一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法与流程

1.本发明涉及半导体硅片制造领域。尤其涉及一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法。


背景技术：

2.用于生产集成电路等半导体电子元器件的硅片，主要通过将直拉(czochralski)法拉制的单晶硅棒切片而制造出。czochralski法包括使由石英制成的坩埚中的多晶硅熔化以获得硅熔体，将单晶晶种浸入硅熔体中，以及连续地提升晶种移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中在相界面处生长出单晶硅棒。
3.在上述生产过程中，提供这样的一种硅片是非常有利的：该硅片具有从正面开始向体内延伸的无晶体缺陷区域(denuded zone，dz)以及与dz邻接并且进一步向体内延伸的含有体微缺陷(bulk micro defect，bmd)的区域，这里的正面指的是硅片的需要形成电子元器件的表面。上述的dz是重要的，因为为了在硅片上形成电子元器件，要求在电子元器件的形成区域内不存在晶体缺陷，否则会导致电路断路等故障的产生，使电子元器件形成在dz中便可以避免晶体缺陷的影响；而上述的bmd的作用在于，能够对金属杂质产生内在吸杂(intrinsic getter，ig)作用，使硅片中的金属杂质保持远离dz，从而避免金属杂质导致的漏电电流增加、栅极氧化膜的膜质下降等不利影响。
4.而在生产上述的具有bmd区域的硅片的过程中，在硅片中掺杂有氮是非常有利的。举例而言，在硅片中掺杂有氮的情况下，能够促进以氮作为核心的bmd的形成，从而使bmd达到一定的密度，使bmd作为金属吸杂源有效地发挥作用，而且还能够对bmd的密度分布产生有利影响，比如使bmd的密度在硅片的径向上的分布更为均匀，比如使bmd的密度在临近dz的区域更高而朝向硅片的体内逐渐降低等。
5.作为使硅片中掺杂有氮的一种实现方式，可以使石英坩埚中的硅熔体中掺杂有氮，由此拉制出的单晶硅棒以及由单晶硅棒切割出的硅片中便会掺杂有氮。
6.利用掺氮硅熔体拉制掺氮单晶硅棒的过程中存在的问题是，掺杂硅熔体中的氮会以氮气的形式从硅熔体中挥发出来，无法在拉制单晶硅棒的过程中进入到硅棒中而产生损失，从而导致整个硅棒中的氮浓度的降低，使得上述因掺氮而产生的有利效果无法以有效的方式实现。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法，有效避免因氮的挥发而导致的掺杂剂损失。
8.本发明的技术方案是这样实现的：
9.第一方面，本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的设备，所述设备包括：
10.石英坩埚，所述石英坩埚用于容纳掺氮硅熔体；
11.第一输气装置，所述第一输气装置用于将一氧化碳气体输送至所述掺氮硅熔体的
液面处；
12.拉晶装置，所述拉晶装置用于利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
13.第二方面，本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的方法，所述方法包括：
14.将掺氮硅熔体容纳在石英坩埚中；
15.将一氧化碳气体输送至所述掺氮硅熔体的液面处；
16.利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
17.本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的设备及方法，在掺氮硅熔体容纳于石英坩埚中的情况下，由于石英坩埚的成份为二氧化硅(sio2)，因此在掺氮硅熔体处于熔化状态的高温下会发生这样的第一化学反应：si+sio2→
2sio，其中，这里生成的sio在高温下以气体的方式存在；在此基础上，在将一氧化碳气体输送至掺氮硅熔体的液面处的情况下，该一氧化碳气体、以氮气形式挥发的掺杂氮以及第一化学反应生成的会发生这样的第二化学反应：3sio+2n2+3co
→
si3n4+3co2，对于生成的氧化硅(si3n4)而言，由于其熔点较高，在高温下仍然以固态的方式存在，因此会重新回到熔体中，从而使得从熔体挥发出的氮重新回到熔体中，减少了氮的损失，使拉制出的整个单晶硅棒中的氮浓度的降低程度减少。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供的一种用于制造掺氮单晶硅的设备的结构示意图；
