TWI460316B - ｐ型矽單晶以及其製造方法 - Google Patents

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Description

p型矽單晶以及其製造方法
本發明是關於p型矽單晶以及其製造方法，特別是關於用柴可斯基(Czochralski)方法製造的p型矽單晶以及其製造方法。
諸如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的功率元件最近廣泛應用於家用電器和工業機器等。功率元件的主要特徵之一是高耐受電壓，為了實現這一點，要求用於功率元件的基材的電阻率高而其變化率卻小。
用於功率元件用基材的矽單晶主要用柴可斯基方法(CZ方法)製造。使用CZ方法，由於如硼和磷之類的摻雜物相對於矽單晶的偏析係數(segregation coefficient)小於1，矽熔體中的摻雜物濃度會隨著矽單晶的生長而變高。因此，長成的矽單晶中的摻雜物濃度在生長軸方向上會有差異，結果，矽單晶電阻率在生長軸方向上變化。因此，難以控制電阻率。
關於控制單晶電阻率的技術，例如，日本專利公開第2010-531805號(專利文獻1)描述了一種控制用於製造太陽能電池的矽錠的電阻率的方法。使用該方法，藉由製備含硼和磷的冶金級矽源材料，以及向冶金級矽加入鋁等製成矽熔體，以形成矽錠。
在專利文獻1所描述的方法中，使用含大量雜質的冶金級矽作為矽源材料。因此，得到的矽單晶基材的電阻率低達約5歐姆公分或更低，難以將這樣的基材用於要求耐受電壓高的功率元 件。
此外，在上述冶金級矽源材料中，硼和磷原來就溶解在矽源材料中。於是硼和磷的量即經確定，並且根據硼和磷的量主要加入第III族元素。這樣，由於僅主要使用一種元素作為控制電阻率的元素，因此實際上難以減小矽單晶基材的電阻率的變化率。
本發明因考慮到上述問題而產生，其目的是提供p型矽單晶以及其製造方法，該p型矽單晶電阻率高並且電阻率變化率較小。
製造根據本發明的p型矽單晶的方法包括以下步驟：製備矽熔體，該矽熔體中已加入作為主摻雜物的硼、為n型雜質且偏析係數比硼低的第一副摻雜物、以及為p型雜質且偏析係數比第一副摻雜物低的第二副摻雜物；用柴可斯基方法從矽熔體生長電阻率不低於6歐姆公分的矽單晶。本發明中，偏析係數是指相對於矽單晶的偏析係數。
這樣，透過使用多種副摻雜物，可以得到電阻率高且電阻率變化小的p型矽單晶。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物的濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於4.9且不大於52.4。本發明中，矽熔體中的濃度是指矽單晶生長之前初始矽熔體中的濃度。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為 磷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於1.2且不大於13.4。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為銦。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比不小於25.1且不大於261.2。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於11.7且不大於72.2。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於3.1且不大於18.3。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為銦。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.4。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所 計算得到的第二濃度比係不小於57.9且不大於324.0。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的第一濃度比不小於0.79且不大於0.81。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的第二濃度比不小於24.2且不大於27.0。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於30.8且不大於33.8。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比不小於6.2且不大於6.9。
在製造上述p型矽單晶的方法中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於7.8且不大於8.5。
根據本發明的p型矽單晶含有作為主摻雜物的硼、第一副摻雜物、和第二副摻雜物。第一副摻雜物為n型雜質，且偏析係數低 於硼。第二副摻雜物為p型雜質，且偏析係數低於第一副摻雜物。電阻率係不低於6歐姆公分。
如此，透過使用多種副摻雜物，以得到電阻率高且電阻率變化率小的p型矽單晶。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於4.9且不大於52.4。本發明中，矽熔體中的濃度是指矽單晶生長之前初始矽熔體中的濃度。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於1.2且不大於13.4。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為銦。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於25.1且不大於261.2。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5。矽熔體 中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於11.7且不大於72.2。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於3.1且不大於18.3。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為砷，第二副摻雜物為銦。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.4。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於57.9且不大於324.0。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於24.2且不大於27.0。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鋁。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於30.8且不大於33.8。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻 雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於6.2且不大於6.9。
