專利名稱：用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置。特別涉及一種將低熔點(diǎn)元素(磷、砷)摻入硅熔體中的裝置，用于生長(zhǎng)直徑8英寸及8英寸以上的摻雜硅晶體。
背景技術(shù)：
晶體硅材料常用作集成電路的初始材料，典型生產(chǎn)單晶硅的方法是Czochralski法(即CZ工藝)。首先將原料多晶硅熔化在石英坩堝中，在多晶硅已完全熔化并且溫度達(dá)到平衡之后，將一個(gè)晶種浸入熔體并且隨后慢慢提起，通常在提起的同時(shí)要不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)晶 體，這樣單晶就逐漸生長(zhǎng)成比較大的硅晶體。在生長(zhǎng)高品質(zhì)的硅晶體時(shí)，一些影響晶體生長(zhǎng)的條件必須小心地加以控制，比如溫度、壓力、提拉速度和熔體中的雜質(zhì)。為了控制晶體材料的導(dǎo)電類型和導(dǎo)電能力，一些特定的雜質(zhì)會(huì)被有意識(shí)地加到熔融態(tài)硅中做摻雜劑。低熔點(diǎn)的高純?cè)厝缌?、砷、銻作為摻雜劑被導(dǎo)入熔融態(tài)硅中。目前，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中摻雜其它元素需要與多晶硅混合，隨后再熔化，造成部分摻雜劑的揮發(fā)損失。對(duì)于低熔點(diǎn)的摻雜元素，如紅磷(Red Phosphor,RP)、砷(As)、鋪(Sb)等，由于其升華溫度比較低，在硅熔化后再加入摻雜劑，可以顯著減少摻雜劑由于升華蒸發(fā)帶來(lái)的損失，從而有利于改善晶錠的電阻率調(diào)控。在中國(guó)專利文獻(xiàn)01136694. X “一種用于直拉單晶制備中的摻雜方法及其裝置”公開(kāi)了一種直拉硅單晶摻雜的方法和裝置。在原料多晶硅熔化后形成的熔體上方，裝載有摻雜劑的料斗降到熔體正上方，硅熔體的輻射熱能使料斗中摻雜元素(磷、砷)升華，摻雜元素升華形成蒸汽吹向硅熔體表面，磷、砷擴(kuò)散進(jìn)入到硅的熔體。然而在該方法中裝載有摻雜劑的料斗與單晶爐提拉軸連接，單晶爐的坩堝軸與提拉軸在同一條直線上，摻雜裝置始終對(duì)準(zhǔn)石英坩堝中間部分的熔體表面。因此不論坩堝軸與提拉軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式(順時(shí)針、逆時(shí)針)以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度如何，由于坩堝軸與提拉軸的對(duì)中的關(guān)系決定了其摻雜裝置始終對(duì)準(zhǔn)石英坩堝中間特定部分的熔體表面，結(jié)果是摻雜元素的蒸汽只能從坩堝中間部分硅熔體表面進(jìn)入熔體。隨著單晶直徑的增大，坩堝直徑隨之增大，生長(zhǎng)直徑8英寸的摻雜單晶要求石英坩堝的直徑24英寸。典型的配置為24英寸石英坩堝裝入120-140公斤的多晶硅。這個(gè)裝料量是6英寸以下晶體生長(zhǎng)裝料量地3-5倍；若使8英寸晶體具有與6英寸晶體相同的電阻率，其摻雜量將增加3-5倍。對(duì)于生長(zhǎng)直徑8英寸及直徑8英寸以上的摻雜單晶采用現(xiàn)有技術(shù)，為了達(dá)到熔體中要求的雜質(zhì)濃度，摻雜量顯著提高。在摻雜過(guò)程中，摻雜元素氣體首先接觸表層熔體，摻雜元素通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入到表層熔體；其次通過(guò)熔體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)使表層熔體中的雜質(zhì)在熔體逐漸分散均勻。在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的硅熔體進(jìn)入的摻雜元素的質(zhì)量，定義為摻雜強(qiáng)度。摻雜強(qiáng)度的大小對(duì)摻雜的效率和摻雜元素在熔體內(nèi)部分布是否均勻有重要影響。通常的情況是摻雜強(qiáng)度的小，摻雜效率高且熔體內(nèi)部的雜質(zhì)分布也更均勻。[0009]為了減少摻雜強(qiáng)度，采用多次摻雜的技術(shù)，即同樣重量的摻雜劑分為2 3份，逐次地?fù)饺胪粋€(gè)坩堝的熔體中。但采用這種摻雜模式單晶爐需要進(jìn)行多次3 4次隔離/凈化操作，增加了操作的復(fù)雜性。摻雜強(qiáng)度高時(shí)摻雜元素分布不均勻，從熔體表面逸出SiO與摻雜元素升華形成蒸汽容易結(jié)合成“顆?！保@種“顆?！痹谌垠w表面，很難溶于硅的熔體，也不容易從熔體表面揮發(fā)?！邦w?！钡拇嬖冢斐蔁o(wú)位錯(cuò)晶體的生長(zhǎng)失敗和回熔次數(shù)的增加。美國(guó)專利文獻(xiàn)US6899760在摻雜裝置中設(shè)計(jì)了篩板，摻雜時(shí)篩板浸入到娃熔體中，摻雜結(jié)束后希望篩板將“顆?！睆娜垠w中帶出。但篩板必須浸入到硅熔體中，摻雜過(guò)程摻雜元素升華造成摻雜裝置內(nèi)部壓力劇烈變化極易造成“噴硅”，嚴(yán)重的“噴硅”可能造成摻雜裝置的損毀。