TWI609997B - 在石英坩堝中製備矽熔融體的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，所述方法包括：將鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中進行熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。另外，本發明通過離子植入的方式入對矽片進行鋇摻雜，可以簡便且精確地控制鋇離子的摻雜量，大幅拓展本發明的實用性。
Description
本發明係關於半導體製造領域，尤其是，關於一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法以及柴氏拉晶法生長單晶矽的方法。
柴氏拉晶法被廣泛用於製備單晶矽材料，石英坩堝通常被用於承載單晶矽熔融體。柴氏拉晶法的技術是採用一個具有預定義取向的籽晶沉浸在熔融體中，使籽晶和熔融體在不同方向上旋轉，然後慢慢地往上提拉，提拉的過程中，熔融體在表面張力的作用下隨著籽晶逐漸被拉起，並冷卻結晶成為連續的單晶體。在這個提拉的過程中，石英玻璃坩堝需要承受數小時的高溫，因而其必須具有高的機械強度，以及穩定的化學性質及熱應力形變，從而保證其不發生明顯的塑性變形。而且，坩堝的體積越大，在其中承載的熔融體量就越大，熔融體熔化所需的時間就越長。
在柴氏拉晶法的單晶矽生長的過程中，由於石英坩堝在非常高的溫度下運作，導致石英坩堝的堝壁會逐漸熔解，一部分的石英顆粒溶解進入到矽熔融體中，這些石英顆粒不僅會使單晶矽熔融體在坩堝與熔融體的介面上逐漸成核生長，最重要的一個影響是，這些石英顆粒很容易逐漸在矽熔融體中釋放，從而導致最終的矽晶錠內形成大量的位錯缺陷。
美國專利US6319313揭露一種用於生長矽的矽熔融體坩堝
的製備方法，用於生長單晶矽錠。該方法首先將多晶矽和鋇劑放入到具有底壁和側壁的坩堝中，並包含小於約0.5%的不溶於矽的氣體，使多晶矽熔化以在坩堝中形成熔融體。最後，在坩堝與熔融體接觸的表面形成二氧化矽層。在熔化和晶體生長的過程中，鋇作為晶體生長促進劑而使得坩堝與熔融體的介面形成一層二氧化矽，這層二氧化矽可以降低熔融體及後續形成晶體中的污染物。所述鋇劑選自氧化鋇、矽酸鈉、醋酸鋇，鋇矽化物、氫化鋇，氯化鋇、草酸鋇、碳酸鋇、氧化矽鋇和/或在多晶矽及鋇的合金。然而，這種鋇物質的添加量需要非常精確，因而阻礙了這種方法的使用。此外，由於在坩堝表面的結晶促進劑(鋇)是均勻分佈，使得二氧化矽的生長幾乎是不可控制的。
基於以上所述，提供一種可以降低單晶矽缺陷、提高半導體裝置穩定性的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法實屬必要。
鑒於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法以及柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，用於解決現有技術中柴氏拉晶法製備單晶矽中缺陷較多的問題。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，所述方法包括：提供鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中進行熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。
作為本發明在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的一較佳實施例，將所述矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中的同時通入氣體，所述氣體包括氬氣。
作為本發明在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的一較佳實施例，所述鋇摻雜的矽片的製備包括步驟：採用離子植入法，對矽片進行鋇離子植入摻雜。
較佳地，所述鋇離子的植入能量範圍為100KeV~1000KeV，植入劑量為1012~1018離子/平方公分(ions/cm2)。
作為本發明在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的一較佳實施例，所述矽片與多晶矽原料的熔化選用的溫度範圍為1410~2000℃。
作為本發明在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的一較佳實施例，所述石英坩堝包括坩堝底部以及坩堝側壁，且在熔融過程中，所述坩堝底部以及坩堝側壁均形成不透明的二氧化矽層。
作為本發明在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的一較佳實施例，所述熔融體中，每立方公分熔融體包含的鋇原子的質量1.0×10-8~1.0×10-6克。
本發明還提供一種柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，所述方法包括：步驟1)提供鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中進行熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度；以及步驟2)採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
作為本發明的柴氏拉晶法生長單晶矽的方法的一較佳實施例，步驟2)包括：步驟2-1)對熔化有鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料的石英坩堝施加磁場；步驟2-2)採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；以及步驟2-3)在所述放肩步驟中降低拉晶速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟。
