一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法

摘要

本发明涉及一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法，包括区熔气相重掺杂和拉晶工艺，区熔气相重掺杂和拉晶工艺中采用的区熔气相重掺杂装置使高浓度的硼烷气体在充入高温的炉膛内的过程中不发生分解，所述区熔气相重掺杂装置包括一个放置于保温桶下方的重掺杂硼烷、氮气和氩气的三路联合进气管道；采用本方法所生产的气相重掺硼区熔硅单晶具有氧含量为1ppm以下，轴向电阻率均匀度为±15％以内，电阻率达到0.004Ω.cm的特点，运用该发明方法生产的重掺硼区熔p型硅单晶很好地满足了国内外瞬态电压抑制器(TVS)对于p型硅衬底材料的要求。

权利要求

1.一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法，包括区熔气相重掺杂和拉晶工艺，其特征在于：所述区熔气相重掺杂和拉晶工艺中采用的区熔气相重掺杂装置使高浓度的硼烷气体在充入高温的炉膛内的过程中不发生分解，所述区熔气相重掺杂装置包括一个放置于保温桶下方的重掺杂硼烷、氮气和氩气的三路联合进气管道；三路联合进气管道包括与其主管道连接的一个硼烷进气管道，一个氩气进气管道和一个氮气进气管道，所述拉晶工艺包括如下次序的步骤：（1）装炉、抽真空、充氩气；利用纤维纸擦拭炉膛、电磁铜线圈、保温桶、多晶与籽晶夹持器及三路联合进气管道的管口；将多晶硅棒固定在多晶夹持器上；将籽晶装入籽晶夹持器上；关闭炉门，抽真空充氩气，氩气气体流量控制在15±1L/min，抽空后室压力为

0.050mbar；

（2）硅棒预热、化料；打开霍廷格Huettinger2.5MHz高频功率发生器电源，调节电压设定值到20～30%对硅棒进行预热；待硅棒微红，调节电压设定值到30～50%，启动上转为

3～5rpm化料；

（3）充入重掺杂气体硼烷及保护气氮气阶段，充入区熔炉的重掺杂气体，硼烷气体流量和氮气的气体流量之比控制在1:30到1:60之间；

（4）引晶，生长细径：将籽晶与熔区点接触，同时启动上、下部传送装置，调整电压设定值到30～50%，以生长细径；

（5）放肩、等径生长：生长完细颈后开始放肩，调整电压设定值到50～70%放肩到要求的直径后，进行等径生长单晶；

（6）收尾、拉断；

（7）停气、停炉、拆炉；

根据上述方法所生产的气相重掺硼区熔硅单晶具有：

氧含量：1ppm以下；

轴向电阻率均匀度：±15%以内；

电阻率：0.004Ω.cm。

说明书

一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及硅单晶的生产方法，特别是一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法。

背景技术

[0002] 瞬态电压抑制器（TVS）对于硅衬底材料有非常严格的要求，需要具备氧杂质含量低、轴向电阻率分布均匀、电阻率低等特点。而目前用直拉法所生产的重掺硅单晶，氧含量高、轴向电阻率分布不稳定，并不适合于TVS器件硅衬底材料的基本要求。如果能采用区熔法来生产重掺硼硅单晶则可以完全满足TVS器件硅衬底材料的要求。硼烷作为区熔常规的掺杂气体，在进行区熔气相重掺杂单晶生产过程中会出现很多的问题。

[0003] 首先，在重掺杂情况进行拉晶的过程中，掺杂气体的进气管道会堵塞，使得气相掺杂无法进行，这主要是因为，硼烷受热会分解为单质硼和氢气，由于拉晶过程中炉膛温度很高，在硼烷的入气管道的地方硼烷就已分解为单质硼，在重掺杂情况下大量分解的单质硼会堵塞掺杂管道。

[0004] 其次，运用一般的区熔气掺拉晶工艺进行重掺硼拉晶时，经常会出现大量位错而导致无法成晶的问题。因此，现有掺杂装置很难满足重掺硼硅单晶的制备，同时采用怎样的重掺硼区熔制备方法也是需要解决的难题。

