專利名稱：一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法及增氧器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶與固體材料接觸的摻雜工藝及裝置，更具體地說(shuō)是一種生產(chǎn)單晶硅棒時(shí)，提高摻雜氧的方法及裝置。
直拉硅單晶棒將被加工成表面潔凈的拋光片，后者是制造集成電路芯片和電子元件的基礎(chǔ)材料。氧在硅晶體中具有雙重性，其優(yōu)點(diǎn)是可以增加硅薄片的強(qiáng)度，氧含量很低的硅片將易于破碎和形變。此外，電路制造中利用特殊熱處理工藝(如高—低—高)可以使接觸電子元件的硅表層(常稱有源區(qū))產(chǎn)生基本無(wú)缺陷的潔凈區(qū)，同時(shí)在硅片深處形成缺陷(如氧沉淀)，可以吸引硅中的不良雜質(zhì)(如金屬離子)，可以提高硅基的少數(shù)載流子壽命，俗稱“內(nèi)吸雜”。氧在硅基中的不利于之處在于如氧生缺陷(如氧沉淀，層錯(cuò)等)在電子器件制造過(guò)程中出現(xiàn)在硅片的正表面(有源區(qū))，則可能使電子器件的漏電流加大，或產(chǎn)生局部擊穿，此時(shí)電子器件之功能不能維持?；谶@種原因，器件制造者要求直拉法制造的硅單晶中的氧濃度在它們所需要的范圍內(nèi)，且氧濃度沿晶棒直徑方向分布均勻。
直拉硅單晶中的氧主要來(lái)源于石英坩堝與熔融硅的反應(yīng)。反應(yīng)的過(guò)程可以用以下式表示表示是原子態(tài)的氧，它溶解在硅熔體中。硅晶體生長(zhǎng)時(shí)氧會(huì)從固液界面進(jìn)入晶體的晶格中，其中大部分處在硅原子晶格之間(或稱為間隙氧)，少部分以其它形式存在，如氧沉淀、硅氧團(tuán)等。
一般直拉法制造的硅單晶中的氧濃度為22-36ppma(老ASTM標(biāo)準(zhǔn))，高于此氧濃度要求的硅單晶一般很難制造。如上所述，內(nèi)吸雜有時(shí)要較高氧濃度的硅晶體，另外低電阻率N型硅單晶中由于特定原因，使得晶體中氧濃度較一般電阻率范圍的硅單晶中的氧濃度為低，因此產(chǎn)生增加硅單晶中氧濃度的需要。增加直拉法制造硅單晶中氧濃度有幾種方法。
用調(diào)整石英坩堝轉(zhuǎn)速和熱場(chǎng)的方法可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)硅晶體中的氧濃度。但這種方法仍只能控制硅晶體中的氧的濃度在22-36ppma以內(nèi)。
在采用施加縱向磁場(chǎng)增加硅單晶體中氧濃度的報(bào)道。但這種方法的缺點(diǎn)是使氧在沿晶體直徑方向的分布變得很不均勻，并且在晶體內(nèi)引出許多晶格缺陷。
MEMC電子材料有限公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利“控制重?fù)戒R或砷的硅片中氧含量的方法和裝置”(申請(qǐng)?zhí)枮?7122810.8，公告號(hào)CN1188821A)，它的增氧原理是通過(guò)特殊的裝置，增加生長(zhǎng)室氣氛中的一氧化硅氣體的分壓，抑制硅熔體中氧的揮發(fā)，保持硅熔體中的氧在相對(duì)高的水平，從而提高了硅晶體中的氧含量。采用這種方法后，由于生長(zhǎng)室氣氛的壓力增大了，使得生長(zhǎng)室內(nèi)的一氧化硅沉結(jié)物增多了，硅單晶產(chǎn)生位錯(cuò)(一種硅單晶的晶格缺陷)的機(jī)會(huì)增加了，對(duì)穩(wěn)定生長(zhǎng)硅晶體不利。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是研究出一種裝置，使得本發(fā)明的提高直拉硅單晶棒中氧含量方法得以實(shí)現(xiàn)。