如上所述，本發明的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法以及柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，具有以下有益效果：本發明採用多晶矽與鋇摻雜的矽晶片熔化而形成熔融物質混合，能在與熔融體接觸的石英坩堝的底部及側壁上形成不透明的二氧化矽層。在晶體生長過程中，形成於坩堝內表面上不透明的二氧化矽層可以降低熔融體以及已經生長的晶體雜質水準。另外，本發明通過離子植入的方式對矽片進行鋇摻雜，可以簡便且精確地控制鋇離子的摻雜量，大幅拓展本發明的實用性。
S11~S13‧‧‧實施例1步驟1)~步驟3)
S21~S24‧‧‧實施例2步驟1)~步驟4)
圖1係表示，依據本發明之一實施例，在石英坩堝中製備矽熔融體的方法的流程。
圖2係表示，依據本發明之一實施例，柴氏拉晶法生長單晶矽的方法的流程。
以下結合圖式和具體實施例對本發明進一步詳細說明。根據本案說明書及申請專利範圍，本發明的優點及特徵將更清楚。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式，且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
實施例
實施例1
如圖1所示，本實施例提供一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，所述方法包括：提供鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中進行熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。
如圖1所示，具體地，包括步驟：如圖1所示，首先進行步驟1)S11，提供矽片，採用離子植入法，對所述矽片進行鋇離子植入摻雜。
作為示例，所述鋇離子的植入能量範圍為100KeV~1000KeV，植入劑量為1012~1018離子/平方公分。在本實施例中，所述鋇離子的植入能量範圍為500KeV，植入劑量為1015離子/平方公分。當然，所述鋇離子的植入能量和植入劑量可以依據需求進行調整，並不限於此處所列舉的示例。
本發明通過離子植入的方式對矽片進行鋇摻雜，可以簡便且精確地控制鋇離子的摻雜量，大幅拓展本發明的實用性。
如圖1所示，然後進行步驟2)S12，提供多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中。
作為示例，所述多晶矽原料可以為多晶矽塊狀材料或多晶矽沙狀材料等。
作為示例，放入鋇摻雜的矽片與多晶矽原料，需要對石英坩堝所處的腔室進行抽真空處理，然後將所述矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中的同時通入氣體，所述氣體包括氬氣，所述氬氣可以對後續熔融過程提高保護氣氛，提高熔融體的品質。
作為示例，所述矽片與多晶矽原料的熔化選用的溫度範圍為1410~2000℃。實際上，這個溫度選擇需要高於多晶矽的熔點，此處並不作具體限定。
如圖1所示，最後進行步驟3)S13，在高溫下使所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。
作為示例，所述石英坩堝包括坩堝底部以及坩堝側壁，所述坩堝底部及坩堝側壁均具有外表面及內表面，所述內表面為石英材料，在熔融過程中，所述坩堝底部以及坩堝側壁的內表面均形成不透明的二氧化矽層。
作為示例，所述熔融體中，每立方公分熔融體包含的鋇原子的質量1.0×10-8~1.0×10-6克。
本發明採用多晶矽與鋇摻雜的矽晶片熔化而形成熔融物質混合，能在與熔融體接觸的石英坩堝的底部及側壁上形成不透明的二氧化矽層。在晶體生長過程中，形成於坩堝內表面上不透明的二氧化矽層一方面不會進入到熔融體中，另一方面可以阻礙或防止所述石英坩堝表面的二氧化矽進入到熔體中，從而大幅降低熔融體以及已經生長的晶體雜質水準。
實施例2
如圖2所示，本實施例提供一種柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，所述方法包括：如圖2所示，首先進行步驟1)S21，提供矽片，採用離子植入法，對所述矽片進行鋇離子植入摻雜。
作為示例，所述鋇離子的植入能量範圍為100KeV~1000KeV，植入劑量為1012~1018離子/平方公分。在本實施例中，所述鋇離子的植入能量範圍為500KeV，植入劑量為1015離子/平方公分。當然，所述鋇離子的植入能量和植入劑量可以依據需求進行調整，並不限於此處所列舉的示例。
本發明通過離子植入的方式對矽片進行鋇摻雜，可以簡便且精確地控制鋇離子的摻雜量，大幅拓展本發明的實用性。
如圖2所示，然後進行步驟2)S22，提供多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中。
作為示例，所述多晶矽原料可以為多晶矽塊狀材料或多晶矽沙狀材料等。
作為示例，放入鋇摻雜的矽片與多晶矽原料，需要對石英坩堝所處的腔室進行抽真空處理，然後將所述矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中的同時通入氣體，所述氣體包括氬氣，所述氬氣可以對後續熔融過程提高保護氣氛，提高熔融體的品質。
作為示例，所述矽片與多晶矽原料的熔化選用的溫度範圍為1410~2000℃。實際上，這個溫度選擇需要高於多晶矽的熔點，此處並不作具體限定。
如圖2所示，接著進行步驟3)S23，在高溫下使所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。
作為示例，所述石英坩堝包括坩堝底部以及坩堝側壁，所述坩堝底部及坩堝側壁均具有外表面及內表面，所述內表面為石英材料，在熔融過程中，所述坩堝底部以及坩堝側壁的內表面均形成不透明的二氧化矽層。