发明内容

[0005] 鉴于上述所存在的问题，本发明的目的提供一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法，采用硼烷、氮气和氩气的三路联合进气来掺杂气体，通过对氩气的进气流量、硼烷进气流量的控制，用强的氩气气流将受热分解的硼冲开，可以有效地避免掺杂管道口堵塞掺杂管道的问题，完成重掺硼区熔硅单晶制备，并为实现此方法专门设计一种气相重掺杂装置。

[0006] 本发明是通过这样的技术方案实现的：一种气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法，包括区熔气相重掺杂和拉晶工艺，其特征在于：所述区熔气相重掺杂和拉晶工艺中采用的区熔气相重掺杂装置使高浓度的硼烷气体在充入高温的炉膛内的过程中不发生分解，所述区熔气相重掺杂装置包括一个放置于保温桶下方的重掺杂硼烷、氮气和氩气的三路联合进气管道；三路联合进气管道包括与其主管道连接的一个硼烷进气管道，一个氩气进气管道和一个氮气进气管道，所述拉晶工艺包括如下次序的步骤：

[0007] （1）装炉、抽真空、充氩气；利用纤维纸擦拭炉膛、电磁铜线圈、保温桶、多晶与籽晶夹持器及三路联合进气管道的管口；将多晶硅棒固定在多晶夹持器上；将籽晶装入籽晶夹持器上；关闭炉门，抽真空充氩气，氩气气体流量控制在15±1L/min，抽空后室压力为0.050mbar；

[0008] （2）硅棒预热、化料；打开霍廷格（Huettinger）2.5MHz高频功率发生器电源，调节电压设定值到20～30%对硅棒进行预热；待硅棒微红，调节电压设定值到30～50%，启动上转为3～5rpm化料；

[0009] （3）充入重掺杂气体硼烷及保护气氮气阶段，充入区熔炉的重掺杂气体，硼烷气体流量和氮气的气体流量之比控制在1:30到1:60之间；

[0010] （4）引晶，生长细径：将籽晶与熔区点接触，同时启动上、下部传送装置，调整电压设定值到30～50%，以生长细径；

[0011] （5）放肩、等径生长：生长完细颈后开始放肩，调整电压设定值到50～70%放肩到要求的直径后，进行等径生长单晶；

[0012] （6）收尾、拉断；

[0013] （7）停气、停炉、拆炉；

[0014] 根据上述方法所生产的气相重掺硼区熔硅单晶具有：

[0015] 氧含量：1ppm以下；

[0016] 轴向电阻率均匀度：±15%以内；

[0017] 电阻率：0.004Ω.cm。

[0018] 本发明的气相重掺硼区熔硅单晶的制备方法，由于氩气的进气流量是硼烷进气流量的一百倍以上，这样强的气流可以将受热分解的硼冲开，可以有效地避免掺杂管道口堵塞掺杂管道的问题，另外，将三路联合进气管道的入炉口放置于保温桶的下方，利用保温桶的冷却作用，避免掺杂管道口硼烷就进行分解，同时也使得重掺杂气体硼烷接近熔区，更有利于掺杂。在气相掺杂过程中加入保护气氮气，同时调整了相应的区熔拉晶工艺，保证拉晶的正常进行。利用该重掺杂装置和区熔重掺硼拉晶工艺，可成功地制备气相重掺硼区熔硅单晶。

[0019] 采用本发明方法所生产的气相重掺硼区熔硅单晶具有氧含量低（1ppm以下）、轴向电阻率均匀（±15%以内）、电阻率低（最低可以达到0.004Ω.cm）等特点。我们运用该发明方法生产重掺硼区熔（p型）硅单晶很好地满足了国内外瞬态电压抑制器（TVS）对于（p型）硅衬底材料的要求。

附图说明

[0020] 图1是本发明中区熔气相重掺杂装置示意图。

[0021] 图中：区熔气相重掺杂装置包括：1.硼烷进气管道，2.氩气进气管道，3.氮气进气管道，4.三路联合进气管道，5.保温桶，6.炉膛。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图来描述本发明的一个具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

[0023] 所述区熔气相重掺杂装置包括放置于保温桶5下方的重掺杂硼烷、氮气和氩气的三路联合进气管道4；三路联合进气管道4包括连接其主管的硼烷进气管道1，氩气进气管道2，氮气进气管道3，保温桶5和三路联合进气管道4的主管部分置于炉膛6内。

