用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置的製作方法
2023-06-06 07:19:31
專利名稱：用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置。特別涉及一種將低熔點元素(磷、砷)摻入矽熔體中的裝置，用於生長直徑8英寸及8英寸以上的摻雜矽晶體。
背景技術：
晶體矽材料常用作集成電路的初始材料，典型生產單晶矽的方法是Czochralski法(即CZ工藝)。首先將原料多晶矽熔化在石英坩堝中，在多晶矽已完全熔化並且溫度達到平衡之後，將一個晶種浸入熔體並且隨後慢慢提起，通常在提起的同時要不斷地轉動晶 體，這樣單晶就逐漸生長成比較大的矽晶體。在生長高品質的矽晶體時，一些影響晶體生長的條件必須小心地加以控制，比如溫度、壓力、提拉速度和熔體中的雜質。為了控制晶體材料的導電類型和導電能力，一些特定的雜質會被有意識地加到熔融態矽中做摻雜劑。低熔點的高純元素如磷、砷、銻作為摻雜劑被導入熔融態矽中。目前，在晶體生長過程中摻雜其它元素需要與多晶矽混合，隨後再熔化，造成部分摻雜劑的揮發損失。對於低熔點的摻雜元素，如紅磷(Red Phosphor,RP)、砷(As)、鋪(Sb)等，由於其升華溫度比較低，在矽熔化後再加入摻雜劑，可以顯著減少摻雜劑由於升華蒸髮帶來的損失，從而有利於改善晶錠的電阻率調控。在中國專利文獻01136694. X 「一種用於直拉單晶製備中的摻雜方法及其裝置」公開了一種直拉矽單晶摻雜的方法和裝置。在原料多晶矽熔化後形成的熔體上方，裝載有摻雜劑的料鬥降到熔體正上方，矽熔體的輻射熱能使料鬥中摻雜元素(磷、砷)升華，摻雜元素升華形成蒸汽吹向矽熔體表面，磷、砷擴散進入到矽的熔體。然而在該方法中裝載有摻雜劑的料鬥與單晶爐提拉軸連接，單晶爐的坩堝軸與提拉軸在同一條直線上，摻雜裝置始終對準石英坩堝中間部分的熔體表面。因此不論坩堝軸與提拉軸轉動方式(順時針、逆時針)以及轉動速度如何，由於坩堝軸與提拉軸的對中的關係決定了其摻雜裝置始終對準石英坩堝中間特定部分的熔體表面，結果是摻雜元素的蒸汽只能從坩堝中間部分矽熔體表面進入熔體。隨著單晶直徑的增大，坩堝直徑隨之增大，生長直徑8英寸的摻雜單晶要求石英坩堝的直徑24英寸。典型的配置為24英寸石英坩堝裝入120-140公斤的多晶矽。這個裝料量是6英寸以下晶體生長裝料量地3-5倍；若使8英寸晶體具有與6英寸晶體相同的電阻率，其摻雜量將增加3-5倍。對於生長直徑8英寸及直徑8英寸以上的摻雜單晶採用現有技術，為了達到熔體中要求的雜質濃度，摻雜量顯著提高。在摻雜過程中，摻雜元素氣體首先接觸表層熔體，摻雜元素通過擴散進入到表層熔體；其次通過熔體的對流運動使表層熔體中的雜質在熔體逐漸分散均勻。在單位時間內通過單位面積的矽熔體進入的摻雜元素的質量，定義為摻雜強度。摻雜強度的大小對摻雜的效率和摻雜元素在熔體內部分布是否均勻有重要影響。通常的情況是摻雜強度的小，摻雜效率高且熔體內部的雜質分布也更均勻。[0009]為了減少摻雜強度，採用多次摻雜的技術，即同樣重量的摻雜劑分為2 3份，逐次地摻入同一個坩堝的熔體中。但採用這種摻雜模式單晶爐需要進行多次3 4次隔離/淨化操作，增加了操作的複雜性。摻雜強度高時摻雜元素分布不均勻，從熔體表面逸出SiO與摻雜元素升華形成蒸汽容易結合成「顆粒」，這種「顆粒」在熔體表面，很難溶於矽的熔體，也不容易從熔體表面揮發。「顆粒」的存在，造成無位錯晶體的生長失敗和回熔次數的增加。美國專利文獻US6899760在摻雜裝置中設計了篩板，摻雜時篩板浸入到娃熔體中，摻雜結束後希望篩板將「顆粒」從熔體中帶出。但篩板必須浸入到矽熔體中，摻雜過程摻雜元素升華造成摻雜裝置內部壓力劇烈變化極易造成「噴矽」，嚴重的「噴矽」可能造成摻雜裝置的損毀。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置能增加接觸、吸收氣態摻雜元素的熔體面積、降低摻雜強度、提高摻雜效率、提高直徑8英寸及8英寸以上的摻雜矽晶體無位錯收率，並能提高摻雜元素分布的均勻性。為實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案·一種用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成，該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，該摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，該摻雜單元相對於石英坩堝的軸線處於偏心狀態。作為本實用新型的一種優選方案，所述摻雜裝置具有兩個摻雜單元，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。所述兩個摻雜單元呈180度分布，相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度可以相同，也可以不同。作為本實用新型的另一種優選方案，所述摻雜裝置具有三個摻雜單元，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。所述三個摻雜單元呈120度分布，三個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同、或者其中兩個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同、或者三個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度各不相同。本實用新型的優點在於本實用新型採用具有兩個或三個摻雜單元的組合式摻雜裝置，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。在摻雜過程中，由於石英坩堝旋轉作用，摻雜單元下方熔體面積更新加快、增加了吸收氣態摻雜元素的熔體有效面積，降低了摻雜強度，提高了摻雜的均勻性，進而提聞了直徑8英寸及8英寸以上的慘雜娃晶體無位錯收率。
