专利名称：一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自熔融提拉法单晶生长中的掺杂工艺及设备，更具体地说是生产单晶硅棒的掺杂方法及其设备。
少量的杂质元素(一般称为掺杂元素)掺入硅中即可显著地改变硅的导电性能。一般情况下，掺入的杂质愈多，硅的电阻率愈低。这也是硅单晶能得以广泛使用的原因。硅的导电性能分为空穴导电和电子导电，分别称为P型半导体硅和N型半导体硅。P型硅一般掺入硼(B)元素，而N型硅依其用途不同分别掺入磷(P)元素、锑(Sb)元素和砷(As)元素。当要求硅单晶体的电阻率达到很低的值时，就要向熔硅中加入很多的上述某种元素。
以往切克劳斯基法制造的硅单晶所用的掺杂方法依其加入方式可分为共熔法和投入法。共熔法是将掺杂物质与多晶硅一起放在石英坩埚内熔化。投入法是多晶硅在石英埚内完全熔化后，将掺杂物质投入埚内熔化，实现掺杂的目的。
共熔法是生长中高电阻率范围的硅晶体常用的掺杂方法。如要求目标电阻率很低，对N型掺杂元素磷、锑、砷，它们在硅熔点附近温度时的饱和蒸气压很高，挥发很快，只有很少一部分掺杂元素能够进入硅晶体中，其掺杂效率(进入晶体的杂质量除以掺入杂质总量)很低，一般只有2-10％。如要达到低的电阻率，则必须掺入很多的掺杂元素，而且掺杂元素的挥发物对硅晶体的无位错生长影响很大。所以在生长低电阻率的N型硅晶体时很少采用共熔法掺杂。
投入法是一种被采用的生长低的电阻率N型直拉硅晶体的掺杂方法。但它的掺杂效率也只有20-45％。而且，在使用此方法后，由于可能是因掺杂剂在熔体硅中扩散不匀，此方法会引起较多的回熔(硅晶体生长期间，当其结构内产生大量的位错缺陷时，将晶体重新熔化掉，并进行再一次籽晶与熔体接触以便生长无位错缺陷晶体的过程)。
本发明的另一个目的是研究出进行气相掺杂所用的装置，使得气相掺杂的方法得以实现。
本发明的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，将所要掺杂的需要量的掺杂元素，置于掺杂装置的内筒中，将带有内筒的掺杂装置悬挂在晶体提拉舱室中，抽真空，晶体提拉舱室和晶体生长室中充入氩气，将原料多晶硅熔化，多晶硅熔化后，在石英坩埚的旋转的条件下，将带有盛放着掺杂元素的内筒的掺杂装置下降至多晶硅熔体的液面上，待被掺杂的元素挥发完全后，盛有硅熔体的石英坩埚继续旋转所需的时间，将带有内筒的掺杂装置提升到晶体提拉舱室中，关闭晶体提拉舱室与晶体生长室之间的隔离阀，向晶体提拉舱室中充入氩气，使氩气的压力为1.1×105Pa(一个大气压)，打开晶体提拉舱室的门，安装上特定晶向的籽晶，将晶体提拉舱室中的压力抽至晶体生长室的压力，开启隔离阀进行单晶硅棒的拉制工作。
将带有内筒的掺杂装置悬挂在晶体提拉舱室中，置于掺杂装置的内筒的掺杂元素的量视所要求的掺杂量来决定。合上炉室，并抽真空至6.5-11Pa，向晶体提拉舱室和晶体生长室中充入氩气，使氩气的压力为1.3×103-1.3×104Pa为好。多晶硅熔化后熔硅温度稳定在1400-1450℃，所说的掺杂元素为磷(P)、砷(As)和锑(Sb)，P、As、Sb均为半导体级。在石英坩埚的旋转条件下将带有盛放着掺杂元素的内筒的掺杂装置以100-500mm/min的速度从上向下降至熔化的多晶硅的液面上，钟罩下端口面距熔化的多晶硅液面的距离以5-200mm为佳，其距离视掺杂元素的挥发性及掺杂的量所决定。石英坩埚的旋转速率为4-20转/分。从视窗中看到掺杂元素完全挥发后或控制盛有掺杂元素内筒在多晶硅液面上的时间，其时间一般控制在5-60分钟。控制时间的长短视掺杂元素的挥发性的大小来决定，若掺杂元素难于挥发控制时间就长；若掺杂元素易于挥发，则控制的时间就短。掺杂元素磷、砷、锑挥发完全后，盛有掺杂后的多晶硅熔体的石英坩埚以4-20转/分的速率继续旋转20-120分钟。将带有内筒的掺杂装置提升到晶体提拉舱室中，关闭晶体提拉舱室与晶体生长室之间的隔离阀，向晶体提拉舱内充入氩气，使氩气的气压至1.1×105Pa(一个大气压)，打开晶体提拉舱门，取出带有内筒的掺杂装置，安装上特定晶向的籽晶，关闭晶体提拉舱的门。将晶体提拉舱室中的气压抽至晶体生长室的压力1.3×103-1.3×104Pa，开启隔离阀，按本领域所属技术人员所知的方法进行单晶硅棒的拉制工作。