直拉硅單晶中的氧主要來(lái)自硅熔體，而硅熔體中的氧是來(lái)自石英坩堝的內(nèi)壁與融熔硅的化學(xué)反應(yīng)。
原子態(tài)氧進(jìn)入融熔硅中，而進(jìn)入融熔硅中的氧多少主要取決于石英坩堝內(nèi)壁與融熔硅接觸表面積的大小有關(guān)。此外，還與硅熔體的流動(dòng)方式有關(guān)?？梢娙绾螖U(kuò)大石英材料與融熔硅的接觸表面積和控制硅熔體的流動(dòng)方式是提高直拉硅單晶棒中氧含量的關(guān)鍵因素。為此，在石英坩堝的硅熔體中放置一個(gè)半導(dǎo)級(jí)石英材料制成的裝置——增氧器，使得石英材料與融熔硅的接觸面積增大。另一方面，由于增氧器的加入，也改變了硅熔體的流動(dòng)方式，使得石英坩堝內(nèi)的增氧器與石英堝內(nèi)壁比較接近的部分——硅的富氧體，更易于流向硅單晶的生長(zhǎng)面，易于長(zhǎng)到硅晶體中，而增加了晶體硅棒中氧的含量。
直拉硅單晶的方法——切克勞斯基(Czochralski)法及所用的設(shè)備單晶爐是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。操作順序是先將石英坩堝16放入石墨制的石英坩堝支持器14內(nèi)，把多晶硅材料放入石英坩堝內(nèi)，裝上特定晶向的籽晶，合上爐室，并抽真空至1.33×103-1.33×104pa，然后加熱使硅熔化，等硅完全熔化后，逐步降低熔硅的溫度至硅的熔點(diǎn)附近(1420℃)。讓石英坩堝和籽晶反向旋轉(zhuǎn)，石英堝轉(zhuǎn)速為4-20轉(zhuǎn)/分，籽晶轉(zhuǎn)速為10-30轉(zhuǎn)/分。將硅籽晶慢慢下降，并與熔硅接觸，然后以50-300毫米/小時(shí)的速度向上提升籽晶，此過(guò)程的目的主要是消除籽晶中因熱沖擊形成的位錯(cuò)缺陷。待籽晶提升達(dá)100-300毫米長(zhǎng)時(shí)，將提升速度減慢至10-50毫米/小時(shí)，同時(shí)使熔體的溫度降低2-5℃，使籽晶直徑長(zhǎng)大，當(dāng)籽晶直徑增大到此目標(biāo)直徑約低10毫米左右時(shí)，增加提升速度至70-250毫米/小時(shí)，使晶體近乎等直徑生長(zhǎng)。在石英堝內(nèi)存儲(chǔ)硅料不多時(shí)(5-30千克)，再提高提升速度(提高約10％)，同時(shí)適當(dāng)增加加熱功率，使晶體直徑變化至一個(gè)倒錐形，當(dāng)錐尖足夠小時(shí)，它會(huì)脫離熔體，這時(shí)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束。等晶體冷卻到近乎室溫時(shí)，可將晶體取下。
所生產(chǎn)出來(lái)的硅單晶棒具有一個(gè)中心軸，一個(gè)籽晶端錐體和一個(gè)尾端錐體，在這兩個(gè)錐體之間是近乎恒定直徑的圓柱體。
本發(fā)明的一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法，首先將用石英制成的增氧器2，置于石英坩堝16的底部，在增氧器2上加入作為原料的多晶硅，在加熱作為原料的多晶硅熔化過(guò)程中，增氧器與石英坩堝的內(nèi)壁熔接在一起，石英制的增氧器在整個(gè)硅單晶拉制過(guò)程中保持在硅熔體中，石英制增氧器的石英表面增大了石英材料表面與融熔硅的表面接觸，更多的原子態(tài)的氧進(jìn)入硅熔體中，增大了硅單晶棒中氧的含量。
石英制的增氧器2以置于石英坩堝底部中心為佳。增氧器2由半導(dǎo)體級(jí)石英制成。在增氧器2上放入作為原料的多晶硅，多晶硅可以是塊狀，也可以是小顆粒狀。
本發(fā)明的提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法，更適用于增加低電阻率硅晶體中氧的濃度(氧含量)。
