[发明专利]一种N型掺杂硅单晶的制备方法以及所制备的掺杂硅单晶

说明书

本发明公开了一种N型掺杂硅单晶的制备方法，利用直拉法，将熔体硅原始质量设为W3；熔体液面到达r弧形过渡区时的熔体硅的重量设为W2；熔体液面到达r弧形过渡区与底部R弧形区相交位置时的熔体硅的重量设为W1；在坩埚内剩余熔体硅的重量为1.5W2时，开启底部加热器S10；在剩余熔体硅的重量从1.5W2变化至W2的过程中，底部加热器S10的输出功率从主加热器S11输出功率的0％线性提升到主加热器S11输出功率的10％～15％；在剩余熔体硅的重量从W2变化至W1的过程中，底部加热器S10的输出功率由主加热器S11输出功率的10％～15％线性提升到主加热器S11输出功率的30％～35％，并保持到收尾完成。采用本发明的制备方法能够避免或延迟高掺杂浓度导致的组分过冷现象发生，维持晶体的无位错生长。

技术领域

本发明涉及一种N型掺杂硅单晶的制备方法以及所制备的掺杂硅单晶，属于单晶硅材料技术领域。

背景技术

近年来移动电话、蓝牙耳机、无人机等移动设备在普及，对于这类移动设备，强烈要求能够长时间携带使用，一种方式是内置于移动设备的电池的大容量化，另一种方式是降低移动设备本身的电力消耗。为了降低移动设备本身的电力消耗，需要降低搭载于移动设备内部的半导体器件的电力消耗，为了降低器件成为通电状态时的电阻，强烈需求低电阻率的N型单晶硅材料。

高的掺杂剂浓度易于产生组分过冷，J.Friedrich等人研究组分过冷对错位(D)形成的影响(J.Friedrich等人，ACTA PHYSICA POLONICA A No.2，第124卷(2013)，第219-226页)，并且由研究的结果得出，建立较高的温度梯度，降低提拉速度并增加熔体的对流传输，有利于减少因组分过冷而产生错位的几率。

用直拉法从高掺杂硅熔体中生长零位错(Zero Dislocation，ZD)单晶硅存在困难。专利文献CN107109686A公开了一种控制肩部形状(Crown Shap)减少产生位错(Loss ofZero Dislocation，LZD)几率、减少回熔次数的技术，以获得高浓度将锑(Sb)、砷(As)、和红磷(Red P)中的任一种作为掺杂剂的N型低电阻率单晶，但在晶体生长的等径(Boby)或收尾(Tail)阶段仍然存在较高几率的产生位错(LZD)。

专利文献CN110730832A公开了一种提高炉室压力(40kPa～80kPa)抑制掺杂剂的蒸发来提高熔体中的掺杂剂浓度，获得掺磷(P)、砷(As)的低电阻率的n型单晶硅，但高的炉压容易形成硅氧化物(SiOx)颗粒，导致产生位错(LZD)。

发明内容

本发明目的在于提供一种N型掺杂硅单晶的制备方法，减少或防止在等径(Boby)或收尾(Tail)阶段产生位错，从而能够造出高质量的低电阻率的硅单晶。

发明人对晶体在Boby或Tail阶段的产生位错(LZD)原因进行溯源分析，晶体产生位错(LZD)与掺杂剂的浓度有强相关性，掺杂剂的浓度趋同性，揭示了在高掺杂浓度下组分过冷导致晶体产生位错(LZD)；在一个确定的晶体生长系统中，重掺杂晶体生长界面发生临界组分过冷时，晶体存在最低电阻率，此刻界面出杂质浓度最大。

发明人发现，晶体产生位错(LZD)与坩埚内硅熔体的剩余重量(RemainingWeight)紧密相关，进一步地，晶体产生位错(LZD)位置与熔体的深度(Melt depth)相关联。

基于发明人的以上认知，为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种N型掺杂硅单晶的制备方法，利用直拉法从包含挥发性掺杂剂的硅熔体提拉硅单晶并使其生长，其中，

直拉单晶硅装置中设有底部加热器S10和主加热器S11，石英坩埚结构包括柱形区、坩埚r弧形过渡区和底部R弧形区三个区域；将石英坩埚内熔体硅原始质量设为W3；熔体液面到达r弧形过渡区时的熔体硅的重量设为W2；熔体液面到达r弧形过渡区与底部R弧形区相交位置时的熔体硅的重量设为W1；