通過僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠的製作方法
2023-05-02 03:13:41 2
通過僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠的製作方法
【專利摘要】本發明涉及生長包括具有偏析係數k的摻雜物材料的矽錠的方法，其中，該摻雜物濃度在整個錠是軸向實質均勻的。該方法包括下列步驟：提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區的坩鍋，以及該內部生長區和外部進料區具有可用以判定維持所使用的特定摻雜物材料的摻雜物均勻性的情況的剖面面積。同時也公開用於生長至少一個均勻摻雜矽錠的結晶生長系統。
【專利說明】通過僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠
[0001]相關申請案的交互參考
[0002]本發明主張於2011年5月6日所提出的美國臨時專利申請案第61/483，140號的利益。
【技術領域】
[0003]本發明大致涉及單晶材料的生長，且尤涉及摻雜矽的切克勞斯基(Czochralski)生長。
【背景技術】 [0004]根據切克勞斯基(Czochralski ;簡稱CZ)方法而生長單晶娃錠的技術已在過去幾十年廣泛地發展以供給矽晶圓給集成電路(IC)產業和光伏打(PV)太陽能產業。在切克勞斯基(Czochralski)方法中，由耐火材料(像是熔化的石英)組成且容納矽的坩鍋是加熱至大約1416°C的矽熔點以在坩鍋中製造矽熔化物。預定結晶定向的結晶矽的晶種被降低成幾乎沒有接觸熔化物。熔化的矽凍結在具有相同定向的晶種上。從熔化物慢慢地抽拉晶種並且繼續該工藝以生長具有直徑約200或300毫米(mm)以及長度為I米或更長的單晶矽的錠。在抽拉後，切片該錠以製造矽晶圓，然後進一步處理矽晶圓用以製造IC或PV太陽能電池。
[0005]IC產業主要地依賴批次切克勞斯基工藝(batch Czochralski process),其中，?甘鍋是初始地以具有高純度的矽碎片、碎塊、或小球裝料，然後加熱至矽熔點。通常，在生長一個矽錠後，會丟棄坩鍋並以無汙染坩鍋更換之。雖然PV太陽能產業已採用批次CZ矽晶圓，但是已提出連續式切克勞斯基(Czochralski) (CCZ)(更準確地稱為半連續式CZ)，其中，在錠的生長過程期間，坩鍋是連續地或至少間歇性地以矽原料供給，使得在坩鍋中的矽熔化物的高度維持實質固定。從坩鍋抽拉一般尺寸的錠後，通過使用新晶種或重複使用先前的晶種可以抽拉另一錠。針對像是雜質累積或坩鍋劣化等因素所決定的錠的實質數量可重複該工藝。CCZ工藝降低坩鍋的成本、增加製造生產率、而且在某些方面簡化沿著錠的長度的熱控制。然而，當生長結晶矽時，CCZ也需要直接地重新供給進入熱的坩鍋中。
[0006]晶圓(包含預定為太陽能應用的晶圓)是優先地生長摻雜成想要的導電類型和摻雜物濃度，經常僅以電阻率量測。一種導電類型的摻雜矽晶圓的製造是通過另一種導電類型的摻雜物的層的擴散或布植而允許組成P-N接面。半導體摻雜物是眾所周知，大多數是P型的硼(B)和N型的磷(P)，不過鎵(Ga)也提供許多優點作為太陽能電池的P型摻雜物。
[0007]通過在該熔化物中包含想要的摻雜物濃度，根據CZ方法可以生長摻雜矽，以及從該熔化物將摻雜物連同矽併入矽錠中。摻雜濃度相對於矽通常為遠小於I百萬分率原子(part per million atomic)。然而,偏析效應(segregation effect)使得該工藝變得複雜，若熔化物中的摻雜物的濃度是C，則在凝固錠的摻雜物濃度是kC，其中，k為偏析係數，此經常小於I且時常遠小於I。第I表列出矽的幾種摻雜物的偏析係數。
[0008]第I 表[0009]
【權利要求】
1.一種生長矽錠的方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟: i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區的坩鍋； ii)提供初始裝料在該內部生長區和該外部進料區，在該內部生長區的該初始裝料包括矽及該摻雜物材料，而在該外部進料區的該初始裝料包括矽而無摻雜物材料； iii)熔化在該內部生長區的該矽及摻雜物材料以形成熔化混合物及熔化在該外部進料區的該矽以形成矽熔化物，該熔化混合物及該矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面，其中，該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面的剖面表面積As而該坩鍋具有該熔化混合物與該矽熔化物的該上熔化表面積的總剖面表面積At ； iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及 V)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中，該方法是連續式切克勞斯基生長方法，包括以數量Mf傳遞包括矽及無摻雜物材料的進料至該外部進料區的步驟； 同時生長該矽錠至數量Mx，以及其中，
(dMF/dMx) =1 - k (At/As)。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，該坩鍋是實質圓形剖面形狀。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，該內部生長區是通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
