TWI825959B - 氮摻雜p型單晶矽製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種氮摻雜P型單晶矽製造方法，包括：將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體；向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體；在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽。
Description
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種氮摻雜P型單晶矽製造方法。
伴隨資訊化的全球發展，矽片應用領域的器件尺寸持續減小，同時在器件集成度逐漸提高的情況下，功率器件的應用領域越來越廣，功率器件的主要特徵是耐高壓，基底的電阻對於器件性能的影響極大，因此要求基底的電阻率高且電阻率變化小。由於摻雜元素與矽元素晶格不匹配，在單晶矽生長過程中存在分凝現象，即摻雜元素結晶於單晶矽晶錠中的濃度小於熔體（原料）中的濃度，使得摻雜元素在坩堝中的濃度不斷升高，從而使單晶矽晶錠中摻雜元素的濃度也不斷升高，致使單晶矽晶錠生長末期摻雜元素濃度急劇升高，載流子密度隨之顯著升高，晶錠電阻率急劇下降，晶錠軸向電阻率變化梯度較大。近年來伴隨著電子元器件尤其是功率器件要求電阻率變化率梯度越來越小，通過改變摻雜方式來減小電阻率的變化變得非常重要。另外，若在上述矽晶片上存在重金屬雜質，會引起器件的特性不良，因此減少重金屬雜質也值得引起注意。作為降低重金屬雜質的技術之一，吸雜技術的重要性越來越高，因此使用吸雜效果高的低電阻率的P型矽晶片是很有利的。同時在器件集成度逐漸提高的情況下，矽片所受到的應力會顯著提高，由於矽材料的機械強度低，會影響加工和製造過步驟參數的設定，並且在產品組裝過程中矽片損傷、破碎的情況極其容易發生，從而導致矽片生產成本的增加，因此改善矽片的機械強度具有重要意義。
用於生產上述積體電路等半導體電子元器件的矽片，主要通過將直拉（Czochralski）法拉制的單晶矽棒切片而製造出。Czochralski法包括使由石英製成的坩堝中的多晶矽熔化以獲得矽熔體，將單晶晶種浸入矽熔體中，以及連續地提升晶種移動離開矽熔體表面，由此在移動過程中在相介面處生長出單晶矽棒。
在通過上述直拉法製備吸雜效果高的低電阻率的P型矽晶片的過程中，通常選擇硼作為控制電阻率的摻雜劑，通過摻氮去除Void缺陷增強機械強度。然而在摻硼、摻氮的過程中，由於作為硼摻雜劑的硼單質易揮發且與氮會形成難融化的氮化硼（BN）使得製成的低電阻率的P型矽晶片硼含量低，或者造成位錯導致拉晶失敗。同時，硼摻雜劑和氮摻雜劑的熔化溫度高，使得石英坩堝軟化，導致氧析出不可控，影響製成的吸雜效果、低電阻率低的P型矽晶片的品質。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供一種氮摻雜P型單晶矽的製造方法，能夠克服硼易揮發的問題，且能避免氮化硼生成，從而以高生產率、低成本製造高品質的具有高吸雜能力的氮摻雜P型單晶矽。
本發明的技術方案是這樣實現的，包括：
將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體；
向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體；
在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽。
可選地，該將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體包括：
將該高摻雜氮單晶定量計算後與該多晶矽一起投入坩堝；
將該拉晶爐抽真空並通入保護氣體；
打開加熱器，提升爐室溫度並保溫一段時間，直至該高摻雜氮單晶與該多晶矽完全熔化，得到該第一矽熔體。
可選地，該第一矽熔體為低摻氮矽熔體；
可選地，該保護氣體為氬氣。
可選地，該向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體包括：
將該第一矽熔體靜置一段時間；
向靜置後的該第一矽熔體加入該高摻雜硼單晶；
提高爐室溫度，使得該高摻雜硼單晶完全融化至該第一矽熔體，得到該第二矽熔體。
可選地，該第二矽熔體為低摻硼氮矽熔體。
可選地，該在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽包括：調節爐室溫度；向該第二矽熔體中緩慢放置籽晶，經過引晶、縮頸、放肩、等徑生長、收尾階段完成晶體的生長過程；製成該氮摻雜P型單晶矽。
可選地，該高摻雜氮單晶和該高摻雜硼單晶為顆粒或粉末。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
