專利名稱：用于在直拉法生長的硅晶體中得到低電阻率的多級砷摻雜法的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于在直拉法(即Czochralski法)生長的硅晶體中得到低電阻率的多級砷摻雜法。
砷由于在硅中的高溶解度，因而是一種用來在直拉法生長的硅晶體中得到較低電阻率的理想摻雜劑。然而砷在高于617℃的溫度下十分容易揮發(fā)。硅熔體的表面是在其熔點(1412℃)或更高溫度下。在流行的實際應用中，砷是從位于熔體液面上方幾英尺的一個進料斗中加入溶體。然而，由于較高的溫度，砷損失到周圍環(huán)境(氬氣)中很嚴重，這種情況造成粒子(顆粒)產(chǎn)生。氧化物粒子(低價氧化物)的產(chǎn)生由于砷的升華作用造成溫度局部下降而增加。這些粒子可以起復相成核地點的作用，并且常常造成拉晶法的失敗。過多的粒子產(chǎn)生，不能使砷充足摻雜，以便在要求達到較低電阻率目標的熔體中，得到較高的砷濃度。
另一些目的和特點，一部分是顯而易見的，一部分將在后面提出。
優(yōu)選實施例詳細說明一種用來得到由直拉法生長的硅晶體中的低電阻率的多級砷摻雜法，包括如下一些實施例。
盡管十分理解，硅片的電阻率隨砷濃度增加而減小，但砷濃度和電阻率之間的數(shù)學關系不容易得到。因此，進行了幾次實驗來收集數(shù)據(jù)。一個這樣的實驗包括1)裝35kg硅到由HAMCO制造的拉晶機中，2)單級加入190g砷摻雜劑和3)隨后生長硅單晶。
測量生長的晶體的電阻率，并用SIMS數(shù)據(jù)以及用磷的電阻率-濃度關系(ASTM出版物F 723-81)計算相應的濃度。在加砷到熔體中和成功的晶體生長嘗試之間，一般有一個時間延遲。在本公開內(nèi)容中，常常把這種時間延遲之為“停滯時間”或“停延時間”或簡稱為“時滯”。在上述實驗中，停滯時間約為46.5小時。在各種不同位置處測量生長的晶體電阻率和砷濃度。這些位置常常稱之為凝固的(固化的)熔體的百分率，亦即，x％凝固的熔體表示，在x％熔體凝固成晶體后，與熔體接觸的晶體的位置。另外在6-8％凝固的熔體周圍所進行的測量稱為“籽晶末端”數(shù)據(jù)。圖2示出在各種不同的晶體位置處的實驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明直拉晶體的電阻率與摻雜劑(砷)濃度之間明顯的反比關系。
必須注意，根據(jù)籽晶末端測量結(jié)果，在晶體生長開始時溶于熔體中的砷總質(zhì)量只是約75g。這表明，總共190g的摻雜劑加料中的約115g損失到氬氣氛中。這種砷的大部分由于固體原子砷在它溶入熔體中之前升華而損失。因為大多數(shù)砷通過升華而損失到周圍氣氛中，所以晶體中的砷濃度很低。顯然，相應的電阻率較高。因此，盡管砷在硅中有高的溶解度，但達不到對晶體制定的低電阻率目標(3mΩ·cm)。然而，除了砷在溶于熔體中之前損失到氬氣氛中之外，砷還簡單地通過對流質(zhì)量傳遞損失到氬氣氛中。對摻砷的熔體來說，停滯時間變得很關鍵，因為砷顯示出很高的蒸汽壓。這樣可以把溶解砷的質(zhì)量平衡以它的簡單形式寫成熔體中砷質(zhì)量變化速率＝轉(zhuǎn)移到晶體上的速率+通過對流損失的速率亦即，dCAs,mdt=-vxπrx2KsCAs,m-kAs,m-Ar(πrm2-πrx2)(CAs,m-Ar-CAs,b)+vxπrx2ρxρmCAs,mVm---(3)]]>@t=0,CAs,m=Mfeed-MlossVm,0]]>式中CAs，b氬中的體積砷濃度(g/cm3)CAs，m硅熔體中砷濃度(g/cm3)CAs，m-Ar在熔體-氬界面處砷的濃度(g/cm3)Ks砷在硅晶體和熔體之間的濃度偏析系數(shù)KAs，m-Ar砷在熔體和氬之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)(cm/s)Mfeed砷的總供給量(g)Mloss開始晶體生長之前損失的砷總量(g)rm包括熔體-晶體界面的熔體表面半徑(cm)rx熔體-晶體界面半徑(cm)t 