[发明专利]一种改进的生长掺杂硅单晶体的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及改进的生长硅单晶的Czochralski方法，其中将单晶硅籽晶从熔融态的硅中提拉出来生长成晶体，用于生长具有需电阻率的高掺杂晶体的一种改进方法。

背景技术

晶体硅材料常用作集成电路的初始材料。典型生产单晶硅的方法是Czochralski法(即CZ工艺)。首先将原料多晶硅熔化在石英坩埚中，在多晶硅已完全熔化并且温度达到平衡之后，将一个晶种浸入熔体并且随后慢慢提起，通常在提起的同时要不断地转动晶体，这样单晶就逐渐生长成比较大的硅晶体。

在生长高品质的硅晶体时，一些影响晶体生长的条件必须小心地加以控制，比如温度、压力、提拉速度和熔体中的杂质。为了控制晶体材料的导电类型和导电能力，一些特定的杂质会被有意识地加到熔融态硅中做掺杂剂。低熔点的高纯元素如磷、砷、锑作为掺杂剂被导入熔融态硅中。

随着电子产品的小型化和可移动性能的提高，对相应器件的工作电压和能量消耗尤其是待机功耗提出了严格的要求。这种趋势反映到对晶体材料的导电能力提出更高的要求，具体地讲晶体中的实际杂质浓度需要达到10E+18--10E+20 1/cm3，这对生长大直径晶体以及以低熔点的高纯元素如磷、砷、锑作为掺杂剂晶体，提出了严峻的挑战。

目前，在晶体生长过程中掺杂其它元素需要与多晶硅混合(见图1)，随后再熔化，造成部分掺杂剂的挥发损失。在中国专利01136694.X《一种用于直拉单晶制备中的掺杂方法及其装置》中介绍了一种掺杂的方法和装置(见图2)。在该方法中装载掺杂剂的料斗结合在拉晶装置的提拉轴之中，完成掺杂后必须移出料斗换上籽晶后才能进行拉晶。移出料斗、换装籽晶的过程延长了掺杂到拉晶的时间，造成部分掺杂剂的挥发损失，影响理想电阻率的高掺杂硅晶体的收率。

另一个中国专利200310117761.7《用于重掺直拉硅单晶制造的掺杂方法及其掺杂漏斗》中，介绍了一种熔体掺杂的方法，在多晶硅完全熔化后掺杂漏斗降至熔体上方对熔体进行掺杂，完成掺杂后仍然需要移出掺杂漏斗装上籽晶后才能拉晶。

上述方法完成掺杂后都需要换装籽晶，在掺杂后到晶体等径生长的过程中，掺杂剂持续的由熔体表面蒸发损失，计算和经验表明蒸发损失达到一定程度必须再进行再掺杂。再掺杂需要将籽晶更换为掺杂料斗或掺杂漏斗，完成掺杂后再次换成籽晶才能拉晶，此过程容易造成单晶炉的污染，污染后严重影响无位错单晶的收率。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的生长掺杂硅晶体的方法及其装置，在晶体生长过程中对熔体进行持续或间断的气相掺杂，本方法可提高掺杂效率、提高超低电阻率的晶体的生长效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种改进的生长掺杂硅晶体的方法及其装置，所述的方法是：将多晶硅装入石英坩埚容器内加热熔化；在籽晶浸入熔体前和/或在以下引晶、放肩、转肩、等径初期晶体生长工序的至少一个工序中，将低熔点、易升华的掺杂剂从位于提拉室以外、设在生长室侧上方的对外密封的掺杂装置送到熔体中，以便在晶体生长过程中对熔体进行持续或间断的气相掺杂，再经等径后期、收尾、冷却停炉工作。

这种在晶体生长过程中具有熔体掺杂功能的晶体生长装置，它包括：生长室，该室内有一用于生产晶体的原料熔化的坩埚；位于生长室上方，用于接收从坩埚内的熔体中提拉出的晶体的提拉室；拉晶工具，拉晶工具在其下端处有一籽晶夹持器；同时设置了用于升降带籽晶的拉晶工具的装置，其特征在于：在生长室的侧上方有一个独立在提拉室以外，与生长室相通且保持真空密闭，掺杂装置。

所述的掺杂装置包括装置主体，一个置于主体内的石英材质的掺杂工具，所述的装置主体包括：真空波纹管，移动挡板，真空波纹管的一端与移动档板连接，形成密封，档板套在金属丝杆上，金属丝杆连接手柄，移动档板与导柱配合，真空波纹管的另一端装在生长室的侧上方；所述的掺杂工具接在位于移动档板内侧的卡套内。

本方法是在提拉轴正常拉晶的过程中对熔体进行持续或间断的掺杂，掺杂元素以气态的控制方式进入熔体，在实施掺杂过程中没有使用拉晶装置的提拉轴，这就意味着在提拉轴正常拉晶的过程中对熔体进行持续或间断的掺杂，掺杂以气态的控制方式进入熔体。

本发明的优点：掺杂装置与生长室相通且保持真空密闭，因此在进行掺杂时不需要进行生长室/提拉室的隔离操作。不占用提拉室内拉晶工具，具备了在拉晶过程中对熔体进行掺杂的功能，采用本方法可提高掺杂效率，显著提高高掺杂、超低电阻率的晶体的生长效率。

附图说明