本發明的氮摻雜P型單晶矽製造方法是以柴氏拉晶法（又稱為直拉法）為基礎，同時配合固相摻雜的方式進行氮摻雜P型單晶矽的製備。也就是說，將多晶矽和摻雜劑一起放置在坩堝內加熱形成熔體，並提拉該熔體生長成單晶矽。在本發明中，將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體；向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體；在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽。
為了通過改變摻雜方式減小電阻率的變化這一技術問題，相關技術中一般通過摻雜兩種或更多種微量元素作為雜質，可使得單晶的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素，根據摻雜劑不同所帶來的導電性能上的差異一般可分為N型單晶矽片和P型單晶矽片。在單晶矽片中摻入微量雜質時，雜質原子附近的週期勢場受到干擾並形成附加的束縛狀態，在禁帶中產生附加的雜質能級。能提供電子載流子的雜質稱為施主（Donor）雜質，相應能級稱為施主能級，位於禁帶上方靠近導帶底附近。例如四價元素矽晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的矽原子形成共價鍵，多餘的一個電子被束縛於雜質原子附近，產生類氫淺能級—施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多，很易激發到導帶成為電子載流子，因此對於摻入施主雜質的單晶矽片，導電載流子主要是被激發到導帶中的電子，屬電子導電型，稱為N型單晶矽片。由於單晶矽片中總是存在本征激發的電子電洞對，所以在N型單晶矽片中電子是多數載流子，電洞是少數載流子。
相應地，能提供電洞載流子的雜質稱為受主（Acceptor）雜質，相應能級稱為受主能級，位於禁帶下方靠近價帶頂附近。例如在矽晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時，雜質原子與周圍四個矽原子形成共價結合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態就是受主能級。由於受主能級靠近價帶頂，價帶中的電子很容易激發到受主能級上填補這個空位，使受主雜質原子成為負電中心。同時價帶中由於電離出一個電子而留下一個空位，形成自由的電洞載流子。因此這時電洞是多數載流子，雜質單晶矽片主要靠電洞導電，即電洞導電型，稱為p型單晶矽片。在P型單晶矽片中電洞是多數載流子，電子是少數載流子。在半導體器件的各種效應中，少數載流子常扮演重要角色。其特點在於摻入的雜質越多，多子（電洞）的濃度就越高，導電性能就越強。
在實際使用過程中，通常使用硼作為控制電阻率的摻雜劑。因此，提供這樣的一種P型矽片是非常有利的，該P型矽片具有從正面開始向體內延伸的無晶體缺陷區域（Denuded Zone，DZ）以及與DZ鄰接並且進一步向體內延伸的含有體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）的區域，這裡的正面指的是P型矽片的需要形成電子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因為為了在P型矽片上形成電子元器件，要求在電子元器件的形成區域內不存在晶體缺陷，否則會導致電路斷路等故障的產生，使電子元器件形成在DZ中便可以避免晶體缺陷的影響；而上述的BMD的作用在於，能夠對金屬雜質產生內在吸雜（Intrinsic Getter，IG）作用，使P型矽片中的金屬雜質保持遠離DZ，從而避免金屬雜質導致的漏電電流增加、柵極氧化膜的膜質下降等不利影響。
然而，在生產上述的具有BMD區域的P型矽片的過程中，在P型矽片中摻雜有氮是非常有利的。在P型矽片中摻雜有氮的情況下，能夠促進以氮作為核心的BMD的形成，從而使BMD達到一定的密度，使BMD作為金屬吸雜源有效地發揮作用，而且還能夠對BMD的密度分佈產生有利影響，比如使BMD的密度在P型矽片的徑向上的分佈更為均勻，比如使BMD的密度在臨近DZ的區域更高而朝向矽片的體內逐漸降低等。在CZ法制P型矽片中摻雜氮雜質還可以減小Voids的尺寸，使其在高溫下退火得到消除，氮還能改善位錯提高P型矽片的機械性能。另外，在CZ法拉制P型矽片中摻雜氮雜質，氮和氧會發生相互作用，形成淺熱施主性能的氮氧複合體，進一步改善P型矽片的電學性能。
在製備氮摻雜P型單晶矽時，相關技術中通常將氮摻雜劑、硼摻雜劑以及多晶矽原料同時加入到石英坩堝中進行加熱，原材料均熔化後得到摻雜有氮和硼的矽熔體，接著，以CZ法拉制氮摻雜P型單晶矽。在該製備過程中，本領域通常使用固態材料進行摻雜劑添加，以精確地控制摻雜劑的添加濃度，如選用Si
3N
4原材料和硼單質作為摻雜劑。在製備氮摻雜P型單晶矽的過程中，需要將石英坩堝內的多晶矽、Si
