一种用于重掺直拉单晶的掺杂装置的制作方法

本发明涉及一种用于重掺直拉单晶的掺杂装置，属于单晶硅拉制技术领域。

背景技术：

目前，半导体硅材料可分为重掺硅单晶和轻掺硅单晶。拉制单晶的电阻率值是由被选择的掺杂元素的掺入量来确定的，掺杂元素的掺入量越大，单晶的电阻率越低。掺入量很大的低电阻率单晶，称为重掺硅单晶；反之，掺杂元素的掺入量少，则称为轻掺硅单晶。

其中，重掺硅单晶是最为理想的外延衬底材料，其市场需求量不断增加。现代超大规模集成电路(ulsi)制造过程的主流工艺为coms工艺。cmos工艺因其优异的特性深受人们的关注。重掺硅单晶用于制造超大规模集成电路开关电源肖特基二极管和场控高频电力电子器件特殊电子器件。现代电网控制系统，要求集成电路体积小、转换快、耐高压，军事控制、制导的电路，要求抗高频能力强、体积小，重掺硅单晶产品是首选产品，是我国国民经济发展、国防等特殊行业急需的新材料。coms工艺中普遍采用n/n～+、p/p～+的外延结构，这种以重掺杂硅片为衬底的外延结构与内吸杂工艺相结合，是解决集成电路中的闩锁效应和α粒子引起的软失效的有效途径。

而拉制重掺低电阻率硅单晶时，需要掺入的掺杂量比较大。目前主要的搀杂剂是砷、磷、锑，均具有很强的挥发性，它们产生的挥发物对人体和环境都存在着极强的伤害。以as掺杂剂为例，砷作为一种理想的掺杂剂，正在吸引着众多材料厂家的关注。但砷具有很强的挥发性，在向硅熔体掺入过程中，将会有大量的掺杂剂挥发掉，同时在硅单晶生长过程中掺入的杂质也会不断通过熔体表面进行挥发。挥发掉的掺杂剂不但影响掺杂的准确性，更重要的是给后序工作带来众多麻烦。众所周知，砷是一种有毒性的物质，特别是它的氧化物，如as2o3，人称砒霜，是剧毒物质。因此，在制备重掺砷硅单晶的技术上，环保治理上难度非常大。因此在选择砷作为掺杂剂时必须开发出与常规不同的掺杂方法和掺杂装置，才能从源头减少砷的排放。

重掺单晶硅众多参数中，电阻率是最基本也是最重要的，随着半导体行业的发展竞争压力也不断增加，产品对电阻率范围的控制逐渐精确，致使掺杂的砷不断增加。

在掺杂过程中尽量使砷溶入到硅料当中，才能够在相同的成晶时间内拉制出电阻率更低的单晶产品。如图1、2所示，图1为现有的掺杂装置中所用石英钟罩的结构示意图，图2为其俯视图。采用该石英钟罩进行掺杂时，在掺杂过程中还存在一些缺点：

1、砷遇高温升华后气体分子快速挥发，气体分子在高温下不断向四周运动(如图1中箭头所示)，碰到石英钟罩后反向冲向液面，很大一部分还未融入到硅料的气体分子从石英钟罩与液面缝隙流失，降低了掺杂效率。

2、挥发物会附着在真空管路上，时间长了会在局部堵塞管路，影响真空系统的正常运做，使气氛不畅影响成晶，被抽走的砷同时也是有害有毒物质对外界造成危害。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于重掺直拉单晶的掺杂装置，通过改进装置中石英钟罩的结构，改善气体分子的运动方式，从而提高掺杂效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于重掺直拉单晶的掺杂装置，该掺杂装置中石英钟罩的侧壁由数层石英壁构成，位于外壁内侧的数层石英壁上分别形成有数个孔洞，相邻两层石英壁上的孔洞与孔洞之间以相互交错的方式分布。

其中，所述数层石英壁的排列方式是：顶部的起点由内向外逐层下降。

其中，位于外壁内侧的石英壁优选为两层。

本发明的优点在于：

本发明的掺杂装置通过改进石英钟罩的结构，从而改变了掺杂气体分子的热运动方式，掺杂气体分子会在石英钟罩内存在时间更长。在相同的掺杂时间和条件下，更有利于掺杂气体分子溶入到硅料中，能够显著提高掺杂效率。

附图说明

图1为现有的掺杂装置的结构示意图。

图2为图1中的掺杂装置的俯视图。

图3为本发明的掺杂装置的结构示意图。

图4为图3中的掺杂装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

本发明用于重掺直拉单晶的掺杂装置使用改进后的石英钟罩结构。该石英钟罩的侧壁由数层石英壁构成，该数层石英壁的排列方式是：石英壁顶部的起点由内向外逐层下降。位于外壁内侧的数层石英壁上分别形成有数个孔洞。相邻两层石英壁上的孔洞与孔洞之间以相互交错的方式分布。

如图3、4所示，位于外壁内侧的石英壁为两层，设置在两层上的孔洞与孔洞之间相互交错。如图3中箭头所示，采用该石英钟罩结构进行掺杂时，砷升华后的气体分子在热力作用下不断冲击石英壁，一部分分子被反弹回去，另一部分通过孔洞进入石英夹层中，这些分子损失部分动能后重复碰壁反弹和进入孔洞，直至分子撞击最外层石英壁后全部反弹。

在气体分子热运动过程中，分子互相碰撞的频率相较于改进前的频率大大增加，分子多次碰壁减弱分子动能，因此分子的平均自由能降低平均自由程缩短，砷的气体分子会在钟罩内存在时间更长。在相同的掺杂时间和条件下，更有利于气体分子溶入到硅料中，达到提高掺杂效率的目的。

掺杂方式简介

将熔化的硅料进行稳定和掺杂，具体条件如下：

压力：20-100torr流量：20-100slpm功率：60-85kw

晶转：0-5rpm埚转：1-5rpm埚位：-20-20mm

将掺杂装置放于炉体副室，气体净化后连通压力降至主室，掺杂装置距离液面距离15-20mm，掺杂时间以砷挥发完毕为准约5-8分钟，掺杂完毕后将掺杂装置提升至副室隔离冷却后取出，净化副室后连通主室进行拉晶。

实施例

本实施例中对熔化的硅料进行稳定和掺杂的具体条件如下：

压力：80torr流量：60slpm功率：80kw

晶转：0rpm埚转：lrpm埚位：-40mm

将掺杂装置放于炉体副室，气体净化后连通压力降至主室，掺杂装置距离液面距离15mm，掺杂时间以砷挥发完毕为准约5分钟，掺杂完毕后将掺杂装置提升至副室隔离冷却后取出，净化副室后连通主室进行拉晶。

以20寸热场6寸[111]晶向单晶为例，统计使用不同掺杂装置，同样掺杂量和成晶时间(6-8小时)的成晶条件下单晶头部电阻率数据如下：

原有掺杂装置：单层圆柱形石英钟罩，内径150mm，壁厚3mm，高度330mm；

改进掺杂装置：三层圆柱形石英钟罩，内径150mm，壁厚3mm，内外夹层宽度30mm，

高度为330mm，300mm，270mm，内壁孔洞交错排列直径为15mm。

结果

从电阻率数据结果来看，使用改善后的掺杂装置进行掺杂，可以提升掺杂效率约9.5％，在相同规格的电阻率单晶达到减少掺杂剂的使用量的目的。