在上述p型矽單晶中，較佳地，第一副摻雜物為磷，第二副摻雜物為鎵。矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91。矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於7.8且不大於8.5。
根據本發明，可以得到電阻率高且電阻率變化率小的p型矽單晶。
下文中將參考附圖對本發明之具體實施態樣進行說明。應注意，以下附圖中相同或相對應的元件分配了相同的附圖標記，並且不再對其重複說明。
首先，參考圖1描述本實施態樣用於製造p型矽單晶的製造裝置。
如圖1所示，矽單晶製造裝置10主要具有室2、加熱器6、坩堝8、坩堝支撐軸13和上拉線14。在室2的內壁上提供隔熱材料3。在室2的上部提供用於引入諸如氬氣(Ar)的惰性氣體的氣體供應口4，在室2的底部提供用於排出室2中氣體的排氣口5。坩堝8充有經摻雜之矽熔體7。坩堝8的周圍提供加熱器6， 矽熔體7可以透過將矽源材料熔融製造。坩堝支撐軸13從坩堝8的下端部延伸到室的底部，並透過坩堝支撐軸驅動裝置12旋轉支撐。上拉線14用來拉起矽單晶1，並可透過上拉線驅動裝置15垂直移動。
現參考圖1和2說明本實施態樣中製造p型矽單晶的方法。
如圖2所示，根據本實施態樣的p型矽單晶用以柴可斯基方法製造矽單晶，主要包括矽熔體製備步驟S1、矽單晶生長步驟S2和矽單晶切割步驟S3。
在矽熔體製備步驟S1中，坩堝8充填以矽源材料並透過加熱器6加熱，以使矽源材料熔融。加入主摻雜物、第一副摻雜物和第二副摻雜物三種摻雜物以摻雜矽熔體。主摻雜物為硼，代表p型雜質。第一副摻雜物為具有n型電導性的雜質，並且其相對於矽單晶的偏析係數低於主摻雜物硼(B)。第一副摻雜物為第V族元素，如磷(P)和砷(As)。第二副摻雜物為具有p型電導性的雜質，並且其相對於矽單晶的偏析係數低於第一副摻雜物。第二副摻雜物為第III族元素，如鋁(Al)、鎵(Ga)、和銦(In)。
在本實施態樣中，使用半導體級矽作為矽源材料。半導體級矽比冶金級矽雜質濃度更低，且純度更高。半導體級矽的矽純度為，例如，99.999999999%(11N)。
加入到矽源材料中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物可以全部一次加入或分開加入到矽熔體中。例如，首先可以將主摻雜物加入到矽熔體7中，隨後是第一副摻雜物，然後是第二 副摻雜物。
在矽單晶生長步驟S2中，首先，將連接晶種夾(chuck)16的晶種17放落到矽熔體7的表面，並浸在其中。然後，使上拉線14透過上拉線驅動裝置15捲起，從而拉起矽單晶1。
矽單晶1經過錐形部分(擴展部分)的生長並長到目標直徑後，晶錠的直線部分11生長到規定長度。
在矽單晶切割步驟S3中，最初，晶錠直線部分11生長到規定長度，然後停止上拉線14的捲繞。然後，降低坩堝8，從矽熔體7分離矽單晶1。沿垂直於矽單晶1生長軸方向的平面將矽單晶切片，得到矽晶圓。
現參考圖3說明矽單晶電阻率與固化率之間關係的模擬結果。
圖3中的橫座標表示固化率。固化率是指結晶的矽的質量相對於矽熔體中所含矽源材料的總質量之比值。圖3中的縱座標表示在矽單晶1生長軸方向D上的電阻率比值。本發明中，電阻率為矽單晶中心(即生長軸)的電阻率。此外，電阻率比值是指將某一固化率下的電阻率以固化率為0時的電阻率標準化計算得到的值。
在圖3中，樣品101~107各代表用柴可斯基方法由矽熔體形成的p型矽單晶，該矽熔體已加入硼、磷、和鋁，相應地作為主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物。
對於樣品101~107，矽熔體中的硼濃度相應地為3.2×1015 原子/立方公分(101)、1.1×1015 原子/立方公分(102)、1.2×1015 原子/立方公分(103)、2.6×1014 原子/立方公分(104)、2.1×1014 原子/立方公分(105)、1.9×1014 原子/立方公分(106)、和2.0×1014 原子/立方公分(107)。
樣品101~107的矽熔體中磷濃度除以硼濃度計算得到的濃度比(第一濃度比)相應地為0.50(101)、0.60(102)、0.70(103)、0.90(104)、1.00(105)、1.10(106)、和1.20(107)。
樣品101~107的矽熔體中鋁濃度除以硼濃度計算得到的濃度比(第二濃度比)相應地為5.60(101)、11.70(102)、18.50(103)、31.76(104)、38.65(105)、45.06(106)、和52.40(107)。
如圖3中可見，固化率為0~0.9時，在矽單晶樣品101~107生長軸方向上的電阻率變化率非常低，即約3~8%或更低。應注意，電阻率變化率是下式1定義的值。本發明中，電阻率最大值是生長軸方向上矽單晶的電阻率最大值，而電阻率最小值是生長軸方向上矽單晶的電阻率最小值。
用於諸如IGBT的功率元件的基材要求其電阻率高且電阻率變化率小。具體地，p型矽單晶的電阻率要求不低於6歐姆公分，較佳不低於50歐姆公分，更佳不低於100歐姆公分。此外，p型矽單晶的電阻率變化率要求不高於20%，較佳不高於15%，更佳不高於8%，並且更佳不高於5%。
現在對本實施態樣中矽單晶電阻率變化率變低的機制進行說 明。
在只有硼(主摻雜物)加入矽熔體的情況下，隨著矽單晶生長，矽單晶中的硼濃度變高(即固化率變得更大)。因此，矽單晶底部的電阻率變低。
原因如下。隨著矽單晶生長，矽熔體中的硼濃度增加，因為硼相對於矽單晶的偏析係數為約0.78，低於1。因此，加入矽單晶中的硼的比例變高，電阻率變低。
類似地，在磷也同樣加入到矽熔體的情況下，隨著矽單晶生長，矽單晶中的磷濃度變高。因此，矽單晶底部的電阻率變低。磷相對於矽單晶的偏析係數為約0.38，低於硼。因此，隨著矽單晶生長，矽熔體中磷的偏析速率大於硼的偏析速率。因此，在加入磷的情況下，隨著矽單晶的生長，電阻率的下降速率也大於加入硼的情況。
在硼(主摻雜物)和磷(第一摻雜物)加入到矽熔體的情況下，產生的導電類型相反的載子互相抵消，因為硼代表p型雜質而磷代表n型雜質。因此，將磷與硼一起加入矽單晶時，p型載子密度會下降，電阻率會增加。此外，在加入磷的情況下，雜質濃度隨著矽單晶生長的增長率高於加入硼的情況。因此，由於增加磷濃度可提高n型載子密度，可消除p型載子密度隨著矽單晶生長由於硼濃度增加而導致的提高，所以可以降低電阻率隨著矽單晶生長的下降速度。
當固化率小時，可以降低隨矽單晶生長的電阻率下降的速度。然而，當固化率變大時，由磷濃度增加所導致的n型載子密度增 加佔有優勢，且電阻率隨著矽單晶生長變得更高。
在向矽熔體加入偏析係數比磷(第一副摻雜物)小的鋁(第二副摻雜物)的情況下，當固化率小時，鋁產生的p型載子實質上沒有被帶入矽單晶中。然而，當固化率變大時，鋁逐漸被帶入到矽單晶中，所以p型載子增加，所以電阻率逐漸變低。因此，加入鋁可以抑制固化率大時的矽單晶電阻率增加。結果，可以減輕在矽單晶生長軸方向的電阻率變化率。
因此，為n型雜質並且偏析係數比主摻雜物小的第一副摻雜物可以抑制固化率小時的矽單晶電阻率變化，而為p型雜質並且偏析係數比第一副摻雜物小的第二副摻雜物可以抑制固化率大時的矽單晶電阻率變化。
第一實施態樣
