[发明专利]一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种基于掺氮籽晶生长无位错硅单晶的技术。

背景技术

在集成电路和太阳能光伏产业中，通常需要使用Dash缩颈工艺来生长无位错的直拉硅单晶。在硅单晶生长过程中，Dash缩颈工艺发生在将高纯多晶硅原料和各种掺杂剂(如硼、磷、砷、锑等)放入石英坩埚化料并利用具有一定晶向的籽晶作为种子进行引晶之后。

使用Dash缩颈工艺的目的是消除在籽晶与融硅液面接触时因热冲击产生的位错。它是通过缩小硅单晶的直径(一般要求在5毫米以下)，保持一定的生长速率生长大于10厘米以上的细晶来消除热冲击位错。其机理是控制硅单晶中位错的生成速率小于单晶生长速率，使位错排出晶体。然后放肩到所需要的尺寸，进行等径生长，生长无位错单晶。很显然，Dash缩颈工艺是生长无位错硅单晶的关键，但它必然要消耗一定的人力和物力资源。

另一方面，随着大规模集成电路和太阳能光伏产业的快速发展，所需硅单晶直径逐渐增大。当前集成电路用直拉硅单晶的直径已达300毫米，在未来几年所需硅单晶直径需增大到450毫米。然而随着硅单晶直径的增大必然导致硅单晶锭的体积和重量的大幅度增加。目前300毫米直径的硅单晶质量已达200公斤，而450毫米直径的硅单晶质量将超过400公斤。所以，采用传统Dash缩颈工艺生长的细颈很难承受这么大的重量，容易断裂。因而，Dash缩颈工艺会在未来大直径硅单晶的生长中面临巨大挑战。

1999年，日本人干川发现重掺硼籽晶可以抑制引晶时引起的热冲击位错，并在此基础提出无Dash缩颈的硅单晶生长的新概念。这种方法不但可以节省在缩颈过程所耗费的人力、物力，而且由于承受晶体重量的籽晶直径远远大于Dash细颈的直径，可用于未来大直径直拉硅单晶的生长。但是，重掺硼籽晶中高浓度的硼会造成晶格畸变，导致在在非Dash缩颈法生长硅单晶过程中失配位错的产生。并将额外的硼引入晶体中，影响了轻掺p型硅单晶中电阻率的精确控制和对n型硅单晶产生杂质补偿效应，这是重掺硼籽晶实际应用中的局限性。

发明内容

本发明提供了一种基于掺氮籽晶生长无位错硅单晶的方法，它不仅能够采用非DASH缩颈法生长无位错硅单晶，而且解决了掺硼籽晶引起失配位错和将额外的硼引入硅单晶中的问题。

一种利用掺氮籽晶生长硅单晶的方法，包括以下步骤：

(1)将硅原料熔化，得到熔融硅；

(2)将掺氮籽晶以不大于1mm/min速度靠近熔融硅，小于1mm/min的速率可以尽量减少热冲击位错的产生，与熔融硅液面接触后提升掺氮籽晶，生长硅单晶。

所述的掺氮籽晶的氮浓度为1×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3。

掺氮籽晶可以通过常规的籽晶制造方法获得，如在引晶前将熔融硅处于在氮气保护条件下30min～5h或者往熔融硅中掺杂氮化硅粉末，然后将通过直拉法生长获得的硅单晶切割成截面为圆形或正方形的柱体，圆形的直径或者正方形的边长为6～20mm；最后将切割后的硅单晶浸入重量比为1～10∶1的HF和HNO₃的混合溶液中腐蚀1～30分钟，去除表面划痕。

在掺氮籽晶与熔融硅液面接触后，以不小于1mm/min的速度下降，回熔不大于10mm的掺氮籽晶。然后提升掺氮籽晶。因为掺氮籽晶中的氮对位错有很强的定杂作用，通过回熔的方法很容易消除由于热冲击产生的位错。

因为位错在掺氮籽晶中的滑移速度基本在1mm/min以下，所以以不小于1mm/min的速度下降籽晶可以通过回熔完全消除位错。而在普通籽晶中位错滑移速度要远远大于1mm/min。

因为位错在掺氮籽晶中的的滑移长度基本在10mm以下，所以回熔的长度控制在小于10mm。

所述的硅原料熔化后加入掺杂剂与其混熔。通过掺杂可以制得电阻率小于500Ω.cm的硅单晶，掺杂剂可以选用硼、铝、镓、铟、磷、砷和锑中的一种。

本发明方法生长硅单晶未采用DASH缩颈工艺，简化了工序，节约了生产成本；本发明采用掺氮籽晶进行引晶，掺氮籽晶中氮的浓度在1×10¹⁴～5×10¹⁵cm^-3，不会引起籽晶明显的晶格畸变，因此在引晶过程中也不会引入失配位错；而且氮在硅中不是电活性掺杂剂，从籽晶引入到硅单晶中的氮不会造成硅单晶电阻率难以精确控制的问题。

附图说明

图1为本发明方法各步骤示意图；