時間(s)Vm熔體體積(cm3)Vm，o熔體初始體積(cm3)Vx拉晶速率(cm/s)ρm硅熔體密度(g/cm3)ρx硅晶體密度(g/cm3)在沒有晶體生長時，砷的質(zhì)量平衡簡單地簡化成下面形式熔體中砷質(zhì)量變化速率＝對流損失的速率亦即，dCAs,mdt=-kAs,m-Ar(πrm2)(CAs,m-Ar-CAs,b)Vm,o---(4)]]>@t=0,CAs,m=Mfeed-MlossVm,o]]>方程式(4)說明只是在沒有晶體生長時熔體中的砷損失。必須解方程(3)來說明已經(jīng)失敗的晶體生長嘗試(如果有的話)，并且初始條件必須進行適當修改。方程(3)和(4)可以用合適的近似法進行解析。然而，因為我們的主要感興趣是研究砷損失的速率，所以不需要那樣做。這樣，很顯然，熔體和晶體中的砷濃度隨著停滯時間增加而減少，并因此，晶體的電阻率隨著停滯時間增加而增加。有關停滯時間影響的數(shù)據(jù)在圖3中示出。
達到在籽晶末端處低電阻率目標的一種選擇，可以是增加供入熔體中的砷質(zhì)量。然而，這種方法伴隨著粒子產(chǎn)生的問題。砷在較高溫度下具有很高的蒸汽壓。砷的升華溫度為612℃(材料和安全數(shù)據(jù)表，F(xiàn)urukawa Co.Ltd，1999)。在610℃下砷的蒸汽壓達到1大氣壓(atm)(Lide，1994)。在約35個大氣壓的蒸汽壓力下，砷于814℃下熔化(D.R.Lide，CRC化學和物理手冊，第74版，1993-1994)。因為，在直拉法中，硅熔體保持在1412℃或更高溫度下，所以砷在溶于熔體中之前的升華很快并且常常很劇烈，這種情況導致過多的粒子形成。砷的升華利用了熔體中的熱量，這樣降低了局部溫度并增加了氧化物和低價氧化物粒子產(chǎn)生。因為這些粒子可以起復相成核地點和/或起位錯地點的作用，所以直拉法通常都導致失敗。在15英寸Hamco拉晶機中，通常，在不冒損失晶體結(jié)構危險的情況下，不能添加多于190g的砷。
通過以多級形式加砷，每一級中產(chǎn)生的粒子都減少，而如上所述，粒晶機的粒子清除能力相對保持不變，該粒子清除能力與氬氣流率呈強函數(shù)關系。在單級法中，粒子產(chǎn)生的速率很高，以致粒子清除速率不能與粒子產(chǎn)生的速率相匹配，并且，因此，在拉晶機中粒子的密度(拉晶機每單位體積的粒子數(shù))增加。在分級法中，粒子產(chǎn)生的有效速率減小，并且，因此，在拉晶機中的粒子密度較低。這樣，由于與粒子有關的位錯或晶體結(jié)構損失所引起的方法失效的可能性大大減少。
然而，由于升華到氬氣氛中而引起的砷的累積損失，不能隨級數(shù)增加而明顯改變。這是由于砷升華速率與砷-氬界面處砷的蒸汽壓差和體積氬氣氛中的砷濃度成正比。因為，在一規(guī)定的溫度下，在界面處的砷濃度一般是由蒸汽壓所規(guī)定的飽和濃度，并且砷體積濃度很低(實際上為零)，用于砷升華的驅(qū)動力不隨級數(shù)而改變。因此，在每單位砷供給質(zhì)量由升華所造成的砷總損失與級數(shù)之間可能沒有強函數(shù)關系。供給的砷包括許多砷-粒子(不要將這些砷-粒子與砷升華所產(chǎn)生的粒子弄錯，砷升華所產(chǎn)生的粒子包括氧化物和低價氧化物)。由砷升華所產(chǎn)生的粒子這里簡稱之為“粒子”，而把砷的物理狀態(tài)稱之為“砷-粒子”。下面方程顯示出砷的損失與升華作用所引起的平均砷-粒子半徑減小速率的關系，drAsdt=KAs-ArρAs(CAs,As-Ar-CAs,b)------(5)]]>式中rAs(cm)和ρAs(g/cm3)是砷-粒子的半徑和密度，CAs，As-Ar(g/cm3)是在砷-氬界面處砷的飽和濃度，CAs，b(g/cm3)是砷的體積濃度和KAs-Ar(cm/s)是砷從砷-氬界面轉(zhuǎn)移到體積中的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。方程(5)可以更準確地說明在氬氣氛中游離砷-粒子的升華。然而，對于在溶解之前臨時停留在熔體上的砷-粒子升華，方程(5)變得不太準確。在這種條件下，可以用砷-粒子的表象平均等效半徑。上述關系(方程(5))清楚地表明，平均砷-粒子半徑的變化率不隨級數(shù)而改變。這樣，在拉晶機中只有粒子密度由于增加砷進料級數(shù)而減少。