在硅单晶生长过程中炉内是负压状态，必须不断充入氩气保护，使含有一氧化硅的氩气气体保持在1.3×103-1.3×104Pa。逐步降硅熔体的温度至硅的熔点附近，使石英坩埚和籽晶反向旋转，石英坩埚旋转速率为4-20转/分，籽晶的旋转速率为8-30转/分。将硅籽晶慢慢下降，并与硅熔体接触，后以0.8mm/min-5mm/min的速度向上提升籽晶。此过程的目的主要消除籽晶中因热冲击形成的位错缺陷，待籽晶提升到一定长度时(50mm-300mm)，将提升速度减慢至0.4mm/min-0.6mm/min，同时降低硅熔体的温度至1418℃左右，使籽晶直径加大，当籽晶直径增大到比目标直径约低10mm-20mm时，增加提升速度至1.27mm/min-2.50mm/min，使晶体近乎等直径生长，即所谓等径生长阶段，在等径生长阶段拉速一般约为1.5mm/min左右，逐渐减小到0.4-0.8mm/min左右。在石英坩埚内存储的硅料不多时，进入收尾阶段，拉速为0.6mm/min-1.2mm/min，同时适当增加加热的功率，使晶体直径变化至一个倒锥形，当锥尖足够小时，它会脱离硅熔体，这时晶体的生长过程结束。等晶体冷却至近于室温时，将晶体取下。所生成的晶棒是圆锥形物体，具有一个中心轴，一个籽晶端锥体和一个尾锥体，而两个锥体之间是近乎恒定直径的圆柱体。
本发明的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，包括钟罩19、吊钩20、有底的内筒21，钟罩19的项部与吊钩20的钩柄熔接相连，内筒的提手23挂在吊钩20的钩上。
所说的钟罩、吊钩、内筒均用半导体级石英材料制成为好。钟罩的下半部的高为30mm-300mm。钟罩的上半部的外形可为漏斗形，四面体形、六面体形等各种形状，其下半部可相对应地为圆筒状、正方体筒状，长方体筒状，六面体筒状。内筒21的底面与钟罩的下端口面的距离为3-25mm。内筒的侧壁与钟罩下半部侧面壁的距离为5mm-100mm。内筒可为正方体筒状、长方体筒状，圆柱体形筒状其中的一种。内筒的高为25mm-150mm，内筒底及壁的厚为2mm-15mm，若内筒的带底的圆柱体形筒状，其外直径为30mm-150mm，若内筒为正方体形筒状，边长为30mm-120mm，若内筒为长方体形筒状宽为30mm-140mm，长为40mm-150mm。在内筒中加入需要量的掺杂元素。钟罩上半部，下半部的形状以及内筒的形状对掺杂效率没有影响。
本发明的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法及其装置的优点就在于1、由于采用了本发明的气相掺杂方法克服了已有技术的共熔法和投入法的不足，提高了掺杂效率，减少了回熔次数，回熔次数可减少2-3次，见表1。所说的回熔是指硅晶体生长期间，当其结构内产生大量的位错缺陷时，将晶体重新熔化掉，并进行再一次籽晶与熔体接触，以便生长无位错缺陷的过程。
表1几种掺杂方法的特性比较掺杂方法 适用范围 掺杂效率 回熔次数中高电阻率范围的N型元素以及各低电阻率时，N型低电阻率时N型共熔法种电阻率范围的P型元素，不能用元素小于10％ 元素，大于5次于低电阻率时N型元素投入法各种型号及电阻率范围，各种元素 低电阻率时N型元素 低电阻率时，N20-45％型元素，平均3次本发明的气相法各种型号及电阻率范围，各种元 低电阻率时N型元低电阻率时，N素 素50-85％ 型元素平均1次左右从表1中可见，共熔法可运用于中高电阻率范围的N型元素的掺杂以及各种电阻率范围的P型元素的掺杂，但它不能用于低电阻率的N型元素的掺杂。投入法虽然适用于各种型号及电阻率范围的掺杂，但它与本发明的气相掺杂相比，具有掺杂效率低和回熔次数多的缺点。本发明的气相掺杂法适用范围广，适用于各种型号及电阻率范围，各种元素，更适用于生长低的电阻率N型直拉硅单晶体的掺杂。
2、本发明的用于直拉硅单晶制备中掺杂装置，其结构简单、原料易得，具有在使用中产生了提高掺杂效率，减少回熔次数的优良效果。
图中，1为籽晶、3硅单晶棒、4为上盖、5为碳保温材料、6为温度信号孔、7为石墨发热体、8为晶体生长室、9为排气口、10为防漏盘、11为石墨中轴、12为碳保温层、13为硅熔体，14为石英坩埚支持器、16为石英坩埚，还有保温筒，底座。
