用于重掺硅单晶的掺杂方法及掺杂装置与流程

1.本发明属于重掺硅单晶生产技术领域，具体涉及一种用于重掺硅单晶的掺杂方法及掺杂装置。


背景技术：

2.随着极大规模集成电路时代的到来，cmos工艺因其众所周知的低功耗和优良的噪声容限，已经成为ic业的流行工艺，但随着集成度提高而带来器件沟道宽度的不断缩小，cmos结构所固有的pnpn晶体管引起的闩锁(latch-up)效应会更加严重，另外，电路按比例缩小后由α粒子辐射产生的软失效还可能在电路中引发严重的逻辑错误。
3.重掺单晶因其能克服器件结构中固有的闭锁效应和α粒子软失效等寄生效应，从而广泛用作硅外延片的衬底材料，随着集成电路和功率器件应用领域和范围的不断扩大，对电阻率为0.001以下的磷(ph)和0.002以下的砷(as)的重掺硅单晶片的市场需求量也不断增加。晶体中的掺杂剂的浓度受其在晶体中的溶度的限制，n型掺杂剂在硅单晶中的固溶度分别是13
×
10
21
atoms/cm3(磷)、1.7
×
10
21
atoms/cm3(砷)。晶体中摻杂剂的浓度除了受固溶度的限制外还受拉晶过程中的其它条件限制。故浓度接近极限值时晶体生长己经非常困难，对于单晶使用原钟罩气相掺杂，原钟罩掺杂效率低，拉制晶棒的电阻率为0.002附近的砷、和电阻率为0.001附近的磷的单晶合格率低。
4.现有技术中，如申请号为201811605948.4的中国发明具体公开了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。位于外壁内侧的石英壁优选为两层。该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；但是该专利掺杂后晶棒的电阻率仍然在0.003ω.cm以上，故电阻率仍然很高，无法满足拉制电阻率为0.002附近的砷单晶、和电阻率为0.001附近的磷单晶。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种降低晶棒电阻率的用于重掺硅单晶的掺杂装置。
6.还有必要提供一种用于重掺硅单晶的掺杂方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种用于重掺硅单晶的掺杂装置，包括石英钟罩，所述石英钟罩包括内层钟罩、中层钟罩、外层钟罩，所述中层钟罩为数个，所述内层钟罩、中层钟罩、外层钟罩的高度依次降低，所述内层钟罩、中层钟罩、外层钟罩同轴，所述内层钟罩、中层钟罩、外层钟罩的底壁位于同一水平面，所述中层钟罩套设在所述内层钟罩外，所述外层钟罩套设所述中层钟罩外，所述内层钟罩的底环壁均匀设置数个第一导向孔，所述中层钟罩的底环壁均匀设置数个第二导向孔。
9.优选地，所述第一导向孔与所述第二导向孔交错设置。
10.优选地，所述第一导向孔的高度为距底壁8-12cm。
11.优选地，所述第二导向孔的高度为距底壁4-8cm。
12.优选地，所述用于重掺硅单晶的掺杂装置还包括石英坩埚，所述石英坩埚内盛满硅溶液，所述石英坩埚与所述石英钟罩同轴，所述石英钟罩的底壁距所述硅溶液10-30mm。
13.优选地，所述用于重掺硅单晶的掺杂装置还包括石英杯，所述石英杯与所述内层钟罩同轴，所述石英杯与所述内层钟罩的顶部连接。
14.一种用于重掺硅单晶的掺杂方法，用如上所述的用于重掺硅单晶的及掺杂装置进行补掺杂，具体步骤如下：
15.s1：将补掺元素装入石英杯内，将石英杯放置在内层钟罩内，调整炉压为预定炉压，通入预定的氩气流量；
16.s2：将石英钟罩降低至硅溶液10-30mm处，进行补掺杂；
17.s3：补掺元素挥发完成后，将石英钟罩取出，补掺杂结束。
18.优选地，所述补掺元素为砷或磷。
19.优选地，所述预定炉压大于两倍补掺之前的炉压。
20.优选地，所述预定的氩气流量为50-100slm。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.本发明通过设置内层钟罩、中层钟罩、外层钟罩，以及在所述内层钟罩的底环壁均匀设置数个第一导向孔，所述中层钟罩的底环壁均匀设置数个第二导向孔，在受到硅溶液1000℃以上高温热场及真空的影响，掺入的磷或砷汽化后从石英杯进入内层钟罩，当内层钟罩内集聚一定浓度后，砷气体或磷气体在第一导向孔的引导下从内层钟罩的底壁进入中层钟罩，当中层钟罩内集聚一定浓度后，砷气体或磷气体在第而导向孔的引导下从中层钟罩的底壁进入外层钟罩，通过多层的适应钟罩以及第一导向孔、第二导向孔的设置，以增加砷气体或磷气体挥发行走的路径，延长掺杂时间，并且在砷气体或磷气体从底壁进入中层石英钟罩和外层石英钟罩的过程中，使得部分砷气体或磷气体进入硅溶液中进行掺杂的概率增大，显著提高掺杂效率，进一步了降低晶棒的电阻率，并且所述第一导向孔、第二导向孔均匀的设置在所述内层钟罩、中层钟罩的底壁，使得砷气体或磷气体在石英钟罩底壁分布均匀，进而掺杂进硅溶液中的浓度均匀。
23.相较于背景技术中提到的现有技术专利中，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，该专利气体分子热运动过程中，分子互相碰撞的频率相较于单层钟罩的频率大大增加，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，虽然砷的气体分子会在钟罩内存在时间更长，但是仅仅延缓了砷气体从内层钟罩通过进入外层钟罩的时间，并没有使砷气体导向融入硅溶液中，故掺杂效率并不高。