圖I為本實用新型實施例I的摻雜裝置的結構示意圖。圖2為本實用新型實施例2的摻雜裝置的結構示意圖。[0022]圖3為本實用新型實施例3的摻雜裝置的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明，但並不意味著對本實用新型保護範圍的限制。實施例I如圖I所示，摻雜裝置具有兩個摻雜單元，該兩個摻雜單元分布在提拉軸的兩側，並且相對石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同。在摻雜過程中每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。本實施例採用該摻雜裝置向120kg矽熔體中摻入720g元素砷(As),具體摻雜過程為將720g元素砷(As)均分為兩份,每份摻雜劑重360g,分別裝入圖I所示兩個高度相同的摻雜單元內進行摻雜，摻雜時石英坩堝順時針旋轉，轉速為I 3rpm。兩個摻雜單元內的元素砷(As)在大約6 8分鐘汽化、升華完畢。測定相對吸收面積和摻 雜相對強度，摻雜效果如表I所示。實施例2如圖2所示，摻雜裝置具有兩個摻雜單元，該兩個摻雜單元分布在提拉軸的兩側，並且相對石英坩堝內熔體液面的垂直高度不同。在摻雜過程中每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。本實施例採用該摻雜裝置向120kg矽熔體中摻入720g元素砷(As),具體摻雜過程為將720g元素砷(As)均分為兩份,每份摻雜劑重360g,分別裝入圖2所示兩個高度不相同的摻雜單元內進行摻雜，摻雜時石英坩堝順時針旋轉，轉速為I 3rpm。大約5 6分鐘後相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度低的摻雜單元內的元素砷(As)升華完畢；8 10分鐘後相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度更高的摻雜單元內元素砷(As)也升華完畢。測定相對吸收面積和摻雜相對強度，摻雜效果如表I所示。實施例3如圖3所示，摻雜裝置具有三個摻雜單元，該三個摻雜單元之間對稱分布在提拉軸的周圍，並且相對石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同。在摻雜過程中每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。本實施例採用該摻雜裝置向120kg矽熔體中摻A 720g的元素砷(As),具體摻雜過程為將720g元素砷(As)均分為三份,每份摻雜劑重240g，分別裝入圖3所示三個高度相同的摻雜單元內進行摻雜，摻雜時石英坩堝順時針旋轉，轉速為I 3rpm。三個摻雜單元內的元素砷(As)在大約5 6分鐘汽化、升華完畢。測定相對吸收面積和摻雜相對強度，摻雜效果如表I所示。對比實施例採用具有單一摻雜單元的摻雜裝置，該摻雜單元的軸線與石英坩堝的軸線重合，該摻雜單元距離石英坩堝內熔體液面的垂直高度與實施例I的摻雜裝置的高度相同。採用該摻雜單元向120kg矽熔體中摻入720g元素砷(As)。將720g元素砷(As)全部裝入該摻雜單元內，摻雜時石英相■禍順時針旋轉，轉速為I 3rpm。720g元素As在8 10分鐘升華完畢。測定相對吸收面積和摻雜相對強度，摻雜效果如表I所示。表I實施例1-3及對比實施例的摻雜效果比較
權利要求1.一種用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成，該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，其特徵在於摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，即摻雜單元相對於石英坩堝的軸線處於偏心狀態。
2.根據權利要求I所述的用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特徵在於所述摻雜裝置具有兩個摻雜單元，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。
3.根據權利要求2所述的用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特徵在於所述兩個摻雜單元呈180度分布，相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同。
4.根據權利要求2所述的用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特徵在於所述兩個摻雜單元呈180度分布，相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度不同。
5.根據權利要求I所述的用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特徵在於所述摻雜裝置具有三個摻雜單元，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。
6.根據權利要求5所述的用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特徵在於所述三個摻雜單元呈120度分布，三個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同、或者其中兩個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度相同、或者三個摻雜單元相對所述石英坩堝內熔體液面的垂直高度各不相同。
專利摘要本實用新型公開一種用於生長摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成。該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，但摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，該摻雜單元相對於石英坩堝的軸線處於偏心狀態。本實用新型的摻雜裝置具有兩個或三個摻雜單元，每個摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個摻雜單元相對於石英坩堝的軸線均處於偏心狀態。在摻雜過程中，由於石英坩堝旋轉作用，摻雜單元下方熔體面積更新加快、增加了吸收氣態摻雜元素的熔體有效面積，降低了摻雜強度，提高了摻雜的均勻性，進而提高了直徑8英寸及8英寸以上的摻雜矽晶體無位錯收率。
文檔編號C30B29/06GK202430327SQ20112050311
公開日2012年9月12日 申請日期2011年12月6日 優先權日2011年12月6日
發明者方峰, 王學峰, 鄧德輝, 鄭沉, 高朝陽 申請人:國泰半導體材料有限公司, 有研半導體材料股份有限公司