图2气相掺杂法(本发明)示意图；图中，4为上盖、5为碳保温材料、6为温度信号孔、7为石墨发热体、8为晶体生长室、9为排气口、10为防漏盘、11为石墨中轴、12为碳保温层、13为硅熔体，14为石英坩埚支持器、16为石英坩埚、19为钟罩、20为吊钩、21为内筒、22为内筒中的掺杂元素、23为内筒的提手。
图3掺杂装置结构示意图；图中，19为钟罩、20为吊钩、21为内筒、22为内筒中的掺杂元素、23为内筒的提手。
分析方法用87的ASTM法。
本实施例所使用的用于直拉硅单晶的掺杂装置，由钟罩19吊钩20，内筒21构成，钟罩19的顶部与吊钩20的钩柄熔接相连，钩柄上部有一个孔，内筒21的提手23挂在吊钩20的钩上。掺杂装置均由半导体级石英构成。内筒21中盛有掺杂元素P。
钟罩下半部的高为85mm，钟罩的上半部为漏斗形，其下部为圆筒状。内筒21的底面与钟罩的下端口面的距离为3mm，内筒21的侧壁与钟罩下半部的侧壁距离为50mm。内筒的高为40mm，内筒底及壁厚为2mm，内筒21为有底的圆柱体状的带有底的桶，其外径为30mm。实施例2操作方法和设备其本同实施例1，唯不同的是内筒中的磷为66.36克，抽真空到11Pa，晶体提拉舱室和晶体生长室的氩气的压力为1.3×104Pa，原料多晶硅的量为60公斤，熔化了硅的温度稳定在1422C，石英坩埚的旋转速度为6转/分，带有盛放着掺杂元素P的内筒的掺杂装置以150mm/min的速度下降至多晶硅熔体的液面上，使钟罩19的下端口面距熔化的多晶硅液面距离为200mm，从视窗中看到磷完全挥发后(约47分钟)，石英坩埚以旋转速率6转/分继续旋转80分钟，关闭晶体提拉舱的门后，使昌体提拉舱室的气压保持在1.3×104Pa，开启隔离阀，使含有一氧化硅的氩气的气压保持在1.3×104Pa，逐步将硅熔体降到硅熔点的1420℃，石英坩埚的旋转速率为6转/分，籽晶的旋转速率为15转/分，籽晶与硅熔体接触，以1.2-3mm/min的速度向上提升籽晶，待籽晶提至150mm时，将提升速度减慢至0.6mm/min，同时降低硅熔体的温度至1415℃，当籽晶增大到目标直径低约11mm时，增加提升速度至2.1mm/min，使晶体近乎等直径生长，拉速为1.2mm/min，逐渐减小至0.6mm/min，石英坩埚存储的硅料不多时拉速为1.0mm/min，同时增加加热功率约2.5kw，生成的晶体直径至156mm，掺杂效率为55％，进行20次试验回熔次数1次，头部电阻率为0.006欧姆厘米。
所用的掺杂装置钟罩下半部高150mm内筒21的底面与钟罩下口端面距离15mm，内筒的高为80mm，内筒侧壁与钟罩下半部的侧壁的距离为5mm，内筒的底及壁厚为15mm，内筒21为有一个底的圆柱体状的桶，其外径为100mm。
所用的掺杂装置，钟罩下半部高200mm，内筒21的底面与钟罩下端口面距离25mm，内筒的高150mm，内筒侧壁与钟罩下半部的侧壁的距离60mm，内筒的底及壁厚8mm内桶的外直径130mm。
所用的掺杂装置钟罩下半部高300mm，内筒21的底面与钟罩下端口面距离为15mm，内筒高150mm，内筒侧壁与钟罩下半部的侧壁距离45mm，内筒的底及壁厚5mm，内筒的外直径110mm。
所用的掺杂装置，钟罩下部高38mm，内筒21的底面与钟罩下端口面距离8mm，内筒的高为30mm，内筒侧壁与钟罩下半部的侧壁的距离为100mm，内筒的底及壁厚3mm，内筒的外直径为150mm。
所用的掺杂装置，钟罩下部高90mm，内筒21的底面与钟罩下端口面距离20mm，内筒的高为80mm，内筒侧壁与钟罩下半部的侧壁的距离为50mm，内筒的底及壁厚2mm，内筒的外径为60mm。
权利要求
1.一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征在是1)将所要掺杂的需要量的掺杂元素，置于掺杂装置的内筒中；2)将带有内筒的掺杂装置悬挂在晶体提拉舱室中，抽真空，晶体提拉舱室和晶体生长室中充入氩气；3)将原料多晶硅熔化，多晶硅熔化后，，在石英坩埚旋转的条件下，将带有盛放着掺杂元素内筒的掺杂装置，下降至多晶硅熔体的液面上；4)待被掺杂的元素挥发完全后，盛有硅熔体的石英坩埚继续旋转所需要的时间；5)将带有内筒的掺杂装置提升到晶体提拉舱室中，关闭晶体提拉舱室与晶体生长室之间的隔离阀，向晶体拉舱室中充入氩气，使氩气的压力为1.1×105Pa，打开晶体提拉舱室的门，安装上特定晶向的籽晶，6)将晶体提拉舱中的压力抽至晶体生长室的压力，开启隔离阀，进行单晶硅棒拉制。
