CN102534753A - 一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法 - Google Patents

一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法 Download PDF

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张雪囡
菅瑞娟
徐强
李建宏
王彦君
沈浩平
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Abstract

本发明涉及一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法，在硅多晶棒的生产时，采用双石英坩埚法、降压直拉法获得轴向电阻率一致的硅多晶，之后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制，若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；由于本发明的多晶料棒的掺杂剂浓度均匀一致，且保持阶段无需进行气掺，则硅熔体浓度均匀性非常高，综上所述，本发明相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，径向电阻率均匀性得到了有效提高。

Description

一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法
技术领域
本发明涉及一种生产区熔硅单晶的方法，特别涉及一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法。
背景技术
生产非本征区熔硅单晶现有技术主要有：NTD法、区熔气掺法和直拉区熔法三种。
NTD中子辐照法生产的区熔硅单晶电阻率均匀性最高，但成本较大，生产周期长。
区熔气掺法在生产过程中，通过通入气态掺杂剂对区熔硅单晶进行掺杂。气态掺杂剂经过气液相界面将掺杂剂掺入到硅熔体中，进而在硅熔体凝固结晶后成功将掺杂剂掺入硅单晶中。通过掺杂剂移动路径可以知道，熔体表面的掺杂剂浓度较高，而熔体内部掺杂剂浓度较低。而且由于区熔法中，硅熔体的体积较小，对流较弱，对掺杂剂的搅拌作用非常弱，最终导致区熔硅单晶中掺杂剂分布不均，这也是导致区熔硅单晶径向电阻率不均匀的主要原因之一。
直拉区熔法，首先采用直拉法拉制硅多晶棒，掺杂剂在直拉阶段通过常规掺杂方式掺入到多晶硅棒中。随着硅熔体不断凝固结晶，受偏析作用的影响，硅熔体中掺杂剂浓度也越来越高，凝固的硅晶体电阻率也越来越低。又由于硅晶棒中心散热慢，边缘散热快，因而其固液界面为上凹形，这样在多晶硅棒中会形成上凹形的等电阻率面，且电阻率逐渐降低。
在区熔法拉制阶段，若多晶硅棒头部向下，在多晶硅棒的化料界面上，熔化的硅熔体电阻率较为接近，则为硅单晶生长提供的硅熔体电阻率较为均匀。但是由于多晶硅棒本身轴向电阻率不均匀，再加上偏析作用的影响，拉制的区熔硅单晶轴向电阻率梯度很大。同样，区熔硅单晶中心散热慢，边缘散热快，其固液界面为下凹形，所以区熔硅单晶的等电阻率面为下凹形。较大的轴向电阻率梯度导致硅片中心电阻率和边缘电阻率相差较大，因而大大降低了区熔硅单晶的径向电阻率均匀性。
在区熔法拉制阶段，若多晶硅棒头部向上，由于硅多晶本身轴向电阻率分布的影响以及偏析现象的影响，虽然所拉制的区熔硅单晶轴向电阻率分布比头部向下时有所改善，但是仍然不能得到有效控制。其次多晶硅棒熔化界面处熔化的硅熔体，其电阻率差别较大，在不能得到有效熔体对流作用下，熔体电阻率较为不均匀，最终也降低了区熔硅单晶的径向电阻率均匀性。
发明内容
本发明的目的就是为克服现有技术的不足，提供一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔法，相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，径向电阻率均匀性得到了有效提高。
本发明是通过这样的技术方案实现的：一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法，其特征在于，在硅多晶棒的生产时，采用双石英坩埚法、降压直拉法获得轴向和径向电阻率一致的硅多晶，之后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制，若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；所述方法包括如下步骤：
1)      采用双石英坩埚直拉法拉制多晶硅棒，使多晶硅整棒浓度均为c0，将多晶硅棒进行滚磨、开槽和削减机加工； 
2)      采用机加工后的多晶硅作为原料，采用区熔法进行拉晶，区熔拉晶时，从在扩肩阶段，通入定量掺杂气，掺杂气可以是磷烷或硼烷；掺杂气为磷烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=1.7×1014 atom/cm3至6.5×1021atom/cm3范围之后即停止通入掺杂气；掺杂气为硼烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=7.6×1013至1.6×1021atom/cm3范围之后即停止通入掺杂气； 
3)      保持阶段，假设结晶体积为V0，则流入的新熔体体积为V0，硅熔体体积恒定不变；由于结晶的单晶浓度为c0，则硅熔体掺杂剂减少量为c0*V0，而新增加的掺杂剂为c0*V0，掺杂剂总量不变，最终硅熔体掺杂剂浓度维持在c0/k，硅单晶的浓度也稳定在c0目标值；
根据上述步骤制备获得的区熔硅单晶径向电阻率均匀性达到＜7%。
本发明的有益效果是：由于本发明的多晶料棒的掺杂剂浓度均匀一致，且保持阶段无需进行气掺，则硅熔体浓度均匀性非常高，综上所述，本发明相比与NTD法，成本较低，且生产周期较短；与区熔气掺法和直拉区熔法相比，径向电阻率均匀性得到了有效提高。
附图说明
图1为直拉区熔法拉晶示意图；
图2为直拉区熔法，直拉多晶头部向下时拉晶示意图；
图3为直拉区熔法，直拉多晶头部向上时拉晶示意图；
图4为直拉法拉制多晶示意图。
其中1为多晶料棒，2为硅熔体，3为区熔多晶，4为多晶熔化面，5为直拉多晶料棒等电阻率线。
具体实施方式
如图1至图4所示，采用双埚法、或降压直拉法拉制径向和轴向电阻率分布一致的硅多晶棒，且掺杂剂浓度为c0。  
在硅多晶棒的生产时，采用双石英坩埚法（专利申请号：201110092539.0）、降压直拉法（专利申请号：201110084578.6），获得轴向电阻率一致的硅多晶。之后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制。
将多晶棒进行滚磨，刻槽、削尖等机加工后，退火消除其热应力及机械加工应力。
将多晶硅棒置于区熔炉内，预热、化料，并开始拉晶。
引晶、拉细颈后，降低下轴速度和下轴转速开始扩肩，在扩肩过程中及等径保持初期通入掺杂气体，使硅熔体中掺杂剂浓度为c0/k，等径保持之后停止通入掺杂气，这样可以保证硅单晶掺杂剂浓度为c0。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。