進行一系列試驗，將240g砷成基本上等量的5級摻雜。圖4中示出籽晶末端電阻率數(shù)據(jù)隨停滯時間而變化的情況。圖4還將190g單級法與240g5級法的效果進行了比較。顯然，只有240g5級法能在成功的晶體生長情況下達到較低的電阻率。在圖5中進行了類似的比較，圖5將300g砷摻雜劑基本上等量以3級加入與240g以5級加入進行了比較，及與181g和190g以單級加入進行了比較。
本發(fā)明另一個重要的方面是使停滯時間減至最少。對于很長的停滯時間來說，由于熔體表面的砷對流損失的結(jié)果，即使5級法也不能達到較低的籽晶末端電阻率。
這樣在理論上提出并在實驗上表明1)砷的過量損失是在它溶解之前發(fā)生在氬氣氛中；2)砷的劇烈升華伴隨著很高的粒子產(chǎn)生速率；3)粒子的數(shù)量密度隨加入的砷質(zhì)量而增加；4)增加的粒子密度造成直拉法失敗；5)粒子的數(shù)量密度可以通過用多級形式供入砷來減少；
6)每單位質(zhì)量砷的升華速率不隨級數(shù)變化而明顯改變；和7)電阻率指標可以通過以增加的級數(shù)供給更多的砷和通過減少停滯時間來達到。
該方法的效率隨級數(shù)增加而增加。本發(fā)明不限于任何特定的級數(shù)。本發(fā)明的基本方面是，以多級加入砷對拉晶機的單級供料加以改進。
鑒于上述情況，可以看出，本發(fā)明的幾個目的都到達了，并且得到另一些有利的結(jié)果。
因為在上述發(fā)明中可以進行各種改變，所以應該把上面說明中所包括的和附圖
中所示的所有情況都看作是示例性的和沒有限制意義的。
權利要求
1.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于摻雜劑以至少2級的形式加入。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于摻雜劑在每一級中以基本上等量或不同量的形式加入。
3.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于停滯時間基本上減至最少。
4.一種在分批晶體生長法中降低所得到的硅晶體的電阻率的方法，它包括以下步驟在一晶體生長室中形成硅熔體；和在開始晶體生長之前，以多級形式將固體砷摻雜劑加到熔體中。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，它包括這樣以多級形式加摻雜劑，以使總的粒子產(chǎn)生少于以單級方式加入全部摻雜劑的粒子產(chǎn)生。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于加到熔體中的摻雜劑總量大于可以以單級方式加入的在晶體生長狀態(tài)過程中不會由于與粒子有關的位錯或晶體結(jié)構的損失而導致方法失敗的摻雜劑量。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于停滯時間等于或少于約8小時。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于所得到的晶體的電阻率為約0.003歐姆-cm或更小。
全文摘要
一種方法，該方法通過以多級形式將砷摻雜劑加到熔體中，降低用直拉晶體生長法生產(chǎn)出的硅晶體的電阻率。
文檔編號C30B15/04GK1432076SQ01810287
公開日2003年7月23日 申請日期2001年5月1日 優(yōu)先權日2000年5月11日
發(fā)明者M·巴納, M·庫爾卡尼, C·威特默二世 申請人:Memc電子材料有限公司