表1顯示了以下情況下在矽單晶生長軸線方向的電阻率最大值和最小值及電阻率變化率的模擬結果：使用硼(B)、磷(P)、和鋁(Al)分別作為加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜 物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)的變化範圍為約不低於0.4至約不高於1.3，矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍為約不低於1.1至約不高於59.1。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.87×1014 原子/立方公分和約不高於3.18×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於168.3歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.2歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、且生長軸方向的電阻率變化率約不高於17.8%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.5和約不高於1.2，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於4.9和約不高於52.4。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.87×1014 原子/立方公分和約不高於3.18×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於168.3歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.5歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於17.8%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.79和約不高於0.81，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物 濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於24.2和約不高於27.0。在此情況下，硼的濃度為約不低於4.64×1014 原子/立方公分和約不高於1.19×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於21.0歐姆公分和約不高於53.0歐姆公分、電阻率最小值為約不低於20.0歐姆公分和約不高於51.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於8.0%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.89和約不高於0.91，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於30.8和約不高於33.8。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.94×1014 原子/立方公分和約不高於2.57×1014 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於100.0歐姆公分和約不高於143.1歐姆公分、電阻率最小值為約不低於95.0歐姆公分和約不高於132.1歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於7.9%的p型矽單晶。
第二實施態樣
表2顯示了以下情況下在矽單晶生長軸線方向的電阻率最大值和最小值及電阻率變化率的模擬結果：使用硼(B)、磷(P)、和鎵(Ga)作為分別加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)變化範圍是約不低於0.4和約不高於1.3，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍是約不低於0.1和約不高於15.1。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.95×1014 原子/立方公分和約不高於3.18×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於175.2歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.3歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於16.3%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.5和約不高於1.2，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃 度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於1.2和約不高於13.4。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.97×1014 原子/立方公分和約不高於3.18×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於175.2歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.5歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於16.3%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.79和約不高於0.81，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於6.2和約不高於6.9。在此情況下，硼的濃度為約不低於8.08×1014 原子/立方公分和約不高於8.23×1014 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於30.0歐姆公分和約不高於32.4歐姆公分、電阻率最小值為約不低於28.6歐姆公分和約不高於30.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於7.8%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.89和約不高於0.91，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於7.8和約不高於8.5。在此情況下，硼的濃度為約不低於5.07×1014 原子/立方公分和約不高於5.15×1014 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於50.0歐姆公分和約不高於55.1歐姆公分、電阻率最小值為約不低於47.6歐姆公分和約不高於50.7歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於8.0%的p型矽單晶。
第三實施態樣
