CN102162124B - 一种提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性的方法，所述方法包括如下次序的步骤：（1）随着硅单晶的生长进度调整炉压，随着单晶的生长，炉压由高到低逐步降低，且炉压最高为70torr，最低为10torr；（2）执行步骤（1）同时调整Ar气流量，Ar气流量逐步提高，且流量最高为80slpm，最低为20slpm；本方法的优点是：提高了重掺砷硅单晶的轴向电阻率均匀度：（ρ_max-ρ_min）/ρ_min＜28%；降低了扩散层掺杂剂砷的浓度，降低了组分过程发生的可能性，提高了成晶率。

Description

一种提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性的方法

技术领域

    本发明涉及半导体硅单晶生产技术领域，特别涉及一种提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性的方法。

背景技术

    在半导体硅单晶生产中常加入一定量的掺杂剂以满足对其电性能的要求，常见的掺杂剂有：硼、磷、砷和锑。由于掺杂剂在硅单晶生长的固液界面存在偏析现象，由于偏析系数k₀=C_s/C_l＜1（C_s为掺杂剂在固相中的浓度，C_l为掺杂剂在液相中的浓度），即掺杂剂在固相中的溶解度小于其在液相中的溶解度，所以在晶体生长的固液界面处会析出一部分固相中的掺杂剂，这些掺杂剂经由扩散层进入到硅熔体中。硅熔体中的掺杂剂浓度会随着晶体的生长而越来多高，晶棒越靠后，其掺杂剂浓度越高，而电阻率越低。

    上述现象造成的结果是：由于单晶轴向电阻率的不同，一颗单晶就会有部分脱档，仅有一部分满足生产的要求，造成材料的浪费。同时由于固液界面处会析出掺杂剂，使得扩散层中的掺杂剂浓度比固相和液相中的掺杂剂浓度都高，一旦温度发生波动，很容易发生组成过冷而导致多晶的产生而断苞。因此，在半导体硅单晶生产中如何提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性仍然有着研究和改进的空间。

发明内容

    本发明的目的就是为克服现有技术的不足，针对重掺砷单晶轴向电阻率均匀性存在的问题，提供一种解决方案，本方案可有效地提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性。

    本发明是通过这样的技术方案实现的：一种提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀

性的方法，其特征在于，所述方法包括如下次序的步骤：

步骤一、随着硅单晶的生长进度调整炉压，随着单晶的生长，炉压由高到低逐步降  

     低，且炉压最高为70torr，最低为10torr；

步骤二、执行步骤一过程的同时调整Ar气流量，Ar气流量逐步提高，且流量最

     高为80slpm，最低为20slpm；

步骤三、执行步骤一和步骤二过程中：

当硅单晶的生长长度为10%时，炉压为70 torr；Ar气流量为20 slpm；

当硅单晶的生长长度为20%时，炉压为67.5torr；Ar气流量为34.6 slpm；

当硅单晶的生长长度为30%时，炉压为64 torr；Ar气流量为44.4 slpm；

当硅单晶的生长长度为40%时，炉压为60.5 torr；Ar气流量为51.2 slpm；

当硅单晶的生长长度为50%时，炉压为55.7 torr；Ar气流量为58.3 slpm；

当硅单晶的生长长度为60%时，炉压为50 torr；Ar气流量为63.1 slpm；

当硅单晶的生长长度为70%时，炉压为43.8 torr；Ar气流量为68 slpm；

当硅单晶的生长长度为80%时，炉压为35 torr；Ar气流量为72.7 slpm；

当硅单晶的生长长度为90%时，炉压为24 torr；Ar气流量为77.1 slpm；

当硅单晶的生长长度为100%时，炉压为10 torr；Ar气流量为80 slpm；

     获得的重掺砷硅单晶的轴向电阻率均匀度：（ρ_max-ρ_min）/ρ_min＜28%。

    本发明的采用根据硅单晶的生长进度来调整炉压和Ar气流量的工艺方法，通过控制炉压来控制掺杂剂As的挥发速度，使得从扩散层析出的多余As掺杂剂挥发进入气氛中并被As气带离炉体，这样就可以使熔体中的掺杂剂As浓度维持在一个较为稳定的范围内。其优点是：有效的提高了重掺砷硅单晶的轴向电阻率均匀度：（ρ_max-ρ_min）/ρ_min＜28%；降低了扩散层掺杂剂砷的浓度，降低了组分过程发生的可能性，提高了成晶率。

具体实施方式

    为了更清楚的理解本发明，结合实施例详细描述本发明：

    实施例：为达到提高重掺砷单晶轴向电阻率均匀性的目的，本发明采用根据硅单晶的生长进度调整炉压和Ar气流量的工艺方法，通过控制炉压来控制掺杂剂As的挥发速度（相同温度下，多组分系统中溶质的饱和蒸汽压恒定；外压越小溶则质挥发程度越大，反之则越小），使得从扩散层析出的多余As掺杂剂挥发进入气氛中并被As气带离炉体，这样就可以使熔体中的掺杂剂As浓度维持在一个较为稳定的范围内。