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置能增加接觸、吸收氣態(tài)摻雜元素的熔體面積、降低摻雜強(qiáng)度、提高摻雜效率、提高直徑8英寸及8英寸以上的摻雜硅晶體無(wú)位錯(cuò)收率，并能提高摻雜元素分布的均勻性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案·一種用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成，該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，該摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，該摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線處于偏心狀態(tài)。作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述摻雜裝置具有兩個(gè)摻雜單元，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。所述兩個(gè)摻雜單元呈180度分布，相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度可以相同，也可以不同。作為本實(shí)用新型的另一種優(yōu)選方案，所述摻雜裝置具有三個(gè)摻雜單元，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。所述三個(gè)摻雜單元呈120度分布，三個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同、或者其中兩個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同、或者三個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度各不相同。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型采用具有兩個(gè)或三個(gè)摻雜單元的組合式摻雜裝置，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。在摻雜過(guò)程中，由于石英坩堝旋轉(zhuǎn)作用，摻雜單元下方熔體面積更新加快、增加了吸收氣態(tài)摻雜元素的熔體有效面積，降低了摻雜強(qiáng)度，提高了摻雜的均勻性，進(jìn)而提聞了直徑8英寸及8英寸以上的慘雜娃晶體無(wú)位錯(cuò)收率。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例I的摻雜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2的摻雜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3的摻雜裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，但并不意味著對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例I如圖I所示，摻雜裝置具有兩個(gè)摻雜單元，該兩個(gè)摻雜單元分布在提拉軸的兩側(cè)，并且相對(duì)石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同。在摻雜過(guò)程中每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。本實(shí)施例采用該摻雜裝置向120kg硅熔體中摻入720g元素砷(As),具體摻雜過(guò)程為將720g元素砷(As)均分為兩份,每份摻雜劑重360g,分別裝入圖I所示兩個(gè)高度相同的摻雜單元內(nèi)進(jìn)行摻雜，摻雜時(shí)石英坩堝順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為I 3rpm。兩個(gè)摻雜單元內(nèi)的元素砷(As)在大約6 8分鐘汽化、升華完畢。測(cè)定相對(duì)吸收面積和摻 雜相對(duì)強(qiáng)度，摻雜效果如表I所示。實(shí)施例2如圖2所示，摻雜裝置具有兩個(gè)摻雜單元，該兩個(gè)摻雜單元分布在提拉軸的兩側(cè)，并且相對(duì)石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度不同。在摻雜過(guò)程中每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。本實(shí)施例采用該摻雜裝置向120kg硅熔體中摻入720g元素砷(As),具體摻雜過(guò)程為將720g元素砷(As)均分為兩份,每份摻雜劑重360g,分別裝入圖2所示兩個(gè)高度不相同的摻雜單元內(nèi)進(jìn)行摻雜，摻雜時(shí)石英坩堝順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為I 3rpm。大約5 6分鐘后相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度低的摻雜單元內(nèi)的元素砷(As)升華完畢；8 10分鐘后相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度更高的摻雜單元內(nèi)元素砷(As)也升華完畢。