表3顯示了以下情況下在矽單晶生長軸線方向的電阻率最大值和最小值及電阻率變化率的模擬結果：使用硼(B)、磷(P)、和銦(In)分別作為加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)變化範圍是約不低於0.5和約不高於1.3，矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍是約不低於25.1和約不高於291.3。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.98×1014 原子/立方公分和約不高於3.59×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於6.8歐姆公分和約不高於169.4歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.3歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於13.3%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.5和約不高於1.2，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於25.1和約不高於261.2。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.98×1014 原子/立方公分和約不高於3.59×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於6.8歐姆公分 和約不高於161.3歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.3歐姆公分和約不高於148.8歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於13.3%的p型矽單晶。
第四實施態樣
表4顯示了以下情況下在矽單晶生長軸線方向的電阻率最大值和最小值及電阻率變化率的模擬結果：使用硼(B)、砷(As)、和鋁(Al)分別作為加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)變化範圍是約不低於0.5和約不高於1.6，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍是約不低於5.0和約不高於78.6。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.51×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於165.6歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.4歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於16.7%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.6和約不高於1.5，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於11.7和約不高於72.2。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.51×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分 和約不高於160.7歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.5歐姆公分和約不高於149.3歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於16.7%的p型矽單晶。
第五實施態樣
表5顯示了以下情況下沿矽單晶生長軸方向的電阻率和電阻率變化率的最大值和最小值模擬結果：使用硼(B)、砷(As)、和鎵(Ga)分別作為加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)變化範圍是約不低於0.6和約不高於1.6，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍是約不低3.1和約不高於19.9。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.40×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於165.4歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.4歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於19.7%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.6和約不高於1.5，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於3.1和約不高於18.3。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.40×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於160.3歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.5歐姆 公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於19.7%的p型矽單晶。
第六實施態樣
表6顯示了以下情況下沿矽單晶生長軸方向的電阻率和電阻率變化率的最大值和最小值模擬結果：使用硼(B)、砷(As)、和銦(In)分別作為加入到矽熔體中的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)變化範圍是約不低於0.5和約不高於1.6，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)變化範圍是約不低24.4和約不高於391.6。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.40×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於165.7歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.4歐姆公分和約不高於150.0歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化率為約不高於19.6%的p型矽單晶。
更佳地，矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第一濃度比)範圍是約不低於0.6和約不高於1.4，並且矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的值(第二濃度比)範圍是約不低於57.9和約不高於324.0。在此情況下，硼的濃度為約不低於1.69×1014 原子/立方公分和約不高於3.40×1015 原子/立方公分。
在此情況下，可以得到電阻率最大值為約不低於7.0歐姆公分和約不高於158.5歐姆公分、電阻率最小值為約不低於6.5歐姆公分和約不高於149.8歐姆公分、並且生長軸方向的電阻率變化 率為約不高於19.6%的p型矽單晶。
如上所述，用柴可斯基方法從初始矽熔體生長的p型矽單晶含有硼(主摻雜物)、為n型雜質且偏析係數比硼低的第一副摻雜物、和為p型雜質且偏析係數比第一副摻雜物低的第二副摻雜物，該初始矽熔體中已加入硼(主摻雜物)、為n型雜質且偏析係數比硼低的第一副摻雜物、以及為p型雜質且偏析係數比第一副摻雜物低的第二副摻雜物。於是，只要矽熔體中第一副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的第一濃度比和矽熔體中第二副摻雜物濃度除以矽熔體中主摻雜物濃度計算得到的第二濃度比的範圍如第一至第六實施態樣中所述，就可以得到含有第一濃度比和第二濃度比在該範圍內的主摻雜物、第一副摻雜物、和第二副摻雜物的p型矽單晶。