本發(fā)明的一種用于提高直拉硅單晶棒中氧含量的增氧器，為用石英制成的圓臺(tái)狀體、圓柱狀體、圓形環(huán)狀體其中的一種。
制作圓臺(tái)狀體、圓柱狀體、圓形環(huán)狀體增氧器時(shí)，所用的石英為半導(dǎo)體級(jí)石英。所說(shuō)的圓柱狀體增氧器的高5-70mm，其截面圓的直徑為50-200mm；圓臺(tái)狀體增氧器的高為5-70mm，圓臺(tái)狀體增氧器的上頂面的直徑與底面的直徑之比為1∶2-2.5；圓環(huán)狀體增氧器的高為5-70mm，其壁厚為2-20mm，外直徑為50-200mm。
由于增氧器在拉制硅單晶的過(guò)程中，一直保持在硅熔體中，更增大了石英與硅熔體的接觸面積，而且由于增氧器的加入，又改變了硅熔體的流動(dòng)方式，使得石英坩堝內(nèi)與增氧器的表面，石英坩堝內(nèi)壁比較近的富氧硅熔體更易于流向硅單晶的生長(zhǎng)界面，易于長(zhǎng)到硅晶體中，而增大了晶體硅棒中氧的含量。
本發(fā)明的一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法及其增氧器的優(yōu)點(diǎn)就在于1.由于在拉制單晶硅棒的過(guò)程中，在石英坩堝中放置了增氧器，增加了直拉硅單晶中的氧含量，同時(shí)也不破壞氧在沿晶體直徑方向的均勻分布，不產(chǎn)生過(guò)度的晶體缺陷，見表1。
表1幾種增氧方法的特性比較增氧方法A)調(diào)整石英坩堝轉(zhuǎn)速和熱場(chǎng)B)施加縱向磁場(chǎng)C)用本發(fā)明的增氧器適用范圍A)氧濃度為22-36ppma(老ASTM標(biāo)準(zhǔn))B)氧濃度為26-38ppma(老ASTM標(biāo)準(zhǔn))，但使氧在沿晶體直徑方向的分布變得很不均勻，并且在晶體內(nèi)引生出許多缺陷。
C)氧濃度為30-42ppma(老ASTM)，氧在沿晶體直徑方向的分布均勻，不在晶體內(nèi)引出許多缺陷。
綜合評(píng)價(jià)A)增氧效果一般，中氧濃度B)可增氧，但影響硅晶體的質(zhì)量。
C)增氧效果顯著，且不影響硅晶體的質(zhì)量。
2.本發(fā)明的方法所用的多晶硅原料可以是塊狀，亦可以是小顆粒狀，所用原料的種類廣泛。
3.本發(fā)明的增氧器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，又能達(dá)到增加直拉硅單晶中氧含量的優(yōu)良效果。
四


圖1切克勞斯基(直拉)法制造單晶硅的單晶爐剖面示意圖，在圖中省略了支承結(jié)構(gòu)、爐蓋、晶體提拉艙室、提拉桿、視窗部分。單晶爐的外殼由不銹鋼制成。
圖中，1為籽晶，3為硅單晶棒，4為上蓋，5為碳保溫材料，6為溫度信號(hào)孔，7為石墨發(fā)熱體，8為晶體生長(zhǎng)室，9為排氣口，10為防漏盤，11為石墨中軸，12為碳保溫層，13為硅熔體，14為石墨制的石英坩堝支持器，16為石英坩堝，17為保溫筒，18為底座。
圖2裝多晶硅原料時(shí)，在石英坩堝中增氧器放置示意圖。圖中，2為增氧器，4為上蓋，5為碳保溫材料，6為溫度信號(hào)孔，7為石墨發(fā)熱體，8為晶體生長(zhǎng)室，9為排氣口，10為防漏盤，11為石墨中軸，12為碳保溫層，13’多晶硅原料，14石墨制的石英坩堝支持器，16為石英坩堝，17保溫筒，18為底座。
圖3硅單晶生長(zhǎng)時(shí)增氧器位置示意中，1為籽晶，2為增氧器，3為硅單晶，4為上蓋，5為碳保溫材料，6為溫度信號(hào)孔，7為石墨發(fā)熱體，8為晶體生長(zhǎng)室，9為排氣口，10為防漏盤，11為石墨中軸，12為碳保溫層，13為硅熔體，14為石墨制石英坩堝支持器，16為石英坩堝，17為保溫筒，18為底座。
圖4圓臺(tái)狀體增氧器示意圖；圖5圓柱狀體增氧器示意圖；圖6圓形環(huán)狀體增氧器示意圖。
