[发明专利]具有均匀多重掺杂物的硅锭及其制造方法和装置

说明书

相关申请案的交互参考

本发明主张于2011年4月14日所提出的美国临时专利申请案第61/475,351号的利益。

技术领域

本发明涉及硅的柴氏生长(Czochralski growth)以及，具体而言，涉及具有轴向均匀掺杂的硅锭的连续柴氏生长(continuous Czochralski growth)。

背景技术

于正在发展的众多类型的光伏太阳能电池中，其中一种最有效且经济的电池是基于通过柴氏法(Czochralski method)生长的硅晶圆的电池。在典型的柴氏生长(CZ)方法中，在约1416℃的温度下在坩埚中将硅熔融成其液体状态。将预定结晶方向的小结晶硅晶种与该熔融物接触然后逐渐拉出。在适当的温度控制下，该液体硅以相同于该晶种的方向凝固在该晶种上。之后缓慢将该晶种自该熔融物拉离以形成具有最终长度为一公尺或更多以及直径为数百毫米的成长结晶硅锭。

在典型集成电路基板的应用上，批次CZ是以下列方式实行：以首次填充的电子级(EG)硅填充该坩埚(该硅也称为初生多晶硅(virgin polysilicon)或简单多晶硅(simply polysilicon))。之后加热该坩埚，且拉出一个锭以实质上耗尽该坩埚。于完成一个锭之后丢弃该坩埚。切片冷却后的锭以形成具有实质上少于一毫米厚度的圆型单晶晶圆。请参见Wolf以及Taber的Silicon Processing for the VLSI Era,vol.1：Process Technology,Lattice Press,1986,pp.5-21有关于电子级硅、冶金级硅以及典型柴氏工艺的讨论，已将该文纳入本文作为参考。

然而，太阳能电池的应用在成本敏感度上远高于硅集成电路。一种尝试是以冶金级(MG)硅填充该CZ坩埚。由于MG硅免除了EG硅要求的蒸馏以及化学气相沉积步骤，与EG硅比较下相对不纯，但MG硅较容易获得。补偿的MG硅晶圆已显示表现出接近彼等EG硅晶圆的太阳能效率；然而，补偿程度必然受到电池设计的限制。举例而言，光伏太阳能电池可以形成有p-n接面，分离半导体n-型区域(举例而言，掺杂有磷)与半导体p-型区域(举例而言，掺杂有硼、铝、或镓)。通常将用于太阳能使用的锭将以给定的掺杂类型成长(举例而言，p-型)且将在切自该锭的晶圆的表面掺杂n-型掺杂物以形成p-n接面。补偿硅锭可通过具有p-及n-型掺杂物两者的CZ方法予以成长。该有效的掺杂类型以及掺杂浓度是取决于哪种掺杂物具有较高浓度以及该两种掺杂物浓度的差。一些研究已显示在强补偿硅中的少数载子是实际上寿命较长，并且建议可以通过控制掺杂物杂质(例如，硼以及磷两者)浓度而达成有较高效率的太阳能电池。请参见Kraiem等人的doping engineering as a method to increase the performance of purified MG silicon during ingot crystallization,Photovoltaic Specialists Conference(PVSC),20934th IEEE978-1-34244-2950-9/09(2010),pp.1327-1330以及Dubois等人的Beneficial effects of the compensation level on the carrier lifetime of crystalline silicon,Applied Physics Letters,93(2008),pp.032114-032117，两者皆已纳入本案作为参考。

然而，经控制的掺杂，尤指在柴式法或通过浇铸(casting)的反向掺杂，因分凝效应(segregation effect)而变得复杂。分凝是在固化期间使杂质或掺杂物残留在该熔融物中的倾向，在该效应下固-液接口的液体侧的掺杂物浓度不同于(通常为大于)固体侧。该分凝现象是以“分凝系数”(标记为k)为特征，分凝系数是该固化接口的固体侧上掺杂物的浓度与该固化接口的液体侧上相同掺杂物的浓度的比。在硅中不同的掺杂物具有不同的分凝系数，且通常少于1.0，有时候更少。表1表示在硅中数种可能的掺杂物的分凝系数值。

表1