19.图2为本发明实施例提供的一种用于制造掺氮单晶硅的方法的流程示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
21.参见图1，本发明实施例提供了一种用于制造掺氮单晶硅的设备1，所述设备1可以包括：
22.石英坩埚10，所述石英坩埚10用于容纳掺氮硅熔体m；
23.第一输气装置20，所述第一输气装置20用于将一氧化碳(co)气体输送至所述掺氮硅熔体m的液面l处，其中，图1中示意性地示出了当石英坩埚10以及容纳于石英坩埚10中的掺氮硅熔体m处于炉体2中时，上述的第一输气装置20的一种具体实现方式，如图1所示，第一输气装置20将一氧化碳气体输送至炉体2内部并且输送至掺氮硅熔体m的液面l处，如通过实线箭头示意性地示出的；
24.拉晶装置30，所述拉晶装置30用于利用所述掺氮硅熔体m通过直接法拉制单晶硅棒r，其中，对于图1中示意性地示出的拉晶装置30而言，该拉晶装置30位于炉体2的顶部，并且使单晶硅棒r沿着图1中空心箭头示出的方向移动，以使单晶硅棒r在相界面处或者说液面l处不断生长。
25.在掺氮硅熔体m容纳于石英坩埚10中的情况下，由于石英坩埚10的成份为二氧化硅(sio2)，因此在掺氮硅熔体m处于熔化状态的高温下会发生这样的第一化学反应：si+sio2→
2sio，其中，这里生成的sio在高温下以气体的方式存在；在此基础上，在将一氧化碳气体输送至掺氮硅熔体m的液面l处的情况下，该一氧化碳气体、以氮气形式挥发的掺杂氮以及第一化学反应生成的sio会发生这样的第二化学反应：3sio+2n2+3co
→
si3n4+3co2，其中，这
里生成的co2在高温下以气体的方式存在，而对于生成的氧化硅(si3n4)而言，由于其熔点较高，在高温下仍然以固态的方式存在，因此会重新回到熔体中，从而使得从熔体挥发出的氮重新回到熔体中，减少了氮的损失，使拉制出的整个单晶硅棒中的氮浓度的降低程度减少。
26.对于上述的掺氮硅熔体m的获得，在根据本发明的实施例的设备1中，如图1所示，所述设备1还可以包括：加热器40，所述加热器40用于对所述石英坩埚10进行加热以将容纳在所述石英坩埚10中的氮化硅和多晶硅熔化并获得所述掺氮硅熔体m。
27.对于所述第一输气装置20的实现方式，在一个示例中，参见图1，所述第一输气装置20可以包括：
28.第一气体供应器21，所述第一气体供应器21用于供应一氧化碳气体，具体地供应至炉体2的内部；
29.导流筒22，所述导流筒22用于将所述第一气体供应器21供应的一氧化碳气体，具体地已供应至炉体2的内部的一氧化碳气体引导至所述掺氮硅熔体m的液面l处。
30.为避免高温的掺氮硅熔体m与周围环境中气体比如大气中的氧化发生不期望的化学反应，需要将掺氮硅熔体m保持在保护性气体的氛围中，为此，参见图1，所述设备1还可以包括：第二气体供应器50，所述第二气体供应器50用于供应惰性气体，如在图1中通过虚线箭头示意性地示出的供应至炉体2内部其中，而所述导流筒22还用于将所述第二气体供应器50供应的惰性气体引导至所述掺氮硅熔体m的液面l处，如在图1中通过虚线箭头示意性地示出的。
31.对于上述惰性气体的类型，在一个示例中，所述惰性气体可以为氩气。
32.参见图2，本发明实施例还提供了一种用于制造掺氮单晶硅的方法，所述方法可以包括：
33.将掺氮硅熔体容纳在石英坩埚中；
34.将一氧化碳气体输送至所述掺氮硅熔体的液面处；
35.利用所述掺氮硅熔体通过直接法拉制单晶硅棒。
36.对于上述的掺氮硅熔体的获得，在根据本发明的实施例的方法中，所述方法还可以包括：对所述石英坩埚进行加热以将容纳在所述石英坩埚中的氮化硅和多晶硅熔化并获得所述掺氮硅熔体。
37.在一个示例中，所述将一氧化碳气体输送至所述掺氮硅熔体的液面处，可以包括：
38.供应一氧化碳气体；
39.将供应的一氧化碳气体引导至所述掺氮硅熔体的液面处。
40.如前所述，为了将掺氮硅熔体保持在保护性气体的氛围中，所述方法还可以包括：
41.供应惰性气体；
42.将供应的惰性气体与所述一氧化碳气体一起引导至所述掺氮硅熔体的液面处。
43.上述方法中涉及的惰性气体也可以为氩气。
44.需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
45.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。