2.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，抽真空6.5-11Pa。
3.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，晶体提拉舱室和晶体生长室中充入氩气，使氩气的压力为1.3×103-1.3×104Pa。
4.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，多晶硅熔化后，熔硅温度稳定在1400-1450℃。
5.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，所说的掺杂元素为磷、砷、锑，均为半导体级。
6根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，将带有盛放着掺杂元素的内筒的掺杂装置，以100-500mm/min的速度从上向下降至多晶硅的液面上，钟罩下端口面距熔化的多晶硅液面的距离为5-200mm。
7.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，石英坩埚的旋转速率为4-20转/分，继续旋转20-120分钟。
8.根据权利要求1的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂方法，其特征是，晶体提拉舱室的压力抽至1.3×103-1.3×104Pa。
9.一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，包括钟罩(19)、吊钩(20)，有底的内筒(21)，钟罩(19)的顶部与吊钩(20)的钩柄熔接相连，内筒的提手(23)挂在吊钩(20)的钩上。
10.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，钟罩的下半部高为30-300mm。
11.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，内筒(21)的底面与钟罩(19)的下端口面的距离为3-25mm。
12.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，内筒的侧壁与钟罩下半部侧面壁的距离为5-100mm。
13.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，内筒高25-150mm。
14.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，内筒底及壁的厚为2-15mm。
15.根据权利要求9的一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂装置，其特征是，内筒为带底的园柱体形筒状，其外径为30-150mm。
全文摘要
本发明涉及生产硅单晶棒的掺杂方法及设备，是一种用于直拉硅单晶制备中的掺杂的方法及装置，用于直拉硅单晶的掺杂。将待掺杂的元素置于掺杂装置的内筒中，将带有盛放着掺杂元素内筒的掺杂装置，下降到多晶硅熔体的液面上，在石英坩埚的旋转下，使被掺杂的元素挥发完全，使石英坩埚继续旋转所需时间，安装上特定晶向的籽晶进行单晶硅棒的拉制。应用本发明的气相掺杂法解决了已有技术中掺杂效率低的技术问题。提高了掺杂效率，减少了回熔次数；本发明的掺杂装置由钟罩、吊钩、内筒所组成，使得本发明的掺杂方法得以实现。
文档编号C30B15/04GK1414147SQ0113669
公开日2003年4月30日 申请日期2001年10月26日 优先权日2001年10月26日
发明者屠海令, 秦福, 周旗钢, 张果虎, 方锋, 吴志强, 戴小林 申请人:北京有色金属研究总院, 有研半导体材料股份有限公司