[其他]一种中低阻直拉硅单晶的制备方法

说明书

一种中低阻直拉硅单晶的制备方法去，采用纯度为９９．９９％的氮、氩或氮－氩混合气作为保护气体，同时以硅磷合金和硅锑合金作为掺杂剂，控制掺杂剂的杂质浓度和掺入量，获得电阻率为０．５～１０Ω·ｃｍ、１０～５０Ω·ｃｍ、５０～９０Ω·ｃｍＮ型直拉硅单晶。这种硅单晶，其轴向电阻率均匀度优于２０％，用于制造大规模集成电路、超大规模集成电路或其他器件，具有成品率高、参数一致性好、成本低等优点。

本发明涉及一种硅单晶的生长技术。

大多数半导体硅器件，采用中低阻硅单晶制造，如晶体闸流管、二极管、功率晶体管、集成电路等。制备中低阻硅单晶时如何选用合适的掺杂元素需要考虑器件的要求，掺杂元素在硅中的溶解度，硅中掺杂元素的蒸发率，掺杂元素在硅中的分凝系数，硅晶格常数，元素毒性等因素。

随着大规模集成电路与超大规模集成电路的不断发展，用户为达到生产上的高效率，器件的高成品率，要求所提供的中低阻直拉硅单晶的直径尽可能地大，轴向电阻率均匀度尽可能地高。

制备中低阻直接硅单晶，传统的工艺采用掺杂元素磷或锑为掺杂剂。采用磷掺杂剂，可以制取电阻率为0.5～150Ω.cm的N型直拉硅单晶。由于磷在硅中的分凝系数为0.35，在直拉工艺中，随着晶锭的增长，其下部轴向电阻率逐渐下降，晶锭上下部电阻率差异较大，制成的硅单晶合格率低，当要求轴向电阻率均匀度在20%以下时，其成品率一般为15%以下。采用锑掺杂剂，可获得电阻率为0.05～0.005Ω·cm的重掺杂N型直拉硅单晶，但无法提供电阻率为0.5～150Ω·cm的N型直拉硅单晶。

近年来人们采用中子嬗变掺杂工艺制备掺杂硅单晶，该工艺仅对区熔硅单晶掺杂，称为NTD硅单晶，其电阻率为50～90Ω·cm，轴向电阻率不均匀度大不于15%，硅中的某些不稳定因素同时得到消除，可使器件的性能得到改善，提高器件成品率，如使高压大功率可控硅SCR器件性能稳定。NTD硅单晶中磷的引入量取决于Si-30的浓度及在稳定辐照密度下辐照处理的时间。若采用直拉硅单晶作中子嬗变辐照处理制取中低阻N型硅单晶，由于直接硅单晶中的氧含量比区熔硅单晶高二个数量级，又需要增加中子辐照通量及处理晶体时间，必将大幅度增加中低阻直拉硅单晶的生产成本。制备电阻率小于50Ω·cmN型硅单晶，采用NTD技术是难以实现的。

《Solid state technology 1983.8》报导了美国Siltec公司提供的连续加料制备中低阻直拉硅单晶的方法，利用两个炉体生长硅晶体，其中一个炉体用于掺杂、熔化硅多晶，其硅熔液连接输送到第二个炉体，在第二个炉体上拉晶，控制硅溶液输送量与硅单晶拉出量间的平衡，可获得轴向电阻率均匀度好的中低阻硅单晶。但由于技术复杂，至今未能实现工业化生产。

本发明的任务在于提供一种中低阻直拉硅单晶的制备方法，用这一方法可使产品成品率成倍增加。轴向电阻率均匀性显著提高。

以下叙述本发明的详细内容：

本方法在直拉工艺中同时掺入磷、锑元素，制备电阻率为0.5～90Ω·cm的N型硅单晶。

掺杂机理：磷的蒸发温度为280℃，锑为1380℃，常规状态下，磷的蒸发速率远大于锑，容易蒸发;掺入到熔硅中的磷和锑，由于它们与硅的亲合力不同，锑的蒸发速率远大于磷。通过控制锑在硅中的蒸发速率，可改善硅单晶轴向电阻率的均匀性。

根据元素蒸发效应公式

-βS/Vt

N＝N₀e

式中 N-蒸发后硅熔体中的杂质浓度

N₀-蒸发前的杂质浓度

β-杂质元素的蒸发速度系数

S-熔体的蒸发面积

V-熔体体积

t-蒸发时间