3N
4原材料以及硼單質加熱為熔融狀態，以獲得摻有氮和硼的矽熔體。在1450℃下多晶矽可完全融化，然而Si
3N
4原材料和硼單晶分別需要在1900℃和2100℃下保溫一段時間才能夠完全融解，未完全融解的摻雜劑會造成晶棒中的位錯缺陷，導致拉晶失敗。
但是，將爐室溫度長時間保持在高溫下會造成石英坩堝的軟化，熔融Si和坩堝原料SiO
2的反應產物為氣態SiO，逸出後與放置坩堝的石墨製品反應形成CO氣體，CO易於進入矽熔體中，將碳和氧引入矽中，使得矽熔體中的氧含量增多。過多的氧原子是形成缺陷的主要起因，過多的氧原子在器件啟動區中的氧沉澱可引起擊穿或漏電，在退火過程中，氧沉澱的產生使得器件成品率下降。同時，作為摻雜劑的硼單質揮發量極大，尤其是在高溫的拉晶爐內硼摻雜劑得以進一步揮發。另外，硼極容易被氧化，環境溫度在1600℃下，硼與氮易形成難熔物氮化硼（BN），氮化硼的耐高溫性能好，化學性質穩定，在高溫下不與矽反映，不與矽浸潤，也不與矽黏連，當矽熔體中出現氮化硼時，容易導致拉晶過程中出現位錯缺陷導致拉晶失敗。
本發明主要在於在製備氮摻雜P型單晶矽的過程中將作為氮源的氮化矽替換為高摻雜氮單晶，將作為硼源的單質硼替換為高摻雜硼單晶，解決了爐室溫度高，加熱時間久的技術問題。另外，改變硼摻雜劑和氮摻雜劑的熔融順序，抑制了氮化硼（BN）的形成。
根據本發明的實施例的一種氮摻雜P型單晶矽的製造方法，如圖1所示，該方法包括下述步驟：
S101：將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體；
S102：向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體；
S103：在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽。
由於使用高摻雜氮單晶摻雜劑和高摻雜硼單晶摻雜劑，因此在較低溫度（多晶矽的熔化溫度）下也可以向晶棒參雜氮和硼元素，而不需要將爐室溫度提升過高導致用來承載拉晶材料的石英坩堝不可控地析出大量的氧。另外，調整了高摻雜氮單晶摻雜劑和高摻雜硼單晶摻雜劑添加順序，先通過高摻雜氮單晶摻雜劑和多晶矽原料獲得為低摻氮矽熔體的第一矽熔體，再向該第一矽熔體添加高摻雜硼單晶獲得為低摻硼氮矽熔體的第二矽熔體，最終在該第二矽熔體中通過直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽，避免了氮化硼（BN）的出現，防止拉晶失敗的情況發生。
根據本發明一個實施例的氮摻雜P型單晶矽製造方法，如圖2所示，將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體包括下列步驟：
S201：將該高摻雜氮單晶定量計算後與該多晶矽一起投入坩堝。首先，提前將高摻雜氮單晶顆粒或粉末與多晶矽原料投放至石英坩堝，由於此處所添加的摻雜劑的氮含量直接決定製成的氮摻雜P型單晶矽中的含氮量，因此只需要根據目標氮摻雜P型單晶矽的氮濃度決定所需的高摻雜氮單晶的品質即可。適量的氮摻雜量可以釘紮位錯從而增強機械強度，抑制間隙生成，增減積體電路器件柵極氧化層的完整性（GOI），而且可以促進氧沉澱，從而增強單晶的內吸雜能力。
S202：將該拉晶爐抽真空並通入保護氣體。在拉晶過程中，為了避免矽的氧化，必須在真空環境和保護氣體的作用下進行。向拉晶爐內通入保護氣體（高純度氬氣），從爐頂注入，底部開啟真空泵將氣體抽出，使得爐內的真空值保持在動態平衡，爐內氣體氣流由上而下貫穿晶棒的生長區域，可以即時帶走高溫生產出來的矽氧化物和雜質揮發物。可選地，通過控制進氣流量以及保持真空泵的抽真空效率以維持爐內的真空值穩定。
S203：打開加熱器，提升爐室溫度並保溫一段時間，直至該高摻雜氮單晶與該多晶矽完全熔化，得到該第一矽熔體。在此過程中，通過加熱器將爐室溫度升高至多晶矽的熔化溫度（約為1450-1550℃）並在此溫度下保持一段時間使得多晶矽充分熔解，由於使用高摻雜氮單晶代替氮化矽原材料作為氮源，所以在該溫度下保持一段時間後高摻雜氮單晶便能夠充分熔解，使得氮元素充分地融入矽熔體當中，獲得為低摻氮矽熔體的第一矽熔體。在此溫度下石英坩堝不存在軟化、開裂等問題，並且元素的析出在可接受的範圍之內，不會造成氧含量過多的技術問題。由於作為氮源的高摻雜氮單晶氮含量高、氧含量低，可以有效防止摻雜劑為第一矽熔體帶去多餘的氧。
根據本發明一個實施例的氮摻雜P型單晶矽製造方法，如圖3所示，該向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體包括下列步驟:
S301：將該第一矽熔體靜置一段時間。在確認第一矽熔體中的高摻雜氮單晶摻雜劑和多晶矽原材料完全融化之後，降低加熱器功率後靜置一段時間，使得該第一矽熔體的表面固化，以防止後續添加其他摻雜劑時，引起該第一矽熔體飛濺，避免安全事故的發生。