測(cè)定相對(duì)吸收面積和摻雜相對(duì)強(qiáng)度，摻雜效果如表I所示。實(shí)施例3如圖3所示，摻雜裝置具有三個(gè)摻雜單元，該三個(gè)摻雜單元之間對(duì)稱分布在提拉軸的周圍，并且相對(duì)石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同。在摻雜過(guò)程中每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。本實(shí)施例采用該摻雜裝置向120kg硅熔體中摻A 720g的元素砷(As),具體摻雜過(guò)程為將720g元素砷(As)均分為三份,每份摻雜劑重240g，分別裝入圖3所示三個(gè)高度相同的摻雜單元內(nèi)進(jìn)行摻雜，摻雜時(shí)石英坩堝順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為I 3rpm。三個(gè)摻雜單元內(nèi)的元素砷(As)在大約5 6分鐘汽化、升華完畢。測(cè)定相對(duì)吸收面積和摻雜相對(duì)強(qiáng)度，摻雜效果如表I所示。對(duì)比實(shí)施例采用具有單一摻雜單元的摻雜裝置，該摻雜單元的軸線與石英坩堝的軸線重合，該摻雜單元距離石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度與實(shí)施例I的摻雜裝置的高度相同。采用該摻雜單元向120kg硅熔體中摻入720g元素砷(As)。將720g元素砷(As)全部裝入該摻雜單元內(nèi)，摻雜時(shí)石英相■禍順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為I 3rpm。720g元素As在8 10分鐘升華完畢。測(cè)定相對(duì)吸收面積和摻雜相對(duì)強(qiáng)度，摻雜效果如表I所示。表I實(shí)施例1-3及對(duì)比實(shí)施例的摻雜效果比較
權(quán)利要求1.一種用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成，該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，其特征在于摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，即摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線處于偏心狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特征在于所述摻雜裝置具有兩個(gè)摻雜單元，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特征在于所述兩個(gè)摻雜單元呈180度分布，相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特征在于所述兩個(gè)摻雜單元呈180度分布，相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特征在于所述摻雜裝置具有三個(gè)摻雜單元，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，其特征在于所述三個(gè)摻雜單元呈120度分布，三個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同、或者其中兩個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度相同、或者三個(gè)摻雜單元相對(duì)所述石英坩堝內(nèi)熔體液面的垂直高度各不相同。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種用于生長(zhǎng)摻雜直拉晶體的摻雜裝置，該摻雜裝置由摻雜單元組合而成。該摻雜裝置與單晶爐的提拉軸連接，但摻雜單元的軸線不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，該摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線處于偏心狀態(tài)。本實(shí)用新型的摻雜裝置具有兩個(gè)或三個(gè)摻雜單元，每個(gè)摻雜單元的軸線均不與石英坩堝的軸線和/或單晶爐的提拉軸重合，每個(gè)摻雜單元相對(duì)于石英坩堝的軸線均處于偏心狀態(tài)。在摻雜過(guò)程中，由于石英坩堝旋轉(zhuǎn)作用，摻雜單元下方熔體面積更新加快、增加了吸收氣態(tài)摻雜元素的熔體有效面積，降低了摻雜強(qiáng)度，提高了摻雜的均勻性，進(jìn)而提高了直徑8英寸及8英寸以上的摻雜硅晶體無(wú)位錯(cuò)收率。
文檔編號(hào)C30B29/06GK202430327SQ20112050311
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者方峰, 王學(xué)峰, 鄧德輝, 鄭沉, 高朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:國(guó)泰半導(dǎo)體材料有限公司, 有研半導(dǎo)體材料股份有限公司