TW202300718A - 氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例公開了一種氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統；該氮摻雜劑加料裝置包括：底部設置有開口的承載管，該承載管用於承載待熔化的氮化矽；環繞於該承載管外側的加熱裝置，該加熱裝置用於加熱該待熔化的氮化矽使其完全熔化成氮化矽熔體；設置於該承載管內部的隔擋裝置，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部貼合以遮擋該開口，以防止該待熔化的氮化矽從該開口處掉落至該石英坩堝中；以及，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部產生間隙以打開該開口，以使得該氮化矽熔體從該開口處滴落至承載有含硼原子的矽熔體的該石英坩堝中；升降機構，該升降機構用於提升或下降該隔擋裝置。

Description

氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統
本發明實施例屬於半導體技術領域，尤其關於一種氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統。
用於生產積體電路（Integrated Circuit，IC）等半導體電子元器件的矽片，主要通過將直拉（Czochralski）法拉制的單晶矽棒切片而製造出。Czochralski法包括使由石英製成的坩堝中的多晶矽原料熔化以獲得矽熔體，將籽晶晶種浸入矽熔體中，以及連續地提升籽晶晶種移動離開矽熔體表面，由此在移動過程中在相介面處生長出單晶矽棒。
在上述生產過程中，生產製造一種無位元錯，甚至無孿晶以及無多晶的單晶矽棒是非常有利的，這種單晶矽棒具有良好的機械性能以及優良的電特性。而目前生產這種單晶矽棒的其中之一的方法就是在矽熔體中摻雜氮原子，以通過氮原子起到釘紮位錯的作用，這主要是因為氮摻雜的單晶矽棒的位錯移動啟動能比無摻雜的單晶矽棒的位錯移動啟動能高，進而使得氮摻雜的單晶矽棒的位錯滑移的距離短，因此在單晶矽棒中摻雜氮能夠抑制位錯，甚至孿晶和多晶的產生。目前，作為氮摻雜的一種實現方式，可以在石英坩堝中的矽熔體中摻雜氮，由此拉制出的單晶矽棒以及由單晶矽棒切割出的矽片中便會摻雜有氮。
目前，氮摻雜的技術一般使用氮化矽(Si 3N 4)作為氮源，片狀或顆粒狀氮化矽材料投入到多晶矽原料中，實現氮元素的加入，但是由於氮化矽熔化溫度（約1800℃）比矽熔點（1425℃）高，需要加熱並穩定一段時間的高溫（＞1600℃）後才能使其完全熔融在矽熔體中，而單晶矽棒拉制時矽熔體中不能存在未熔化的氮化矽微粒，否則該氮化矽微粒會進入單晶矽棒中造成單晶矽棒內產生位錯，進而導致單晶矽棒產品的報廢；而且太高的氮化矽熔體溫度也會容易造成石英坩堝軟化加劇，致使SiO 2中的析出氧增加，以使得單晶矽棒拉制過程中的氧含量難以控制，從而使得單晶矽棒頂部的氧含量偏高，影響單晶矽棒的產品品質。
此外，尤其在拉制含氮摻雜和其他摻雜劑例如硼的單晶矽棒時，矽熔體溫度太高會造成摻雜劑硼的揮發量增加，更嚴重地將導致硼原子與氮原子在超過1600℃的高溫下形成難熔物氮化硼，該氮化硼物質在矽熔體中一直存在，易造成單晶矽棒產生位錯、孿晶甚至多晶，進而導致單晶矽棒產品的報廢。
有鑑於此，本發明實施例期望提供一種氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統；能夠獲得無位錯、無孿晶以及無多晶的高品質的氮摻雜單晶矽棒。