附图说明
24.图1为石英钟罩的结构示意图。
25.图2为石英钟罩的剖视图。
26.图3为用于重掺硅单晶的掺杂装置的剖视图。
27.图4为实施例一与对比例一、对比例二中不同位置电阻率对比图。
28.图5为实施例一与对比例二中平均电阻率对比图。
29.图6为实施例二与对比例三、对比例四中不同位置电阻率对比图。
30.图中：用于重掺硅单晶的掺杂装置10、石英钟罩100、内层钟罩110、第一导向孔111、中层钟罩120、第二导向孔121、外层钟罩130、石英坩埚200、石英杯300。
具体实施方式
31.以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
32.请参看图1至图3，一种用于重掺硅单晶的掺杂装置10，包括石英钟罩100，所述石英钟罩100包括内层钟罩110、中层钟罩120、外层钟罩130，所述中层钟罩120为数个，所述内层钟罩110、中层钟罩120、外层钟罩130的高度依次降低，所述内层钟罩110、中层钟罩120、外层钟罩130同轴，所述内层钟罩110、中层钟罩120、外层钟罩130的底壁位于同一水平面，所述中层钟罩120套设在所述内层钟罩110外，所述外层钟罩130套设所述中层钟罩120外，所述内层钟罩110的底环壁均匀设置数个第一导向孔111，所述中层钟罩120的底环壁均匀设置数个第二导向孔121。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
34.本发明通过设置内层钟罩110、中层钟罩120、外层钟罩130，以及在所述内层钟罩110的底环壁均匀设置数个第一导向孔111，所述中层钟罩120的底环壁均匀设置数个第二导向孔121，在受到硅溶液1000℃以上高温热场及真空的影响，掺入的磷或砷汽化后从石英杯300进入内层钟罩110，当内层钟罩110内集聚一定浓度后，砷气体或磷气体在第一导向孔111的引导下从内层钟罩110的底壁进入中层钟罩120，当中层钟罩120内集聚一定浓度后，砷气体或磷气体在第而导向孔的引导下从中层钟罩120的底壁进入外层钟罩130，通过多层的适应钟罩以及第一导向孔111、第二导向孔121的设置，以增加砷气体或磷气体挥发行走的路径，延长掺杂时间，并且在砷气体或磷气体从底壁进入中层石英钟罩100和外层石英钟罩100的过程中，使得部分砷气体或磷气体进入硅溶液中进行掺杂的概率增大，显著提高掺杂效率，进一步了降低晶棒的电阻率，并且所述第一导向孔111、第二导向孔121均匀的设置在所述内层钟罩110、中层钟罩120的底壁，使得砷气体或磷气体在石英钟罩100底壁分布均匀，进而掺杂进硅溶液中的浓度均匀。
35.相较于背景技术中提到的现有技术专利中，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，该专利气体分子热运动过程中，分子互相碰撞的频率相较于单层钟罩的频率大大增加，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，虽然砷的气体分子会在钟罩内存在时间更长，但是仅仅延缓了砷气体从内层钟罩110通过进入外层钟罩130的时间，并没有使砷气体导向融入硅溶液中，故掺杂效率并不高。
36.进一步的，所述第一导向孔111与所述第二导向孔121交错设置，阻碍气体直接从内层钟罩110流向外层钟罩130，使得气体沿第一导向孔111进入中层钟罩120内，再从中层钟罩120穿过第二导向孔121进入外层钟罩130。
37.进一步的，所述第一导向孔111的高度为距底壁8-12cm，以引导气体逐层流动。
38.进一步的，所述第二导向孔121的高度为距底壁4-8cm。
39.进一步的，所述用于重掺硅单晶的掺杂装置还包括石英坩埚200，所述石英坩埚200内盛满硅溶液，所述石英坩埚200与所述石英钟罩100同轴，所述石英钟罩100的底壁距所述硅溶液10-30mm，使得气体在逐层流动的同时也能进入硅溶液中，进行掺杂。
40.进一步的，所述用于重掺硅单晶的掺杂装置还包括石英杯300，所述石英杯300与所述内层钟罩110同轴，所述石英杯300与所述内层钟罩110的顶部连接。
41.一种用于重掺硅单晶的掺杂方法，用如上所述的用于重掺硅单晶的及掺杂装置进行补掺杂，具体步骤如下：
42.s1：将补掺元素装入石英杯300内，将石英杯300放置在内层钟罩110内，调整炉压为预定炉压，通入预定的氩气流量；
43.s2：将石英钟罩100降低至硅溶液10-30mm处，进行补掺杂；
44.s3：补掺元素挥发完成后，将石英钟罩100取出，补掺杂结束。
45.本发明通过改进的多层石英钟罩100再平配合补掺时的炉压及氩气流量，使得掺杂气体分子的热运动流动方式改变，掺杂气体分子会在石英钟罩100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。
46.进一步的，所述补掺元素为砷或磷。
47.进一步的，所述预定炉压大于两倍补掺之前的炉压。
48.进一步的，所述预定的氩气流量为50-100slm。