S302：向靜置後的該第一矽熔體加入該高摻雜硼單晶。向靜置了一段時間後的第一矽熔體中加入高摻雜硼單晶顆粒或粉末，由於此處所添加的摻雜劑的硼含量直接決定製成的氮摻雜P型單晶矽中的含氮量，因此只需要根據目標氮摻雜P型單晶矽的氮濃度決定高摻雜氮單晶的品質即可。
S303：提高爐室溫度，使得該高摻雜硼單晶完全融化至該第一矽熔體，得到該第二矽熔體。在該步驟中，靜置過後的第一矽熔體表面可能凝固，通過加熱器將爐石溫度升高或保持在矽的熔化溫度（約為1450-1550℃），並在此溫度下保持一段時間使得表面凝固的第一矽熔體和摻雜的高摻雜硼單晶充分融化，硼元素充分地融入第一矽熔體當中，得到為低摻硼氮矽熔體的第二矽熔體。在此溫度下石英坩堝不存在軟化、開裂等問題，並且元素的析出在可接受的範圍之內，不會造成氧含量過多的技術問題。由於作為硼源的高摻雜硼單晶硼含量高、氧含量低，可以有效防止摻雜劑為第一矽熔體帶去多餘的氧。
根據本發明一個實施例的氮摻雜P型單晶矽製造方法，該以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽包括：調節爐室溫度；緩慢放下籽晶至該第二矽熔體中，爐體內的籽晶經過引晶、縮頸、放肩、等徑生長、收尾階段完成晶體的生長過程；製成氮摻雜P型單晶矽。
根據本發明的一種氮摻雜P型單晶矽製造方法，由於其利用高摻雜氮單晶和高摻雜硼單晶作為製備氮摻雜P型單晶矽的摻雜劑，可以在較低的爐室溫度下使得氮原子和硼原子完全融入矽熔體，使得石英坩堝不會析出多餘的氧原子，改善了氧濃度的控制，提高了BMD控制。另外，通過高摻雜氮單晶和高摻雜硼單晶不同的熔融順序，避免了在製備氮摻雜P型單晶矽的過程中，氮化硼（BN）的產生，防止了因難熔解的雜質導致拉晶失敗的情況發生。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
S101-S103:步驟
S201-S303:步驟
S301-S103:步驟
圖1為根據本發明的實施例的一種氮摻雜P型單晶矽的製造方法的示意圖；
圖2為根據本發明的實施例的一種氮摻雜P型單晶矽的製造方法中將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體的示意圖；
圖3為根據本發明的實施例的一種氮摻雜P型單晶矽的製造方法中向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體的示意圖。
S101-S103:步驟
Claims (8)
- 一種氮摻雜P型單晶矽製造方法，包括：將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體；其中，得到該第一矽熔體的加熱溫度為1450-1550℃；向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體；在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽；其中，得到該第二矽熔體的加熱溫度為1450-1550℃。
- 如請求項1所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該將高摻雜氮單晶與多晶矽投入坩堝並加熱拉晶爐，得到第一矽熔體包括：將該高摻雜氮單晶定量計算後與該多晶矽一起投入坩堝；將該拉晶爐抽真空並通入保護氣體；打開加熱器，提升爐室溫度並保溫一段時間，直至該高摻雜氮單晶與該多晶矽完全熔化，得到該第一矽熔體。
- 如請求項2所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該第一矽熔體為低摻氮矽熔體。
- 如請求項2所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該保護氣體為氬氣。
- 如請求項1所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該向該第一矽熔體加入高摻雜硼單晶，得到第二矽熔體包括：將該第一矽熔體靜置一段時間；向靜置後的該第一矽熔體加入該高摻雜硼單晶； 提高爐室溫度，使得該高摻雜硼單晶完全融化至該第一矽熔體，得到該第二矽熔體。
- 如請求項5所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該第二矽熔體為低摻硼氮矽熔體。
- 如請求項1所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該在該第二矽熔體中以直拉法拉制氮摻雜P型單晶矽包括：調節爐室溫度；向該第二矽熔體中緩慢放置籽晶，經過引晶、縮頸、放肩、等徑生長、收尾階段完成晶體的生長過程；製成該氮摻雜P型單晶矽。
- 如請求項1所述之氮摻雜P型單晶矽製造方法，其中，該高摻雜氮單晶和該高摻雜硼單晶為顆粒或粉末。
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