本發明實施例的技術方案是這樣實現的： 第一方面，本發明實施例提供了一種氮摻雜劑加料裝置，該氮摻雜劑加料裝置設置於石英坩堝的正上方，該氮摻雜劑加料裝置包括： 底部設置有開口的承載管，該承載管用於承載待熔化的氮化矽； 環繞於該承載管外側的加熱裝置，該加熱裝置用於加熱該待熔化的氮化矽使其完全熔化成氮化矽熔體； 設置於該承載管內部的隔擋裝置，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部貼合以遮擋該開口，以防止該待熔化的氮化矽從該開口處掉落至該石英坩堝中；以及，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部產生間隙以打開該開口，以使得該氮化矽熔體從該開口處滴落至承載有含硼原子的矽熔體的該石英坩堝中； 升降機構，該升降機構用於提升或下降該隔擋裝置。
第二方面，本發明實施例提供了一種氮摻雜劑加料方法，該氮摻雜劑加料方法能夠應用於第一方面所述之氮摻雜劑加料裝置中，該氮摻雜劑加料方法包括： 將多晶矽原料及硼摻雜劑放置於石英坩堝中並升溫至1450℃以使得該多晶矽原料及該硼摻雜劑熔化形成含硼原子的矽熔體； 將設定品質的待熔化的氮化矽投入至氮摻雜劑加料裝置中，並通過加熱裝置升溫至1800℃以使得該待熔化的氮化矽熔化形成氮化矽熔體； 通過升降機構提升隔擋裝置，以使得該氮化矽熔體通過承載管底部的開口滴落至該含硼原子的矽熔體中。
第三方面，本發明實施例提供了一種氮摻雜單晶矽棒的製造系統，該製造系統包括：根據第一方面所述之氮摻雜劑加料裝置，以及拉晶設備；其中， 該氮摻雜劑加料裝置用於將氮化矽熔體摻入該拉晶設備中石英坩堝內的含硼原子的矽熔體中； 該拉晶設備用於利用含氮原子和硼原子的矽熔體採用Czochralski法拉制單晶矽棒。
本發明實施例提供了一種氮摻雜劑加料裝置、方法及氮摻雜單晶矽棒的製造系統；在該氮摻雜劑加料裝置中，在待熔化的氮化矽投入承載管之前，先通過升降機構下降隔擋裝置與承載管底部貼合以遮擋開口，以防止待熔化的氮化矽從開口處掉落至石英坩堝中；當待熔化的氮化矽完全熔化成氮化矽熔體後，利用升降機構提升隔擋裝置以打開開口，從而使得氮化矽熔體滴落至含硼原子的矽熔體中；利用該氮摻雜劑加料裝置能夠將氮化矽熔體加入至含硼原子的矽熔體中，這樣石英坩堝內形成含硼原子的矽熔體的溫度無需超過1600℃，而在含硼原子的矽熔體的熔化溫度不超過1600℃的情況下，氮化矽熔體中的氮原子即可摻入含硼原子的矽熔體中，因此在整個單晶矽棒拉制過程中不會產生氮化硼顆粒，進而最終形成的單晶矽棒中也不會產生位錯，甚至孿晶以及多晶缺陷。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1，其示出了常規技術方案中氮摻雜的一種實現方式。如圖1所示，多晶矽原料B1和其他摻雜劑例如硼B2與氮化矽B3一起容納在石英坩堝QC中，其中，多晶矽原料B1通過由線框圍繞的區域示意性地示出，硼摻雜劑B2通過由斜線填充的區域示意性地示出，氮化矽B3通過由黑色填充區域示意性地示出。當對石英坩堝QC進行加熱使容納在石英坩堝QC中的多晶矽原料B1、硼摻雜劑B2以及氮化矽B3熔化後，便可以獲得包括包含矽原子、硼原子和氮原子的熔體M。但是，在上述實現方式中，由於氮化矽B3的熔化溫度約為1800℃，而多晶矽原料B1和硼摻雜劑B2的熔化溫度不能超過1600℃，因此來自於氮化矽B3的氮原子無法獲得足夠充分地熔解，而是僅能夠熔解在每個氮化矽B3周圍的一定範圍內，因此摻雜的氮在熔體M整體中的分佈是不均勻的。具體地，參見圖1，所獲得的熔體M按照氮濃度或含氮量的不同仍然大致可以分為如下的三種區域：含氮量低的第一熔體區域M1，如在圖1中通過低密度的點填充的區域示意性地示出的，該區域在石英坩堝QC中處於與氮化矽B3的幾何中心相距遠距離的位置處；含氮量中等的第二熔體區域M2，如在圖1中通過中等密度的點填充的區域示意性地示出的，該區域在石英坩堝QC中處於與氮化矽B3的幾何中心相距中等距離的位置處；含氮量高的第三熔體區域M3，如在圖1中通過高密度的點填充的區域示意性地示出的，該區域在石英坩堝QC中處於與氮化矽B3的幾何中心相距近距離的位置處。
