具有均匀多重掺杂物的硅锭及其制造方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明揭露一种柴氏生长系统，包括坩埚；硅传送系统，包括具有传送点位于该坩埚上的进料机并且传送可控制的硅量至该坩埚；及至少一种掺杂机制，可控制地传送至少一种掺杂物材料至该进料机。该系统可以包括二或更多种各装载不同掺杂物材料的掺杂机制，且因此可用于制备具有多重掺杂物的硅锭。所得的锭具有沿其轴实质上固定的掺杂浓度。此外也揭露至少一种包括至少一种掺杂物材料的硅锭的柴氏生长方法，该方法较佳为连续柴氏生长法。
【专利说明】具有均匀多重掺杂物的硅锭及其制造方法和装置
[0001]相关申请案的交互参考
[0002]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】
[0003]本发明涉及娃的柴氏生长(Czochralski growth)以及,具体而言,涉及具有轴向均匀掺杂的娃锭的连续柴氏生长(continuous Czochralski growth)。
【背景技术】
[0004]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)生长的娃晶圆的电池。在典型的柴氏生长(CZ)方法中，在约1416°C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。
[0005]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)娃填充该i甘祸(该娃也称为初生多晶娃(virgin polysilicon)或简单多晶娃(simply polysilicon))。之后加热该i甘祸，且拉出一个锭以实质上耗尽该i甘祸。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:ProcessTechnology, Lattice Press, 1986, pp.5-21有关于电子级娃、冶金级娃以及典型柴氏工艺的讨论，已将该文纳入本 文作为参考。
[0006]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娃比较下相对不纯，但MG娃较容易获得。补偿的MG娃晶圆已显示表现出接近彼等EG娃晶圆的太阳能效率；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 engineeringas a method to increase the performance of purified MG silicon during ingotcrystallization, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC)，20934th IEEE978-1-34244-2950-9/09(2010)，pp.1327-1330 以及 Dubois 等人的 Beneficial effects ofthe compensation level on the carrier lifetime of crystalline silicon,AppliedPhysics Letters, 93 (2008)，pp.032114-032117，两者皆已纳入本案作为参考。
[0007]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。
[0008]表1
[0009]
【权利要求】
1.一种柴氏生长系统，包括 坩埚； 硅传送系统，其包括具有传送点位于该坩埚上的进料机并且传送可控制的硅量至该坩埚；以及 至少一种掺杂机制，其可控制地传送至少一种掺杂物材料至该娃传送系统，藉以传送掺杂物材料至该坩埚。
2.根据权利要求1所述的柴氏生长系统，其中，该进料机包括槽系统，其中，掺杂物材料传送至该槽系统。
3.根据权利要求1所述的柴氏生长系统，其中，该坩埚包括与外进料区有流体交流的内成长区。
4.根据权利要求3所述的柴氏生长系统，其中，该进料机传送该硅及掺杂物材料至该坩埚的该外进料区。
5.根据权利要求3所述的柴氏生长系统，其中，该坩埚另包括有孔洞的壁，其中，该壁分离该内成长区及该外进料区，在该内成长区及该外进料区之间提供受限制的流体交流。
6.根据权利要求1所述的柴氏生长系统，其中，该系统包括两种掺杂机制。
7.根据权利要求5所述的柴氏生长系统，其中，第一掺杂机制可控制地传送第一掺杂物材料至该进料机且第二掺杂机制可控制地传送第二掺杂物材料至该进料机，其中，该第一掺杂物材料以及该第二掺杂物材料是不同。
8.根据权利要求7所述的柴氏生长系统，其中，该第一掺杂物材料以及该第二掺杂物材料具有不同的半导性类型。
9.根据权利要求1所述的柴氏生长系统，其中，该系统包括单一掺杂机制。
10.根据权利要求8所述的柴氏生长系统,其中，该娃是经掺杂的娃,包括有第一掺杂物材料，且该单一掺杂机制装载有不同的第二掺杂物材料。
11.根据权利要求9所述的柴氏生长系统，其中，该单一掺杂机制装载不同的掺杂物材料的堆栈。
12.一种包括浓度为C及具有分凝系数为k的掺杂物材料的硅锭的柴氏生长方法，该方法包括下列步骤: i)提供具有与外进料区有流体交流的内成长区的坩埚； ii)以硅以及该掺杂物材料预填充该内成长区以形成混合物，其中，当该混合物熔融时，具有该掺杂物材料的浓度为C/k ； iii)熔融该混合物； iv)自该内成长区初始该硅锭的成长； v)当成长该娃锭时传送娃以及该掺杂物材料的进料至该外进料区，当该进料熔融时具有该掺杂物材料为C的平均浓度；以及 vi)移除该硅锭，包括浓度为C的该掺杂物材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，于该第一硅锭的初始成长前，该方法另包括以硅以及当熔融时浓度为C的该掺杂物材料预填充该外进料区的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法,其中，该娃锭包括单一掺杂物材料。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，该硅锭包括多重掺杂物材料。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，该硅锭包括浓度为C1以及具有分凝系数为Ic1的第一掺杂物材料以及另包括浓度为C2以及具有分凝系数为k2的第二掺杂物材料； 将硅、该第一掺杂物材料、及该第二掺杂物材料预填充该内成长区以形成混合物，其中，当熔融时，该混合物具有该第一掺杂物材料的浓度为CVk1以及该第二掺杂物材料的浓度为C2/k2 ；以及 将硅、当熔融时浓度为C1的该第一掺杂物材料、及当熔融时浓度为C2的该第二掺杂物材料进料至该外进料区。
17.根据权利要求16所述的方法,其中，该第一掺杂物材料以及该第二掺杂物材料具有不同的半导性类型。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，该掺杂物材料是磷、硼、镓、铟、或铝、紳、締。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，该第一掺杂物材料是磷且该第二掺杂物材料是硼。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，于成长该硅锭后，该方法包括初始包括该掺杂物材料为浓度C的第二硅锭的成长，而不再次预填充该坩埚的步骤。
21.根据权利要求12所述的方法，其中，于成长该硅锭后，该方法包括在预填充该内成长区后，成长包括该掺杂物材料为浓度C的多个锭的步骤。
22.根据权利要求12所述的方法，其中，该方法是连续柴氏生长方法。
23.—种硅锭的柴氏生长方法，该硅锭包括浓度为C的掺杂物材料且具有分凝系数为k，该方法包括下列步骤: i)提供具有与外进料区有流体交流的内成长区的坩埚； ii)以硅以及该掺杂物材料预填充该内成长区； iii)自该内成长区初始该硅锭的成长； iv)在该内成长区中，当成长该硅锭时，维持在硅中该掺杂物材料的第一浓度；以及， V)在该外进料区中，当成长该硅锭时，维持在硅中该掺杂物材料的第二浓度，其中，该第二浓度少于该第一浓度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，在该外进料区中，维持在硅中该掺杂物材料的第二浓度的步骤包括供给硅以及该掺杂物材料至该外进料区。
25.—种硅锭，具有沿其轴实质上固定的反向掺杂浓度。
【文档编号】C30B15/20GK103608496SQ201280028191
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年4月13日 优先权日:2011年4月14日
【发明者】B·K·约翰逊, J·P·德卢卡, W·L·卢特尔 申请人:吉特发展有限责任公司