(五)具體實(shí)施例以下用非限定性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種提高直拉硅單晶棒中氧含量方法及其增氧器作進(jìn)一步的說(shuō)明，將有助于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更深入的了解，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求決定。
實(shí)施例1在本實(shí)施例中首先將用半導(dǎo)體級(jí)石英制成的圓臺(tái)狀體的增氧器置于石英坩堝16的底部中心，在增氧器上加入作為原料的多晶硅60公斤，在加熱多晶硅的熔化過(guò)程中，增氧器與石英坩堝內(nèi)壁熔接在一起，裝上特定晶向的籽晶，合上爐室，并抽真空至5.0×103pa，然后加熱使多晶硅熔化，多晶硅熔化后增氧器保持在石制硅熔體中，在整個(gè)拉制硅單晶過(guò)程中增氧器也保持在熔體中，逐步降到熔硅的熔點(diǎn)附近(1420℃)，使石英坩堝和籽晶反向旋轉(zhuǎn)，石英坩堝轉(zhuǎn)速為10轉(zhuǎn)/分，籽晶轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分。將硅籽晶慢慢下降，并與熔硅接觸，然后以60mm/hr的速度向上提升籽晶，待籽晶提升達(dá)110mm長(zhǎng)時(shí)，將提升速度減慢至25mm/小時(shí)，同時(shí)使硅熔體的溫度降低3℃(一般在2-5℃)，使籽晶直徑長(zhǎng)大，當(dāng)籽晶直徑增大到比目標(biāo)直徑約低10mm時(shí)，增加提升速度至100mm/hr，使晶體近乎等直徑生長(zhǎng)。在石英坩堝內(nèi)存儲(chǔ)硅料不多時(shí)約10千克，再提高提升速度(提高約10％)，同時(shí)適當(dāng)增加加熱功率，使晶體直徑變化至一個(gè)倒錐形，當(dāng)?shù)瑰F形足夠小時(shí)，它會(huì)脫離硅熔體，這時(shí)晶體的生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束，等晶體冷卻到近乎室溫時(shí)，可將晶體取下，用87年ASTM的測(cè)定氧含量的方法，測(cè)定氧的含量。硅單晶棒中頭部氧濃度為42ppma。
本實(shí)施例中所用的半導(dǎo)體級(jí)制的增氧器為圓柱狀體，其高為70mm，其截面的直徑為200mm。
實(shí)施例2其操作方法及設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是增氧器沒有放置在石英坩堝的底部中心，硅單晶棒中頭部氧的濃度為37ppma。
實(shí)施例3其操作方法及設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是所用的半導(dǎo)體級(jí)石英制的增氧器為圓臺(tái)狀體，圓臺(tái)狀體的高為32mm，圓臺(tái)狀體的上頂面的直徑為10mm，其底面直徑為20mm，它們的直徑比為1∶2。硅單晶棒中頭部氧的濃度為39.0ppma。
實(shí)施例4其操作方法及設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是所用的半導(dǎo)體級(jí)石英制的增氧器為圓環(huán)狀體，其高為5mm，其壁厚2mm，外徑50mm。硅單晶棒中頭部氧的濃度為30ppma。
實(shí)施例5其操作方法及設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是所用的半導(dǎo)體及石英制增氧器為圓環(huán)狀體，其高為10mm，其壁厚為20mm，其外直徑200mm。硅單晶棒中頭部氧的濃度為38ppma。