需要說明的是，前述氮化矽B3的形狀不限於片狀、也可以是顆粒狀。
另一方面，如若為了完全地熔解氮化矽B3，將多晶矽原料B1和硼摻雜劑B2的熔化溫度升高至1600℃以上，此時熔體M中則會形成氮化硼顆粒B4，具體如圖2中的黑色圓形所示。由於氮化硼顆粒B4為難熔物，會一直存在於熔體M內，易造成單晶矽棒中產生位錯、孿晶甚至多晶的缺陷，嚴重時將導致單晶矽棒產品報廢。
基於上述闡述，為了獲得無位錯、無孿晶以及無多晶缺陷的含氮原子和硼原子的單晶矽棒，本發明實施例期望在能夠獲得含硼原子的矽熔體M'的基礎上，改進氮化矽B3的加料方式。圖3為本發明實施例提供的一種氮摻雜劑加料裝置30的示意圖，其中，氮摻雜劑加料裝置30設置於石英坩堝QC的正上方，該氮摻雜劑加料裝置30具體可以包括： 底部設置有開口3011的承載管301，該承載管301用於承載待熔化的氮化矽B3； 環繞於該承載管外側的加熱裝置302，該加熱裝置302用於加熱該待熔化的氮化矽B3使其完全熔化成氮化矽熔體M"； 設置於該承載管內部的隔擋裝置303，該隔擋裝置303能夠與該承載管301的底部貼合以遮擋該開口3011，以防止該待熔化的氮化矽B3從該開口3011處掉落至該石英坩堝QC中；以及，該隔擋裝置303能夠與該承載管301的底部產生間隙以打開該開口3011，以使得該氮化矽熔體M"從該開口3011處滴落至承載有含硼原子的矽熔體M'的該石英坩堝QC中； 升降機構304，該升降機構304用於提升或下降該隔擋裝置303。
可以理解地，對於根據本發明的氮摻雜劑加料裝置30而言，如圖3中所示，在待熔化的氮化矽B3放置在氮摻雜劑加料裝置30之前，先通過升降機構304下降隔擋裝置與承載管301底部貼合以遮擋開口3011，以防止待熔化的氮化矽B3從開口3011處掉落至石英坩堝QC中；而如圖4所示，當待熔化的氮化矽B3完全熔化成氮化矽熔體M"後，利用升降機構304提升隔擋裝置303以打開開口3011，從而使得氮化矽熔體M"滴落至含硼原子的矽熔體M'中。
利用該氮摻雜劑加料裝置30能夠將氮化矽熔體M"加入至含硼原子的矽熔體M'中，這樣石英坩堝QC內形成含硼原子的矽熔體M'的溫度無需超過1600℃，而在含硼原子的矽熔體M'的熔化溫度不超過1600℃的情況下，氮化矽熔體M"中的氮原子即可摻入含硼原子的矽熔體M'中，因此在整個單晶矽棒的拉制過程中不會產生氮化硼顆粒B4，進而最終形成的單晶矽棒中也不會產生位錯，甚至孿晶以及多晶缺陷。
此外，可以理解地，採用氮化矽熔體M"加入至含硼原子的矽熔體M'的方法，不會造成石英坩堝QC內的最終溫度過高，因而不會容易造成石英坩堝QC軟化加劇，以致使SiO 2中的析出氧增加，因此也就不會在單晶矽棒拉制過程中出現氧含量難以控制的現象。
需要說明的是，承載管301中放置的待熔化的氮化矽B3的品質是預先設定的，以保證最終拉制的單晶矽棒中的氮含量滿足產品要求。
對於圖3所示的氮摻雜劑加料裝置30，在一些示例中，該承載管301的材料為高密度氮化矽。可以理解地，當待熔化的氮化矽B3升溫熔化時，整個氮摻雜劑加料裝置30內部的整體溫度會升溫至1800℃，因此為了保證承載管301的使用壽命，承載管301需要使用耐高溫材料；而另一方面為了保證待熔化的氮化矽B3在升溫熔化的過程中不會引入新的雜質，因此可選地，承載管301的材料為高密度氮化矽材料。