作為示例，所述熔融體中，每立方公分熔融體包含的鋇原子的質量1.0×10-8~1.0×10-6克。
本發明採用多晶矽與鋇摻雜的矽晶片熔化而形成熔融物質混合，能在與熔融體接觸的石英坩堝的底部及側壁上形成不透明的二氧化矽層。在晶體生長過程中，形成於坩堝內表面上不透明的二氧化矽層一方面不會進入到熔融體中，另一方面可以阻礙或防止所述石英坩堝表面的二氧化矽進入到熔體中，從而大幅降低熔融體以及已經生長的晶體雜質水準。
如圖2所示，最後進行步驟4)S24，採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
具體地，步驟4)S24包括：步驟4-1)，對熔化有鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料的石英坩堝施加磁場；
步驟4-2)，採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；步驟4-3)，在所述放肩步驟中降低拉晶速率，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟。
在一個具體的實施過程中，所述柴氏拉晶法生長單晶矽的方法包括：在籽晶熔接前，將鋇摻雜的矽片與多晶矽碎塊以預定溫度(1410~2000℃)進行充分熔融混合，隨後降低熔融體溫度至矽熔融體表面中心區域的溫度至矽熔點溫度附近(若熔化所設定的溫度為矽熔點溫度附近，則可省略該步驟)，進行籽晶熔接，接著進行固相摻氮拉晶生長，採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；在放肩步驟中降低拉速，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟；待單晶矽錠直徑生長至預定要求後，迅速向上提升，並及時降溫，給予坩堝上升速率，根據直徑變化率速度，緩慢調節拉速控制，待單晶矽錠直徑相對穩定後，打開自動等徑控制程式，進入自動等徑控制階段，最終形成單晶矽錠。
如上所述，本發明的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法以及柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，具有以下有益效果：本發明採用多晶矽與鋇摻雜的矽晶片熔化而形成熔融物質混合，能在與熔融體接觸的石英坩堝的底部及側壁上形成不透明的二氧化矽層。在晶體生長過程中，形成於坩堝內表面上不透明的二氧化矽層可以降低熔融體以及已經生長的晶體雜質水準。另外，本發明通過離子植入的方式對矽片進行鋇摻雜，可以簡便且精確地控制鋇離子的摻雜量，大幅拓展本發明的實用性。
所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改係落入本發明之一部分。
S11~S13‧‧‧實施例1步驟1)~步驟3)
Claims (9)
- 一種在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於，所述方法包括：提供鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料，將所述鋇摻雜的矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中進行熔合形成熔融體，在熔融的過程中，所述鋇作為促進劑使得所述石英坩堝與熔融體接觸的介面形成不透明的二氧化矽層，以降低熔融體以及後續生長的矽晶錠中的雜質濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：將所述矽片與多晶矽原料放入石英坩堝中的同時通入氣體，所述氣體包括氬氣。
- 如申請專利範圍第1項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：所述鋇摻雜的矽片的製備包括步驟：採用離子植入法，對矽片進行鋇離子植入摻雜。
- 如申請專利範圍第3項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：所述鋇離子的植入能量範圍為100KeV~1000KeV，植入劑量為1012~1018離子/平方公分。
- 如申請專利範圍第1項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：所述矽片與多晶矽原料的熔化選用的溫度範圍為1410~2000℃。
- 如申請專利範圍第1項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：所述石英坩堝包括坩堝底部以及坩堝側壁，且在熔融過程中，所述坩堝底部以及坩堝側壁均形成不透明的二氧化矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法，其特徵在於：所述熔融體中，每立方公分熔融體包含的鋇原子的質量1.0×10-8~1.0×10-6克。
- 一種柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，其特徵在於，所述方法包括：步驟1)如申請專利範圍第1至7項任一項所述的在石英坩堝中製備矽熔融體的方法于石英坩堝內形成熔融體；步驟2)採用加磁場柴氏拉晶法形成單晶矽錠。
- 如申請專利範圍第8項所述的柴氏拉晶法生長單晶矽的方法，其特徵在於，步驟2)包括：步驟2-1)對熔化有鋇摻雜的矽片以及多晶矽原料的石英坩堝施加磁場；步驟2-2)採用籽晶以預定拉晶速率向上拉晶，待細晶長度達到預定長度時，降低拉晶速率進入放肩步驟；步驟2-3)在所述放肩步驟中降低拉晶速率，，形成預定直徑的單晶矽錠後，進入轉肩等徑步驟。
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