[其他]重掺锑硅单晶的制造方法

说明书

一种以纯氮作为保护气氛的重掺锑硅单晶的制造方法，其特征在于熔硅、掺锑、拉晶过程中所采用的氮气保护气氛为减压－－常压－－减压的保护气氛。采用这种方法制造的重掺锑硅单晶的制造成本比充氩保护制造重掺锑硅单晶的方法可降低成本１５－２０％，提高成品率１０％以上，产品质量稳定。

本发明涉及保护流体下的单晶生长技术。

重掺锑硅单晶，特别是电阻率为10^-2-10^-3Ω·cm的重掺锑硅单晶是制作晶体管和集成电路所需的外延片衬底的重要材料，同其他V族元素相比，锑在硅的扩散系数最小，因而它在硅半导体器件工艺中所能产生有害的自扩散效应最小，所以重掺锑硅单晶在硅材料中占有重要的地位。

由于锑和硅的物理性质注定了制造重掺锑硅单晶比制造普通的硅单晶困难得多，主要原因是生长重掺锑硅单晶所需掺锑的浓度约为10¹⁹/cm²，接近于锑在硅中的饱和溶解度，同时锑在硅熔点（1420℃）附近的饱和蒸汽压接近一个大气压，在熔硅温度下锑会迅速挥发，给制造重掺锑硅单晶带来许多困难。目前拉制重掺锑硅单晶多在常压氩气氛中进行的，采用锑硅共熔，或把锑通过掺杂器加入熔硅中，或用预制好的硅锑合金与硅共熔来制造重掺杂锑硅单晶。常压下拉制重掺锑硅单晶耗用大量价格较高的氩气，这是电重掺锑硅单晶的制造成本高于普通硅单晶一倍以上主要因素之一。

CN85100295专利报导了采用氮保护气氛制造直拉（切氏法）硅单晶的方法，可大幅度地降低直拉（切氏法）硅单晶的成本。但欲按照该方法充氮减压气氛下实现拉制重掺锑硅单晶是不可能的，因为减压气氛的条件下若用锑硅共熔法，则在硅熔化之前，锑已挥发殆尽;若在硅熔化后再掺入锑，则产生锑的急剧挥发致使熔硅溅出造成事故。若在常压氮气氛下拉制硅单晶，熔硅将被氮化而折出氮化硅，无法生长重掺锑硅单晶。

至于重掺锑硅单晶生长的其他参数，早在七十年代就有报导，如1979年公开的“全国硅材料经验交流会资料汇编”。随着晶体直径的增大，拉速、晶转、埚转都略有下降，一般＊＊拉速为0.8～1.2毫米/分，晶体转速15～35转/分，坩埚的直径比约为1∶3，温度精度优于±0.5℃。

本发明的任务在于采用纯氮作为保护气氛条件下，寻求一种适合于制造重掺锑硅单晶的方法，在保证产品完全符合使用要求的前提下大幅度地降低制造重掺锑硅单晶的成本。

本发明的以纯氮作为保护气氛的重掺锑硅单晶的制造方法，所采用的氮气纯度为99.999%以上，直拉重掺锑硅单晶过程中不同阶段所采用的氮气压力和氮气流量值各不相同。因为Si、N₂、SiN系统中氮的平衡蒸汽压很低，为防止熔硅氮化，切氏拉晶必须在减压条件下进行，而锑在熔硅温度时的饱和蒸汽压又接近于常压，只有在常压条件下将锑通过掺杂器加入熔硅中才不致于迅速挥发，避免锑在熔硅中形成气泡逸出造成硅液溅出事故的发生。

本发明对原充氩保护气氛制造直拉（切氏法）重掺锑硅单晶方法作如下重大改进。

1.拉晶过程中采用纯度为99.999%的氮气作为拉晶保护气氛;

2.使硅在减压条件下熔化，此时控制进入单晶炉内的氮气流量为5-40升/分，炉内氮气压力保持10～30托。

3.在常压下掺杂，待炉内硅完全熔化后，控制炉内氮气压力为0.9～1.2kg/cm²，按照常规的工艺对熔硅进行掺锑;

4.采用减压拉晶工艺。完成掺杂后，控制进入炉内氮气流量为10～30升/分，炉内压力为5～50托。通过拉晶过程中氮气压力、流量的合理控制，即可有效地控制锑的分凝效应，改善重掺锑硅单晶中锑浓度分布的不均匀性，从而提高产品的成品率。

本方法同充氩重掺锑硅单晶的制造方法比较，由于氮气价格低廉，氮气耗用量也较少，在重掺锑硅单晶质量相同的条件下可降低成本15～20%，提高重掺锑硅单晶成品率10%以上。应用本方法可稳定地制造出电阻率为10^－２～10^-3Ω·cm的重掺锑硅单晶。

实施例1