實(shí)施例6其操作方法及設(shè)備基本同實(shí)施例1，唯不同的是所用的半導(dǎo)體級(jí)石英制增氧器為圓環(huán)狀體，其高70mm，其壁厚10mm，其外直徑為90mm。硅單晶棒中頭部氧為39ppma。
權(quán)利要求
1.一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法，其特征是，先將用石英制成的增氧器(2)，置于石英坩堝(16)的底部，在增氧器(2)上加入作為原料的多晶硅，在加熱作為原料的多晶硅熔化過(guò)程中，增氧器與石英坩堝的內(nèi)壁熔接在一起，石英制的增氧器在整個(gè)硅單晶拉制過(guò)程中保持在硅熔體中，石英制的增氧器的石英表面增大了石英材料表面與融熔硅的表面接觸，更多的原子態(tài)的氧進(jìn)入硅熔體中，增大了硅單晶棒中的氧含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法，其特征是，增氧器(2)置于石英坩堝(16)底部中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法，其特征是，作為原料的多晶硅為塊狀或小顆料狀。
4.一種用于提高直拉硅單晶棒中氧含量的增氧器，其特征是，增氧器為用石英制成的圓臺(tái)狀體，圓柱狀體，圓形環(huán)狀體其中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種用于提高直拉硅單晶棒中含氧量的增氧器，其特征是，增氧器用半導(dǎo)體級(jí)石英制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的一種用于提高直拉硅單晶棒中含氧量的增氧器，其特征是，圓柱狀體增氧器高5-70mm，其截面的圓直徑為50-200mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的一種用于提高直拉硅單晶棒中含氧量的增氧器，其特征是，圓臺(tái)狀體增氧器的高為5-70mm，其上頂面的直徑與底面的直徑之比為1∶2-2.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的一種用于提高直拉硅單晶棒中含氧量的增氧器，其特征是，圓環(huán)狀體增氧器高為5-70mm，其壁厚2-20mm，外直徑為50-200mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)單晶硅棒時(shí)，提高摻雜氧的方法及裝置。為一種提高直拉硅單晶棒中氧含量的方法及增氧器?？捎糜谠黾又崩ü鑶尉е械难鹾俊１痉ㄊ怯檬⒅频脑鲅跗髦糜谑③釄宓牡撞?，在增氧器上加入多晶硅，在加熱熔化多晶硅時(shí)，增氧器與石英坩堝熔接在一起，增氧器在整個(gè)硅單晶拉制過(guò)程中，保持在硅熔體中。所說(shuō)的增氧器為石英制的圓臺(tái)狀體、圓柱狀體、圓形環(huán)狀體其中的一種。本法增加了直拉硅單晶中的氧含量，不破壞氧在沿晶體直徑方向的分布，不產(chǎn)生過(guò)度的晶體缺陷。多晶硅可為塊狀，也可以是小顆粒狀。增氧器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，增加含氧量的效果顯著。
文檔編號(hào)C30B15/04GK1414148SQ01136769
公開日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2001年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月24日
發(fā)明者屠海令, 周旗鋼, 張果虎, 戴小林, 吳志強(qiáng), 方鋒 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司