    由于随着硅单晶的生长，液相的硅熔体不断减少而固相的硅单晶不断增多，这就使得热场在不断地发生变化。在实际生产中发现，随着单晶的生长热场纵向温度梯度会提高，所以晶体生长速度变快。那么随着硅单晶的生长，掺杂剂As由固相硅进入扩散层的速率在逐渐增加，这样就必须相应地降低炉压和提高Ar流量以提高掺杂剂As的挥发速度，以维持硅熔体中掺杂剂As浓度的相对稳定。经过30余次的生产试验，所以本发明最终择优采用以下技术方案：

    随着单晶的生长，炉压由高到低逐步降低，且炉压调整范围为：10torr≤炉压≤70torr；最低炉压≥10torr。同时Ar气流量逐步提高，且流量调整范围为：  

20slpm≤Ar气流量≤80slpm；

    下表就是一种可行的炉压和Ar气流量变化。首先将SOP（Standard Operation Procedure标准作业程序）中炉压和Ar气流量按照下表进行设定：

硅单晶的生长长度	炉压/torr	Ar气流量/slpm
			10%	70	20
20%	67.5	34.6
			30%	64	44.4
40%	60.5	51.2
			50%	55.7	58.3
60%	50	63.1
			70%	43.8	68
80%	35	72.7
			90%	24	77.1
100%	10	80

    随后的操作与常规拉制重掺硅单晶的方法一致：首先将石英坩埚放入石墨坩埚中，多晶硅物料及硼硅合金装入石英坩埚内，换好要求的籽晶，关闭炉体，抽真空后加热升温将多晶硅全部熔化。

    然后隔离副室并充Ar将炉门打开，将掺杂剂砷投入到石英小碗中，将小碗挂在石英钟罩内，并挂在钢丝绳上。隔离置换后降低石英钟罩，石英钟罩置于熔体液面处，等掺杂剂砷全部升华扩散后，稳定5小时使得As充分扩散进入到熔体中。取出石英钟罩并隔离置换后，调整埚转为2r/min、晶转为8r/min。下降籽晶至熔体液面处，使之充分接触并缓慢降低温度，当隐约看见苞时，则说明温度适当。这时调整夹头拉速进行引晶，直径保持在5±0.3mm。

    之后降低夹头拉速至0.4mm/min进行缓慢扩肩，之后提高拉至2mm/min进行转肩，完成转肩后，以2mm/min的拉速使晶体等径生长，同时设定埚跟比为1：0.2，稳定20mm后转为自动控制。

    最后在剩余硅熔体不多时增加温补同时保持拉速不变进行收尾，尾部收尖且长度大于直径长度，最后形成倒圆锥状的尾部以留出足够的反位错余量。等晶体冷却后即可将晶体取出。

    本发明的优势在于：提高了重掺砷硅单晶的轴向电阻率均匀度：（ρ_max-ρ_min）/ρ_min＜28%；降低了扩散层掺杂剂砷的浓度，降低了组分过程发生的可能性，提高了成晶率。

    根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (1)

1. 一种提高重掺砷硅单晶轴向电阻率均匀性的方法，其特征在于，随着硅单晶的生长进度调整炉压，炉压由高到低逐步降低，且炉压最高为70torr，最低为10torr；同时调整Ar气流量，Ar气流量逐步提高，且流量最高为80slpm，最低为20slpm；在所述硅单晶的生长过程中，

当硅单晶的生长长度为10%时，炉压为70 torr；Ar气流量为20 slpm；

当硅单晶的生长长度为20%时，炉压为67.5torr；Ar气流量为34.6 slpm；

当硅单晶的生长长度为30%时，炉压为64 torr；Ar气流量为44.4 slpm；

当硅单晶的生长长度为40%时，炉压为60.5 torr；Ar气流量为51.2 slpm；

当硅单晶的生长长度为50%时，炉压为55.7 torr；Ar气流量为58.3 slpm；

当硅单晶的生长长度为60%时，炉压为50 torr；Ar气流量为63.1 slpm；

当硅单晶的生长长度为70%时，炉压为43.8 torr；Ar气流量为68 slpm；

当硅单晶的生长长度为80%时，炉压为35 torr；Ar气流量为72.7 slpm；

当硅单晶的生长长度为90%时，炉压为24 torr；Ar气流量为77.1 slpm；

当硅单晶的生长长度为100%时，炉压为10 torr；Ar气流量为80 slpm；

获得的重掺砷硅单晶的轴向电阻率均匀度：（ρ_max-ρ_min）/ρ_min＜28%。