Claims (1)

1.一种有效提高区熔硅单晶径向电阻率均匀性的直拉区熔气掺法，其特征在于，在硅多晶棒的生产时，采用双石英坩埚法、降压直拉法获得轴向和径向电阻率一致的硅多晶，之后将硅多晶进行机加工并退火后置于区熔炉内，通过区熔法进行单晶拉制，若区熔单晶硅掺杂剂目标浓度为c0，则控制硅多晶的尾部掺杂剂浓度为c0，k为掺杂剂偏析系数；所述方法包括如下步骤： 
1)      采用双石英坩埚直拉法拉制多晶硅棒，使多晶硅整棒浓度均为c0，将多晶硅棒进行滚磨、开槽和削减机加工； 
2)      采用机加工后的多晶硅作为原料，采用区熔法进行拉晶，区熔拉晶时，从在扩肩阶段，通入定量掺杂气，掺杂气可以是磷烷或硼烷；掺杂气为磷烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=1.7×1014 atom/cm3至6.5×1021atom/cm3范围之后即停止通入掺杂气；掺杂气为硼烷时，硅熔体中掺杂剂浓度达到值c0/k=7.6×1013至1.6×1021atom/cm3范围之后即停止通入掺杂气； 
3)      保持阶段，假设结晶体积为V0，则流入的新熔体体积为V0，硅熔体体积恒定不变；由于结晶的单晶浓度为c0，则硅熔体掺杂剂减少量为c0*V0，而新增加的掺杂剂为c0*V0，掺杂剂总量不变，最终硅熔体掺杂剂浓度维持在c0/k，硅单晶的浓度也稳定在c0目标值；
根据上述步骤制备获得的区熔硅单晶径向电阻率均匀性达到＜7%。
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