[0024] 本实施例的工艺过程包括：

[0025] 1．本实施案例的主要设备及原材料如下：

[0026] 区熔炉：型号： FZ-30； 掺杂控制器：型号： 0154E；

[0027] 多晶硅：一级料： 基硼≥9000Ω•cm 基磷 ≥ 900Ω•cm；

[0028] 高纯氩气：露点：-70℃ 纯度：>99.9993% 氧含量≤1PPma；

[0029] 氢氟酸：优级纯；

[0030] 硝酸：优级纯；

[0031] 硼烷: 纯度：99.999%；

[0032] 籽晶：检验标准按《硅片检测操作规程》选择。

[0033] 2．本实施案例主要原材料消耗定额：

[0034] 拉制1㎏Φ3"合格单晶一次成晶需消耗（美国ASIMI的硅材料）：

[0035] 多晶硅：1.6kg ；氢氟酸：0.06L；硝酸：0.3L；氩气：1.7m3；

[0036] 籽晶：每颗单晶1-2颗。

[0037] 3．以下是气相掺杂区熔硅单晶的生产方法的具体步骤：

[0038] （1）装炉、抽空、充氩气：

[0039] 操作者利用纤维纸擦拭炉膛、电磁铜线圈、保温桶、多晶与籽晶夹持器及三路联合进气管道的管口；将多晶硅棒固定在多晶夹持器上；将籽晶装入籽晶夹持器上；关闭炉室、炉门，拧紧炉门固定螺栓，抽真空、充氩气。在触屏上设定抽空程序设定氩气流量为15L/min，抽空程序包括抽空次数（2次）、抽空后室压力为0.050mbar，抽空时间取决于抽空压力，启动自动抽空至自动抽空结束。

[0040] （2）硅棒预热、化料：

[0041] 打开霍廷格（Huettinger）2.5MHz高频功率发生器电源，调节电压设定值到20～25%对硅棒进行预热；待硅棒微红，调节电压设定值到25～50%，启动上转为3～5rpm化料；

[0042] （3）充入重掺杂气体硼烷及保护气氮气：

[0043] 打开触摸屏上的掺杂开关，充入区熔炉的重掺杂气体硼烷气体流量和氮气的气体流量之比控制在1:40左右。

[0044] 例： 重掺硼烷气体浓度下拉制Φ3" (76.2mm)，电阻率0.01-0.05Ω.cm单晶。

[0045] 多晶料：N型〈111〉，电阻率 400Ω.cm，Φ90-100mm

[0046] 掺杂剂量：硼烷气体流量：50±5mL/min,而充入氮气的气体流量控制在2000±200mL/min。

[0047] （4）引晶，生长细径：

[0048] 将籽晶与熔区点接触，调整电压设定值到30-50%，并确保熔区长度为9～10mm，回熔区的直径在8～9mm。减小功率并停止下部传送，增加下转，停止上部传送，以生长细径。然后不断调节功率以保持恒定的熔区高度(15mm),要不断调节上速以保持恒定的直径。

[0049] （5）放肩、线圈偏置、等径生长：生长完细颈后开始放肩，使用上速控制放肩角度，放肩角度应≤60º。用功率的变化控制熔区的形状，调整电压设定值到50-70%放肩到要求的直径后，再进行等径生长单晶；根据上料直径、单晶直径和单晶走速计算上压速度，计算２
公式如下：Ｖ上＝（Ｄ下／Ｄ上）×Ｖ下。再根据上料的大小和单晶炉的下部行程定时１～２小时，定时器报警时开始释放夹持器。

[0050] （6）收尾、拉断。

[0051] 当上限位报警时，开始缓慢的降低上速，保持单晶的生长到最后拉断。拉断晶体时逐渐降低上部压速和功率，使单晶直径减小至30mm，拉断晶体。

[0052] （7）停气、停炉、拆炉

[0053] 在触摸屏上关闭掺杂开关，并关闭掺杂气体控制装置。熔区拉断后，进行慢速降温过程。当观察到晶体变黑时，停止加热。当晶体冷却后，打开炉门和下部炉室，取出单晶。