現說明測定矽單晶1中所含摻雜物濃度的方法。可以用如SIMS(二次離子質譜法)之類的已知方法測定矽單晶1中硼、磷、鋁、鎵、銦和砷等作為摻雜物的元素的濃度。
應當理解，本說明書中公開的實施態樣無論從哪方面來看都是示範性與非限制性的。本發明的保護範圍由申請專利範圍之請求項所定義，而不是以上實施態樣和實施例，其旨在包括等同於申請專利範圍之請求項的範圍和含義內的任何修改。
1‧‧‧矽單晶
2‧‧‧室
3‧‧‧隔熱材料
4‧‧‧氣體供應口
5‧‧‧排氣口
6‧‧‧加熱器
7‧‧‧矽熔體
8‧‧‧坩堝
10‧‧‧矽單晶製造裝置
11‧‧‧晶錠直線部分
12‧‧‧坩堝支撐軸驅動裝置
13‧‧‧坩堝支撐軸
14‧‧‧上拉線
15‧‧‧上拉線驅動裝置
16‧‧‧晶種夾
17‧‧‧晶種
D‧‧‧生長軸
圖1所示為本實施態樣中用於製造p型矽單晶的裝置的示意性構造圖。
圖2所示為本實施態樣中製造p型矽單晶的方法的流程圖。
圖3所示為p型矽單晶電阻率與固化率之間的關係圖。

Claims (11)

  1. 一種製造p型矽單晶的方法，其包括以下步驟：- 製備一矽熔體，該矽熔體中已加入了作為主摻雜物的硼、一為n型雜質且偏析係數(segregation coefficient)比該硼低的第一副摻雜物、以及一為p型雜質且偏析係數比該第一副摻雜物低的第二副摻雜物；以及- 用柴可斯基方法(Czochralski)從該矽熔體生長一電阻率不低於6歐姆公分(Ωcm)的矽單晶，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物的濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於4.9且不大於52.4；或是其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於1.2且不大於13.4；或是 其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為銦，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於25.1且不大於261.2；或是其中：- 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於11.7且不大於72.2；或是其中：- 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於3.1且不大於18.3；或是其中：- 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為銦，並且 - 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.4，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於57.9且不大於324.0。
  2. 如請求項1的製造p型矽單晶的方法，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於24.2且不大於27.0。
  3. 如請求項1的製造p型矽單晶的方法，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於30.8且不大於33.8。
  4. 如請求項1的製造p型矽單晶的方法，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且 不大於0.81，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於6.2且不大於6.9。
  5. 如請求項1的製造p型矽單晶的方法，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於7.8且不大於8.5。
  6. 一種從矽熔體生長的p型矽單晶，其包括：- 一作為主摻雜物的硼；- 一為n型雜質並且偏析係數低於該硼的第一副摻雜物；和- 一為p型雜質並且偏析係數低於該第一副摻雜物的第二副摻雜物，- 該p型矽單晶之電阻率係不低於6歐姆公分，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係 不小於4.9且不大於52.4；或是其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於1.2且不大於13.4；或是其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為銦，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.5且不大於1.2，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於25.1且不大於261.2；或是其中：- 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於11.7且不大於72.2；或是其中： - 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.5，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於3.1且不大於18.3；或是其中：- 該第一副摻雜物為砷，該第二副摻雜物為銦，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.6且不大於1.4，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於57.9且不大於324.0。
  7. 如請求項6的p型矽單晶，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於24.2且不大於27.0。
  8. 如請求項6的p型矽單晶，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鋁，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主 摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於30.8且不大於33.8。
  9. 如請求項6的p型矽單晶，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.79且不大於0.81，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於6.2且不大於6.9。
  10. 如請求項6的p型矽單晶，其中：- 該第一副摻雜物為磷，該第二副摻雜物為鎵，並且- 由該矽熔體中該第一副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第一濃度比係不小於0.89且不大於0.91，並且由該矽熔體中該第二副摻雜物濃度除以該矽熔體中該主摻雜物濃度所計算得到的第二濃度比係不小於7.8且不大於8.5。
  11. 一種矽晶圓，其係藉由切割如請求項6至10中任一項的p型矽單晶而得。
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