49.为了便于理解，本发明通过以下实施例一、对比例一、对比例二、实施例二、对比例三、对比例四进一步说明：
50.1.掺磷实施例及对比例如下所示：
51.实施例一(本发明的多层钟罩有导向孔)：
52.在1806炉采用直拉单晶的方式拉制5英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量50kg，磷掺杂量200g，等径炉压5pa，补掺炉压为10pa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，所述中层钟罩120为1层，所述第一导向孔111、第二导向孔121均为4个进行补掺，实验三次。
53.对比例一(多层钟罩无导向孔)：
54.在1806炉采用直拉单晶的方式拉制5英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量50kg，磷掺杂量200g，等径炉压5pa，补掺炉压为10pa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，所述中层钟罩120为1层，无第一导向孔111、第二导向孔121进行补掺，实验三次。
55.对比例二(单层钟罩)：
56.在1806炉采用直拉单晶的方式拉制5英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量50kg，磷掺杂量200g，等径炉压5pa，补掺炉压为4pa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，采用单层石英钟罩100进行掺杂，实验三次。
57.掺磷各三组实验数据进行对比，以下为工艺参数，如表1所示：
58.表1
[0059][0060]
实施例一、对比例一、对比例二得到的结果如表2所示：
[0061]
表2
[0062][0063]
根据表2绘制如图4、图5所示，在同等工艺条件下，通过本发明的实施例一的石英钟罩100掺杂效率明显高于对比例二单层钟罩掺杂。在同等掺杂量，通过多次实验对比，实施例一的多层钟罩比对比例二的单层钟罩头部电阻平均值低23.8％；且晶棒电阻率保持在0.0011附近，在晶棒尾部电阻率以达到0.001，通过多层石英钟罩100结构循环与硅熔液接触，让气化的磷通过熔液进行掺入，提高掺杂效率，再一方面，气化过程中，多层石英钟罩100不会出现单层钟罩浓烟现象，使炉内生长环境变好，掺杂效率及成晶率都优于单层钟罩；而实施例一的多层钟罩底部开导向孔与对比例一的多层钟罩底部不开导向孔相比电阻率不够忽高忽低，说明虽然将磷掺杂进去，但是掺杂的浓度不均匀，导致晶棒不同位置的电阻高低起伏，不够均匀。
[0064]
2.掺砷实施例及对比例如下所示：
[0065]
实施例二(本发明的多层钟罩有导向孔)：
[0066]
在1806炉采用直拉单晶的方式拉制6英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量65kg，砷掺杂量400g，等径炉压8kpa，补掺炉压为13kpa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，所述中层钟罩120
为1层，所述第一导向孔111、第二导向孔121均为4个进行补掺，实验三次。
[0067]
对比例三(多层钟罩无导向孔)
[0068]
在1806炉采用直拉单晶的方式拉制6英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量65kg，砷掺杂量400g，等径炉压8kpa，补掺炉压为13kpa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，所述中层钟罩120为1层，无第一导向孔111、第二导向孔121进行补掺，实验三次。
[0069]
对比例四(单层钟罩)
[0070]
在1806炉采用直拉单晶的方式拉制6英吋单晶晶棒时，热场尺寸为18寸，投料量65kg，砷掺杂量400g，等径炉压8kpa，补掺炉压为13kpa，氩气流量60slm，然后进行化料、引晶、放肩进入等径阶段，在补掺时，抽真空，石英杯300距硅溶液表面20cm，采用单层石英钟罩100进行掺杂，实验三次。
[0071]
掺磷各三组实验数据进行对比，以下为工艺参数，如表3所示：
[0072]
表3
[0073][0074]
实施例二、对比例三、对比例四得到的结果如表4所示：
[0075]
表4
[0076][0077]
根据表4绘制如图6所示，在同等工艺条件下，通过本发明的实施例二的石英钟罩
100掺杂效率明显高于对比例四单层钟罩、对比例三多层钟罩无导向孔的掺杂。在同等掺杂量，通过多次实验对比，实施例二的多层钟罩比对比例四的单层钟罩头部电阻平均值低22％，且晶棒电阻率保持在0.0025附近，在晶棒尾部电阻率以达到0.002，多层石英钟罩100结构循环与硅熔液接触，让气化的砷通过熔液进行掺入，提高掺杂效率，再一方面，气化过程中，多层石英钟罩100不会出现单层钟罩浓烟现象，使炉内生长环境变好，掺杂效率及成晶率都优于单层钟罩。
[0078]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。