4.一種生長矽錠的方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟: i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區的坩鍋； ii)提供初始裝料在該內部生長區和該外部進料區，在該內部生長區的該初始裝料包括矽及該摻雜物材料，而在該外部進料區的該初始裝料包括矽而無摻雜物材料； iii)熔化在該內部生長區的該矽及該摻雜物材料以形成熔化混合物及熔化在該外部進料區的該矽以形成矽熔化物，該熔化混合物及該矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面，其中，該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面的剖面表面積As而該坩鍋具有該熔化混合物與該矽熔化物的該上熔化表面積的總剖面表面積At ； iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及 V)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中，該方法是連續式切克勞斯基生長方法，包括以數量Mf傳遞包括矽及無摻雜物材料的進料至該外部進料區的步驟； 同時生長該矽錠至數量Mx，以及其中，
k(At/As)〈l 及 dMF〈dMx。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，該坩鍋是實質圓形剖面形狀。
6.根據權利要求4所述的方法，其中，該內部生長區是通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
7.—種生長矽錠的方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟: i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區的坩鍋；ii)提供初始裝料在該內部生長區和外部進料區包括矽及該摻雜物材料，在該內部生長區的該初始裝料當熔化時具有Q的摻雜物材料濃度，而該外部進料區的該初始裝料當熔化時具有Cf的摻雜物材料濃度； iii)熔化該內部生長區和外部進料區的該矽及摻雜物材料以形成具有實質相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中，該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面的剖面表面積As而該坩鍋具有該矽熔化物的該熔化混合物的該上熔化表面積的總剖面表面積At ; iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及 V)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠， 其中，該方法是批次切克勞斯基生長方法而該摻雜物材料具有實質等於O的蒸發率係數，以及其中，
(CF/CL) = [k - (As/At) ] / [1- (As/At)]。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，該摻雜物材料是硼或磷。
9.根據權利要求7所述的方法，其中，該坩鍋是實質圓形剖面形狀。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，該內部生長區是通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
11.一種生長矽錠的方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟: i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區的坩鍋； ii)提供初始裝料在該內部生長`區和外部進料區包括矽及該摻雜物材料，該初始裝料在該內部生長區當熔融時具有Q的摻雜物材料濃度而該外部進料區的該初始裝料當熔融時具有Cf的摻雜物材料濃度； iii)熔化該內部生長區和外部進料區的該矽及摻雜物材料以形成具有實質相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中，該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面的剖面表面積As而該坩鍋具有該熔化混合物的該上熔化表面積的總剖面表面積At ； iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及 V)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠， 其中，該方法是批次切克勞斯基生長方法而該摻雜物材料具有實質等於O的蒸發率係數，以及其中，
k(At/As)>l 及 CF〈CL。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，該摻雜物材料是硼或磷。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，該坩鍋是實質圓形剖面形狀。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，該內部生長區是通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
15.根據權利要求13所述的結晶生長系統，其中，該摻雜物材料是硼或磷。
16.根據權利要求13所述的結晶生長系統，其中，該坩鍋是實質圓形剖面形狀。
【文檔編號】C30B29/06GK103635613SQ201280030859
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年5月4日 優先權日:2011年5月6日
【發明者】B·K·詹森 申請人:Gt高級鋯石有限責任公司