對於圖3所示的氮摻雜劑加料裝置30，在一些示例中，可選地，該加熱裝置為電阻式加熱器。這主要是因為利用電阻式加熱器對承載管301加熱時能夠精確地控制待熔化的氮化矽B3的熔化溫度；其次，利用電阻式加熱器加熱時承載管301受熱均勻，因而待熔化的氮化矽B3能夠得到均勻地熔解。當然，可以理解地，電阻式加熱器的熱效率高，對承載管301加熱升溫時熱損失少，能夠有效地節省加熱成本。
對於圖3所示的氮摻雜劑加料裝置30，在一些示例中，可選地，該隔擋裝置303包括連動桿3031和隔擋球3032；其中，該連動桿3031和該隔擋球3032固定連接。需要說明的是，連動桿3031和隔擋球3032可以採用焊接的方式固定地連接在一起，也可以在具體實施過程中將連動桿3031和隔擋球3032製造為一體結構。
對於上述示例，在一些具體的實施方式中，可選地，該連動桿3031和該隔擋球3032的材料為高密度氮化矽。可以理解地，在待熔化的氮化矽B3升溫熔化的過程中，連動桿3031和隔擋球3032一直處於承載管301的內部，因此，為了保證連動桿3031和隔擋球3032的使用壽命以及不引入新的雜質，可選地，連動桿3031和隔擋球3032的材料為耐高溫的高密度氮化矽材料。
對於上述示例，在一些具體的實施方式中，可選地，該隔擋球3032的直徑大於該開口3011的直徑。可以理解地，在本發明的具體實施過程中，為了防止待熔化的氮化矽B3從開口3011處掉落，因此，隔擋球3032的直徑大於開口3011的直徑，以保證當隔擋球3032下降與承載管301的底部貼合時能夠完全遮擋住開口3011，即使當待熔化的氮化矽B3為顆粒狀時，顆粒狀的氮化矽B3也不會從開口3011處掉落。
對於上述示例，在一些具體的實施方式中，該連動桿3031與該升降機構304固定連接。可以理解地，為了便於隔擋球3032的上升或下降，在本發明的具體實施方式中，將連動桿3031與升降機構304固定地連接在一起，以實現通過升降機構304控制隔擋球3032的上升或下降，進而控制開口3011的遮擋或打開。
參見圖5，本發明實施例還提供了一種氮摻雜劑加料方法，該氮摻雜劑加料方法能夠應用於前述的氮摻雜劑加料裝置30中，該氮摻雜劑加料方法包括： S501、將多晶矽原料B1及硼摻雜劑B2放置於石英坩堝QC中並升溫至1450℃以使得該多晶矽原料B1及該硼摻雜劑B2熔化形成含硼原子的矽熔體M'； S502、將設定品質的待熔化的氮化矽B3投入至氮摻雜劑加料裝置30中，並通過加熱裝置302升溫至1800℃以使得該待熔化的氮化矽B3熔化形成氮化矽熔體M"； S503、通過升降機構304提升隔擋裝置303，以使得該氮化矽熔體M"通過承載管底部的開口滴落至該含硼原子的矽熔體M'中。
可以理解地，當氮化矽熔體M"全部滴落至含硼原子的矽熔體M'後，待石英坩堝QC中的含氮原子和硼原子的矽熔體穩定後便可以開始拉制單晶矽棒。
參見圖6，本發明實施例還提供了一種氮摻雜單晶矽棒的製造系統50，該氮摻雜單晶矽棒的製造系統50具體包括：根據前述所述之氮摻雜劑加料裝置30，以及拉晶設備40；其中， 該氮摻雜劑加料裝置30用於將氮化矽熔體M"摻入該拉晶設備40中石英坩堝QC內的含硼原子的矽熔體M'中； 該拉晶設備40用於利用含氮原子和硼原子的矽熔體採用Czochralski法拉制單晶矽棒。
需要說明的是，上述的拉晶設備1可以是拉晶爐中的比如導流筒、單晶矽棒提拉裝置等與用於拉制單晶矽棒相關聯的部件，以及比如石英坩堝QC、石墨加熱器等與用於將多晶矽原料B1和硼摻雜劑B2熔化相關聯的部件構成的設備，因此本發明中的氮摻雜劑加料裝置30以及拉晶設備1可以在同一常規的拉晶爐中實現。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
