[其他]直拉硅单晶的气相掺氮方法

说明书

本发明涉及一种自熔融液的提拉法的单晶生长技术。

直拉硅单晶是制造集成电路等半导体器件的最基本的材料。在半导体器件的生产工艺过程中，常用的硅单晶制作的硅片经过氧化、扩散等一系列高温热处理工艺后，容易产生翘曲和碎裂，影响半导体器件的成品率。采用掺氮的硅单晶所制造的半导体器件具有良好的性能和较高的成品率。

Semiconductor    Silicon    1981    PP54报导了日本信越公司阿部等人提出的在区熔硅单晶中掺入氮以后，由于氮在硅晶格中起着阻碍位错运动的作用，从而提高了硅片的机械强度。

Elevctrochem·Soc.1984    Spring    Meeting，Ertonded    Abstract    No.36报导了美国Monsanto公司Chion等人提出在直拉硅单晶中掺入氮以后，由于掺入到直拉硅单晶中的氮和氧的相互作用使硅片强度增加，可以减少器件工艺中高温热处理后硅片的翘曲和碎裂。提高器件的成品率;能抑制硅单晶生长过程中微缺陷的产生，提高晶体的完整性。比较而言，直拉硅单晶制造成本最低，易于实现大直径化，成功地制取掺氮直拉硅单晶将会产生积极的效果。

VLSI Scienceand Technology 1985 PP543报导了日本信越公司阿部等人采用熔硅中加入Si₃N₄粉料制取掺氮直拉硅单晶的方法。但这种方法尚未应用于工业生产，且存在以下缺陷：

1、若采用该方法，由于Si₃N₄在熔硅中的溶解速度很低，势必使熔料时间大大延长。

2、工艺上难以控制。若硅中的氮浓度过低，则抑制微缺陷和强度提高不明显;如果熔硅中氮浓度过高，超过了氮在熔硅中的溶解度时，则析出Si₃N₄而破坏硅单晶的正常生长。

1986年授权的CN85100295专利提出了在氮气保护气氛下制造直拉硅单晶的方法，在工业生产中应用这一方法能大幅度降低生产成本，同时在硅单晶中掺入了一定量的氮，使器件性能和成品率有一定的提高，但由于实际生产中硅多晶的投料量、熔料时间和晶体生长时间各不相同，硅单晶中的掺氮量的控制问题尚有待解决。

本发明的任务在于提供一种利用气体保护气氛制造掺氮直拉硅单晶的气相掺氮方法。

在研究“采用氮保护气氛制造直拉（切氏法）硅单晶的方法”的基础上，进一步研究了减压气氛下，气氛中的氮在不同的压力、流量、反应时间、硅表面状态等条件下与硅的化学反应机理，通过合理选择含氮的减压保护气氛以及精确控制炉内保护气体的压力、流量等参数，以获得不受氮硅化学反应干扰的硅单晶生长条件，提出了直拉硅单晶的气相掺氮方法，制造氮含量为1×10¹⁴～4.5×10¹⁵/cm³的硅单晶。

采用直拉硅单晶的气相掺氮方法所用的设备和操作过程与以氩气作为保护气氛的直拉法相同，其保护气体采用氮气或者氩-氮混合气。

当以氮气作为保护气氛实现气相掺氮时，可以采用纯度为99.99%的氮气，炉内气体压力为5～60托，炉内最佳压力为15～25托;气体流量为1～6m³/hr，最佳流量为2～5m³/hr。

当以氩-氮混合气作为保护气氛实现气相掺氮时，氩气成份为1～99%，氮气成份为99～1%，混合气的炉内压力和流量同以氮气作为保护气氛时的压力、流量相同。

直拉硅单晶的气相掺氮方法与固相掺氮方法比较具有以下优点：

1、掺氮量容易控制，操作方便，有利于在工业化生产中推广应用;

2、采用氮气或者氩-氮混合气，保护气体的成本可降低40～50%;

3、所制取的掺氮硅单晶质量稳定，在制作半导体器件工艺过程中，其硅片破碎率降低10～15%。

实施例1：

利用原有的直拉硅单晶炉，石英坩埚直径为φ254mm，硅多晶投料量为10kg，以纯度99.99%的氮气作为保护气氛实现气相掺氮。控制炉内压力范围为10～25托，氮气流量范围为2～4m³/hr，获得含氮量为1×10¹⁴～4×10¹⁵的硅单晶7kg。

实施例2：

利用原有直拉硅单晶炉，石英坩埚直径为305mm，硅多晶投料量为20kg，以氩-氮混合气作为保护气氛，氩气和氮气成份比例为1∶1，氮气纯度为99.99%，氩气纯度为99.999%，炉内气体压力范围为15～25托，气体流量范围为3～6m³/hr。获得含氮量为1×10¹⁴～4.5×10¹⁵/cm³的硅单晶14.2kg。