturing method, silicon single crystal, silicon wafer, apparatus for controlling manufacture of silicon single crystal, and program

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100563425B1 (ko) 안티몬또는비소로고농도도핑된실리콘웨이퍼들에서산소함유량을제어하기위한방법및장치
US20100294999A1 (en) Producing method and apparatus of silicon single crystal, and silicon single crystal ingot
KR101033250B1 (ko) 단결정 제조 방법
EP0432914B1 (en) A method of controlling oxygen concentration in single crystal
JP2002543037A (ja) 結晶成長のための連続的な溶融物補充
JP6317374B2 (ja) 半導体グレード材料またはソーラーグレード材料の融液の制御されたドーピングのための気体ドーピングシステム
EP0785298B1 (en) Rapid cooling of cz silicon crystal growth system
US10494734B2 (en) Method for producing silicon single crystals
JP2016509989A5 (ru)
RU2049164C1 (ru) Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления
JPH037637B2 (ru)
WO2022071014A1 (ja) シリコン単結晶の製造方法
US5858087A (en) Single crystal pulling apparatus
US20060254499A1 (en) Method For Manufacturing Nitrogen-Doped Silicon Single Crystal
US20190249331A1 (en) Method for producing silicon single crystal
US5876495A (en) Method of pulling semiconductor single crystals
US5779792A (en) Single crystal pulling apparatus
JP2018140915A5 (ru)
US11028500B2 (en) Ingot puller apparatus that include a doping conduit with a porous partition member for subliming solid dopant
KR102576016B1 (ko) 고체 도펀트를 승화시키기 위한 다공성 파티션 부재와 함께 도핑 도관을 포함하는 잉곳 풀러 장치
US3558376A (en) Method for controlled doping by gas of foreign substance into semiconductor materials
JP7359241B2 (ja) シリコン単結晶の製造方法
EP4060097B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines dotierten monokristallinen stabes aus silicium
US20200190689A1 (en) Methods For Preparing a Doped Ingot
US20240125003A1 (en) Systems and methods for controlling a gas dopant vaporization rate during a crystal growth process