30:氮摻雜劑加料裝置 40:拉晶設備 50:氮摻雜單晶矽棒的製造系統 301:承載管 302:加熱裝置 303:隔擋裝置 304:升降機構 3011:開口 3031:連動桿 3032:隔擋球 QC:石英坩堝 M:熔體 M':矽熔體 M":氮化矽熔體 M1:第一熔體區域 M2:第二熔體區域 M3:第三熔體區域 B1:多晶矽原料 B2:硼摻雜劑 B3:氮化矽 B4:氮化硼顆粒 S501-S503:步驟
圖1為本發明實施例提供的常規技術方案中氮摻雜的一種實現方式的示意圖； 圖2為本發明實施例提供的矽熔體中生成有氮化硼的示意圖； 圖3為本發明實施例提供的一種氮摻雜劑加料裝置的示意圖； 圖4為本發明實施例提供的利用氮摻雜劑加料裝置實現矽熔體中氮摻雜的示意圖； 圖5為本發明實施例提供的一種氮摻雜劑加料方法的流程示意圖； 圖6為本發明實施例提供的一種氮摻雜單晶矽棒的製造系統。
30:氮摻雜劑加料裝置
301:承載管
302:加熱裝置
303:隔擋裝置
304:升降機構
3011:開口
3031:連動桿
3032:隔擋球
B3:氮化矽

Claims (9)

  1. 一種氮摻雜劑加料裝置，該氮摻雜劑加料裝置設置於石英坩堝的正上方，該氮摻雜劑加料裝置包括： 底部設置有開口的承載管，該承載管用於承載待熔化的氮化矽； 環繞於該承載管外側的加熱裝置，該加熱裝置用於加熱該待熔化的氮化矽使其完全熔化成氮化矽熔體； 設置於該承載管內部的隔擋裝置，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部貼合以遮擋該開口，以防止該待熔化的氮化矽從該開口處掉落至該石英坩堝中；以及，該隔擋裝置能夠與該承載管的底部產生間隙以打開該開口，以使得該氮化矽熔體從該開口處滴落至承載有含硼原子的矽熔體的該石英坩堝中； 升降機構，該升降機構用於提升或下降該隔擋裝置。
  2. 如請求項1所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該承載管的材料為高密度氮化矽。
  3. 如請求項1所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該加熱裝置為電阻式加熱器。
  4. 如請求項1所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該隔擋裝置包括連動桿和隔擋球；其中，該連動桿和該隔擋球固定連接。
  5. 如請求項4所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該連動桿和該隔擋球的材料為高密度氮化矽。
  6. 如請求項5所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該隔擋球的直徑大於該開口的直徑。
  7. 如請求項5所述之氮摻雜劑加料裝置，其中，該連動桿與該升降機構固定連接。
  8. 一種氮摻雜劑加料方法，該氮摻雜劑加料方法能夠應用於如請求項1至7中任一項所述之氮摻雜劑加料裝置中，該氮摻雜劑加料方法包括： 將多晶矽原料及硼摻雜劑放置於石英坩堝中並升溫至1450℃以使得該多晶矽原料及該硼摻雜劑熔化形成含硼原子的矽熔體； 將設定品質的待熔化的氮化矽投入至氮摻雜劑加料裝置中，並通過加熱裝置升溫至1800℃以使得該待熔化的氮化矽熔化形成氮化矽熔體； 通過升降機構提升隔擋裝置，以使得該氮化矽熔體通過承載管底部的開口滴落至該含硼原子的矽熔體中。
  9. 一種氮摻雜單晶矽棒的製造系統，該製造系統包括：根據如請求項1至7中任一項所述之氮摻雜劑加料裝置，以及拉晶設備；其中， 該氮摻雜劑加料裝置用於將氮化矽熔體摻入該拉晶設備中石英坩堝內的含硼原子的矽熔體中； 該拉晶設備用於利用含氮原子和硼原子的矽熔體採用Czochralski法拉制單晶矽棒。
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