專利名稱:以純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法
本發(fā)明涉及保護(hù)流體下的單晶生長技術(shù)。
重?fù)戒R硅單晶，特別是電阻率為10-2-10-3Ω·cm的重?fù)戒R硅單晶是制作晶體管和集成電路所需的外延片襯底的重要材料，同其他V族元素相比，銻在硅中的擴(kuò)散系數(shù)最小，因而它在硅半導(dǎo)體器件工藝中所能產(chǎn)生有害的自擴(kuò)散效應(yīng)最小，所以重?fù)戒R硅單晶在硅材料中占有重要的地位。
由于銻和硅的物理性質(zhì)注定了制造重?fù)戒R硅單晶比制造普通的硅單晶困難得多，主要原因是生長重?fù)戒R硅單晶所需摻銻的濃度約為1019/cm3，接近于銻在硅中的飽和溶解度，同時(shí)銻在硅熔點(diǎn)(1420℃)附近的飽和蒸汽壓接近一個(gè)大氣壓，在熔硅溫度下銻會(huì)迅速揮發(fā)，給制造重?fù)戒R硅單晶帶來許多困難。目前拉制重?fù)戒R硅單晶多在常壓氬氣氛中進(jìn)行的，采用銻硅共熔，或把銻通過摻雜器加入熔硅中，或用預(yù)制好的硅銻合金與硅共熔來制造重?fù)诫s銻硅單晶。常壓下拉制重?fù)戒R硅單晶耗用大量價(jià)格較高的氬氣，這是使重?fù)戒R硅單晶的制造成本高于普通硅單晶一倍以上主要因素之一。
CN85100295專利報(bào)導(dǎo)了采用氮保護(hù)氣氛制造直拉(切氏法)硅單晶的方法，可大幅度地降低直拉(切氏法)硅單晶的成本。但欲按照該方法充氮減壓氣氛下實(shí)現(xiàn)拉制重?fù)戒R硅單晶是不可能的，因?yàn)闇p壓氣氛的條件下若用銻硅共熔法，則在硅熔化之前，銻已揮發(fā)殆盡;若在硅熔化后再摻入銻，則產(chǎn)生銻的急劇揮發(fā)致使熔硅濺出造成事故。若在常壓氮?dú)夥障吕乒鑶尉?，熔硅將被氮化而析出氮化硅，無法生長重?fù)戒R硅單晶。
本發(fā)明的任務(wù)在于采用純氮作為保護(hù)氣氛條件下，尋求一種適合于制造重?fù)戒R硅單晶的方法，在保證產(chǎn)品完全符合使用要求的前提下大幅度地降低制造重?fù)戒R硅單晶的成本。
本發(fā)明的以純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，所采用的氮?dú)饧兌葹?9.999%以上，直拉重?fù)戒R硅單晶過程中不同階段所采用的氮?dú)鈮毫偷獨(dú)饬髁恐蹈鞑幌嗤?。因?yàn)樵赟i、N2、SiN系統(tǒng)中氮的平衡蒸汽壓很低。為防止熔硅氮化，切氏拉晶必須在減壓條件下進(jìn)行。而銻在熔硅溫度時(shí)的飽和蒸汽壓又接近于常壓，只有在常壓條件下將銻通過摻雜器加入熔硅中才不致于迅速揮發(fā)，避免銻在熔硅中形成氣泡逸出造成硅液濺出事故的發(fā)生。
本發(fā)明對原充氬保護(hù)氣氛制造直拉(切氏法)重?fù)戒R硅單晶方法作如下重大改進(jìn)。
1、拉晶過程中采用純度為99.999%的氮?dú)庾鳛槔ПＷo(hù)氣氛;
2、使硅在減壓條件下熔化，此時(shí)控制進(jìn)入單晶爐內(nèi)的氮?dú)饬髁繛?-40升/分，爐內(nèi)氮?dú)鈮毫Ρ３?0～30托。
3、在常壓下?lián)诫s待爐內(nèi)硅完全熔化后，控制爐內(nèi)氮?dú)鈮毫?.9～1.2kg/cm2，按照常規(guī)的工藝對熔硅進(jìn)行摻銻;
4、采用減壓拉晶工藝。完成摻雜后，控制進(jìn)入爐內(nèi)氮?dú)饬髁繛?0-30升/分，爐內(nèi)壓力為5-50托。通過拉晶過程中氮?dú)鈮毫Α⒘髁康暮侠砜刂?，即可有效地控制銻的分凝效應(yīng)，改善重?fù)戒R硅單晶中銻濃度分布的不均勻性，從而提高產(chǎn)品的成品率。
本方法同充氬重?fù)戒R硅單晶的制造方法比較，由于氮?dú)鈨r(jià)格低廉，氮?dú)夂挠昧恳草^少，在重?fù)戒R硅單晶質(zhì)量相同的條件下可降低成本15-20%，提高重?fù)戒R硅單晶成品率10%以上。應(yīng)用本方法可穩(wěn)定地制造出電阻率為10-2-10-3Ω·cm的重?fù)戒R硅單晶。
實(shí)施例1采用純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，石英坩堝φ110mm，多晶硅投料量1000克，熔硅過程的氮?dú)饬髁繛?-40升/分，爐內(nèi)壓力為10～30托，摻銻時(shí)氮?dú)鈮毫?.9～1.1kg/cm2，減壓拉晶過程的氮?dú)饬髁繛?0～30升/分，爐內(nèi)壓力為5-50托?？芍瞥呻娮杪蕿?.004～0.01Ω·cm的重?fù)戒R硅單晶400～580克。
實(shí)施例2采用純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，石英坩堝φ150mm，多晶硅投料量3000克，熔硅過程的氮?dú)饬髁繛?-40升/分，爐內(nèi)壓力為10～30托，摻銻時(shí)氮?dú)鈮毫?.9～1.2kg/cm2，減壓拉晶過程的氮?dú)饬髁繛?0～30升/分，爐內(nèi)壓力為5-50托?？芍瞥呻娮杪?.004～0.01Ω·cm的重?fù)戒R硅單晶1500～2000克。
權(quán)利要求
1.一種以純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，本發(fā)明的特征在于熔硅、摻銻、拉晶過程中所采用的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛為減壓-常壓-減壓的保護(hù)氣氛。
2.按照權(quán)利要求
1所述的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，其特征是硅的熔化是在減壓氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下進(jìn)行的，控制進(jìn)入單晶爐內(nèi)氮?dú)饬髁繛?-40升/分，爐內(nèi)壓力為10-30托。
3.按照權(quán)利要求
1所述的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，其特征是在氮?dú)鈮毫?.9～1.2kg/cm2下?lián)戒R。
4.按照權(quán)利要求
1所述的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，其特征是在減壓氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下拉制重?fù)戒R硅單晶，控制進(jìn)入爐內(nèi)氮?dú)饬髁繛?0-30升/分，爐內(nèi)壓力為5-50托。
專利摘要
一種以純氮作為保護(hù)氣氛的重?fù)戒R硅單晶的制造方法，其特征在于熔硅、摻銻、拉晶過程中所采用的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛為減壓——常壓——減壓的保護(hù)氣氛。采用這種方法制造的重?fù)戒R硅單晶的制造成本比充氬保護(hù)制造重?fù)戒R硅單晶的方法可降低成本15-20％，提高成品率10％以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
文檔編號C30B27/00GK86100854SQ86100854
公開日1986年9月3日 申請日期1986年1月16日
發(fā)明者闕端麟, 李立本, 陳修治 申請人:浙江大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan