專利名稱：制造硅單晶的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切克勞斯基法(此后稱之為CZ法)制造硅單晶的方法，尤其是涉及調(diào)整摻雜劑濃度的方法。
CZ法一次投料型硅單晶制造法迄今仍在使用，且成為一種相當(dāng)完善的技術(shù)。但是，這樣的一次投料硅單晶的制造中，坩堝中熔料的量隨硅單晶的提拉和生長(zhǎng)而減少，而且因摻雜劑的分凝系數(shù)小于1，其結(jié)果，余留下的熔料中的摻雜劑濃度會(huì)增高，進(jìn)入硅單晶的摻雜劑濃度沿它的縱向隨之逐漸增加。因此，有一個(gè)問題是生產(chǎn)出來的硅單晶的縱向性能改變了。換言之，由于摻雜劑的分凝，硅單晶的電阻率隨凝固時(shí)刻的推移逐漸下降。這樣一來，對(duì)于C-MOS集成電路的情況下，例如，硅片的成品率就會(huì)低于約40%。
作為解決這個(gè)問題的方法，已經(jīng)知道的方式以連續(xù)地或間斷地進(jìn)給硅原料與摻雜劑并使之熔化，從而維持硅單晶縱向的摻雜濃度不變。日本公開特許號(hào)58-130195曾披露一種生產(chǎn)硅單晶的設(shè)備，同時(shí)連續(xù)地把硅原料和摻雜劑送入坩堝。按該發(fā)明，使用了一種雙層結(jié)構(gòu)的石英坩堝，其中內(nèi)坩堝帶有狹縫狀開口，而硅原料進(jìn)給輸送管與摻雜劑輸送管則插入到坩堝內(nèi)外壁之間的石英坩堝中，以至浸沒入熔硅中，由此，隨著提拉硅單晶，不斷供給硅原料及摻雜劑。
另一方面，日本公開特許號(hào)61-132585和61-163188的發(fā)明公開了摻雜劑進(jìn)給裝置的例子。前者發(fā)明的設(shè)置是這樣的，予定重量的摻雜劑予先裝入安裝在加熱爐上邊的摻雜劑加料裝置中。這些摻雜在坩堝中的硅原料被熔化了之后再加入。
后者發(fā)明的設(shè)備中，摻雜到較高濃度的硅棒被安置在加熱爐內(nèi)，因而形成包括硅棒、熔融的硅、硅單晶體及電源的電迴路。于是，當(dāng)通過這一電迴路檢測(cè)到硅棒和熔硅表面相接觸時(shí)，硅棒被浸入到熔硅中，從而調(diào)整著熔硅的摻雜濃度。
然而，日本公開特許58-130195號(hào)發(fā)明也有缺點(diǎn)，歸結(jié)于下(1)由于把硅原料和摻雜劑饋送到內(nèi)坩堝外側(cè)的熔料中，雖因此內(nèi)坩堝里的熔料對(duì)流不再受太多干擾，內(nèi)外側(cè)壁間的熔料卻總是透過制成的相當(dāng)大的狹縫狀開口進(jìn)出內(nèi)坩堝，并且內(nèi)坩堝內(nèi)側(cè)的熔料溫度，一如內(nèi)坩堝外側(cè)高溫熔料，達(dá)到相同的熔料溫度。其結(jié)果，硅單晶的穩(wěn)定生長(zhǎng)受到妨礙。也就是說，內(nèi)坩堝的內(nèi)外側(cè)壁間的熔料的摻雜濃度變成一樣的了，于是增加著的硅單晶沿縱向的摻雜改變量，如同摻雜劑進(jìn)給那樣變成間歇式增長(zhǎng)。為防止這一點(diǎn)，摻雜劑以這樣的連續(xù)方式進(jìn)給，使坩堝中的熔料摻雜濃度保持恒定。為此，需要大量濃度相當(dāng)?shù)偷膿诫s劑，同時(shí)這種摻雜劑的制品是不現(xiàn)實(shí)的。
(2)因?yàn)閾诫s劑進(jìn)給輸送管出口浸入到內(nèi)坩堝外側(cè)的熔料中，供給的摻雜劑被熔化并暫時(shí)存儲(chǔ)于浸沒在熔料中的那一部份進(jìn)給輸送管中。如果熔化了的摻雜劑流出進(jìn)入內(nèi)坩堝外側(cè)熔料中，從進(jìn)給管口出來的數(shù)量相當(dāng)于摻雜劑進(jìn)給的量，那時(shí)就毫無問題。有一種不利情況那就是倘若出現(xiàn)一種現(xiàn)象，進(jìn)給輸入管中熔化了的摻雜劑因熱對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流或類似方式被外側(cè)熔料所置換，會(huì)妨礙硅單晶摻雜濃度的均勻性。
由于這些原因，這項(xiàng)發(fā)明的設(shè)備迄今尚未投入實(shí)際運(yùn)用。
按照日本公開特許61-132585號(hào)公開的發(fā)明，不可能僅僅一次裝入摻雜劑。但是，在這種類型的設(shè)備中，當(dāng)連續(xù)進(jìn)給硅原料生長(zhǎng)硅單晶時(shí)，就難以周期性地定量加進(jìn)摻雜劑。
在另一方面，日本公開特許61-163188號(hào)公開的發(fā)明是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)由于浸入熔化了的硅中的硅棒被熔化時(shí)，因硅棒熔化速率變動(dòng)造成不良后果，引發(fā)熔硅表面脈動(dòng)。盡管可以設(shè)想降低硅棒的摻雜濃度并增大其浸入量，以便減少這種熔化量的改變，當(dāng)應(yīng)用于上述設(shè)備時(shí)，大量的硅棒必須被連續(xù)熔化，這就會(huì)引起許多技術(shù)難題，諸如硅棒的上料，予防熔料表面上已熔化了的硅的凝固等等問題。
有鑒于前述情況，本發(fā)明的目的在于提供一種在連續(xù)不斷地進(jìn)給原材料以及單晶生長(zhǎng)不受妨礙下能確定硅原料的熔化的同時(shí)，進(jìn)行硅單晶提拉的方法及設(shè)備，從而可保證沿提拉方向上制造具有基本恒定摻雜濃度的硅單晶。
本發(fā)明的硅單晶制造方法，其特征在于，在生產(chǎn)硅單晶的CZ法中，當(dāng)連續(xù)進(jìn)給硅原料與摻雜劑時(shí)，緩沖壁被配置在用于盛裝熔融硅的坩堝內(nèi)，所說的熔硅由緩沖壁分隔成構(gòu)成硅單晶生長(zhǎng)區(qū)的中心區(qū)域與進(jìn)給硅原料及摻雜劑的周邊區(qū)域，而且，這些硅原料和摻雜劑被送到中心區(qū)的熔料表面同時(shí)熔硅可經(jīng)形成在緩沖壁上的小孔，單向地從周邊區(qū)流入中心區(qū)，借此，按照生長(zhǎng)硅單晶的重量或硅原料的重量送給。估算中心區(qū)熔料中熔入的摻雜劑濃度，預(yù)計(jì)添加到周邊區(qū)熔料中的摻雜劑量及時(shí)間，反復(fù)添加摻雜劑，從而保持中心區(qū)熔料的摻雜濃度處于予定的范圍內(nèi)。
按照另一個(gè)特點(diǎn)，沿生長(zhǎng)硅單晶的縱向，電阻率的變化范圍小于1%，而且沿硅單晶的縱向，含氧濃度的變化范圍小于3%。
按照還有一個(gè)特點(diǎn)，坩堝中熔硅的起始摻雜濃度，要保持低于所希望的硅單晶摻雜濃度。
按照再一個(gè)特點(diǎn)，所用的摻雜劑包括具有已知摻雜濃度并切割成固定形狀的硅小園片或片狀材料。
另一方面，本發(fā)明的硅單晶制造設(shè)備，其特征在于在生長(zhǎng)硅單晶的CZ法中，當(dāng)連續(xù)送入硅原材料和摻雜劑時(shí)，該設(shè)備包括一個(gè)盛裝熔融硅的坩堝，一個(gè)準(zhǔn)備把坩堝中的熔融硅分隔成為包含有硅單晶的中心區(qū)和中心區(qū)外側(cè)的周邊區(qū)的緩沖壁，且在緩沖壁的下部形成一些小孔，一個(gè)計(jì)算機(jī)用以模擬熔料中摻雜濃度的改變與將來值，一個(gè)硅單晶提拉機(jī)構(gòu)用來測(cè)量提拉硅單晶的重量，把提拉的重量指示信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，一個(gè)硅原料供給裝置用于把硅原料送到坩堝周邊區(qū)的熔料表面上，并測(cè)定送入的材料數(shù)量，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，以及一個(gè)摻雜劑供給裝置響應(yīng)從計(jì)算機(jī)來的指令，把摻雜劑送入坩堝的周邊區(qū)。摻雜劑供給裝置特征是，它包括一端開口的園筒，內(nèi)裝許多高度定量的相同濃度與重量的摻雜劑片，其開口頂端傾斜的安裝在加熱爐外邊，園筒活塞和活塞操縱機(jī)構(gòu)以及以這樣的方式安裝的裝料管，即它的一端安置在園筒開口端近旁，而另一端則安置在坩堝緩沖壁外側(cè)熔硅表面附近。
因?yàn)檑釄鍍?nèi)部由緩沖壁加以分隔，以便把摻雜劑送到緩沖壁外側(cè)的熔料表面，加以迅速熔化并利用緩沖壁外側(cè)的全部熔料分散這些摻雜劑，而又由于含有所供摻雜劑的熔料單向從外側(cè)遷移到緩沖壁的內(nèi)側(cè)僅能經(jīng)過形成的小孔，所通過的量相應(yīng)于硅單晶的生長(zhǎng)量。由于在緩沖壁外側(cè)的予先稀釋，大大減輕了緩沖壁內(nèi)側(cè)熔料中摻雜濃度的變化。此外，由于摻雜劑的添加時(shí)間與數(shù)量是預(yù)計(jì)的，只要根據(jù)生長(zhǎng)硅單晶的重量，送入的硅原料的量及摻雜劑的量，便能計(jì)算估定緩沖壁外側(cè)熔料的摻雜濃度，從而把內(nèi)側(cè)熔料的摻雜劑濃度保持在預(yù)定的范圍內(nèi)，所以能夠完全精確地響應(yīng)硅單晶直徑的改變及從起始條件直到穩(wěn)定狀態(tài)提拉單晶速率的改變，由此降低沿硅單晶縱向上摻雜濃度的變化，從而生產(chǎn)出高質(zhì)量的硅單晶。
由于在坩堝熔硅中起始摻雜濃度是選用低于待生長(zhǎng)的硅單晶所要求的濃度，所以在較短時(shí)刻內(nèi)定態(tài)摻雜濃度就能被達(dá)到。
就摻雜劑供給裝置來說，通過操縱器推進(jìn)活塞發(fā)出一次行程，使精密切割成的硅小園片或片狀材料并具有極準(zhǔn)確定量制作成的摻雜劑片之一或更多片從圓筒中壓出，經(jīng)供料輸送管摻入熔硅中。通過制動(dòng)活塞以限定摻雜片的壓入。
使用硅片或片狀材料的片形摻雜劑方式，晶體電阻率，即摻雜濃度與摻雜重量能夠準(zhǔn)確地加以掌握，又能非常定量地得到改善。


圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的硅單晶制造設(shè)備的縱剖面圖。
圖2A至2E是用以闡述摻雜緩沖壁效果的曲線圖。
圖3是表示坩堝中心與周邊區(qū)的熔硅摻雜濃度隨時(shí)間變化的曲線圖。
圖4是表示沿硅單晶縱向，其晶體電阻率的變化曲線圖。
圖5A和5B是表示坩堝中熔料濃度的示意圖。
圖6是表示降低熔料初始濃度時(shí)，在晶體電阻率上的改變曲線。
圖7A和7B分別表示出按本發(fā)明實(shí)施例與常規(guī)方法，沿晶體縱向的晶體電阻率的分布。
圖8是表示摻雜劑供給裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
參照附圖將詳述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的硅單晶制造設(shè)備的縱向剖圖。
圖中標(biāo)號(hào)1表示硅單晶，3為石英坩堝用以盛放熔硅2、4為石英緩沖壁，用以分隔坩堝3中的熔料成內(nèi)外部份。緩沖壁4環(huán)繞硅單晶1設(shè)置，且其下部作出小孔。標(biāo)號(hào)6表示粒狀硅原料，由硅原料供給裝置7送到緩沖壁4外側(cè)熔料的表面。標(biāo)號(hào)10表示摻雜劑，借助于摻雜劑供給輸送管8和摻雜供給裝置9送到緩沖壁4外側(cè)熔料表面。標(biāo)號(hào)11表示起提拉和旋轉(zhuǎn)硅單晶1作用的硅單晶提拉機(jī)構(gòu)，并檢測(cè)它的重量。標(biāo)號(hào)12表示一個(gè)計(jì)算機(jī)，用于接收從硅原料供給裝置7，摻雜供給裝置9和硅單晶提拉裝置11來的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，以便在提拉單晶時(shí)控制加入的摻雜劑。標(biāo)號(hào)13表示用于測(cè)量熔硅溫度的熱電偶，14是加熱坩堝3的加熱器，以及15為爐膛。
用上述結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在將敘述硅單晶制造設(shè)備的工作。這種設(shè)備當(dāng)連續(xù)不斷地送入硅原料時(shí)，適用于連續(xù)生長(zhǎng)硅單晶的方法。
熔融硅或熔料2由安裝在坩堝3內(nèi)的緩沖壁4分隔成包含有硅單晶的中心區(qū)A與外周邊區(qū)B。硅原料6和摻雜劑10分別由硅原料供給裝置7和摻雜劑供給裝置9按硅單晶1生長(zhǎng)速率的相應(yīng)量送入周邊區(qū)B的熔料表面。送入的這些硅原料6與摻雜劑10以這種方式被熔化，即由沿坩堝3側(cè)面按置的加熱器14把周邊區(qū)B中的熔料加熱到高溫，使該熔料單向地經(jīng)緩沖壁4上作成的小孔5流向中心區(qū)A，并使兩部份熔料的表面總保持為相同的水平面。要指明的是，本實(shí)施例中，小孔5的直徑與數(shù)量分別為5mm與2，而緩沖壁4的厚度則為8mm。
硅原料供給裝置7和摻雜劑供給裝置9分別把硅原料6和摻雜劑10饋送到坩堝3的周邊區(qū)B的熔料表面。盡管在本實(shí)施例中，如圖1所示，是通過不同于硅原料的途徑裝入的，但它們也可以經(jīng)相同的途徑裝入。
可是，按照前面的方法，實(shí)際上在相同的位置熔化高純硅原料和摻雜劑，并且這樣做具有降低周邊區(qū)B中熔料的摻雜濃度分凝系數(shù)的作用。
現(xiàn)在參照?qǐng)D8，這里所顯示的是表示摻雜劑供給裝置9實(shí)施例的略圖。在本發(fā)明的摻雜劑供給裝置9中，標(biāo)號(hào)91表示傾斜安裝著的園筒，它帶有一開口前端，活塞92及用以操縱活塞92的操縱裝置93，例如，由螺線管或類似物做成，通過支桿94聯(lián)結(jié)到活塞92。
摻雜劑裝料輸送管8是這樣安裝的，它的一端鄰接園筒9的開口端，另一端接近熔硅表面。把摻雜劑片10裝進(jìn)園筒91，且這些片有同樣的形狀，重量和濃度。
作為粗料從單晶硅棒切割成片或片狀園片用來制作這些摻雜片，故此，電阻率及厚度都能知道得很精確。園片要切割成方塊形片，如同器件制作工藝中使用的小方塊片，所以這些片又能作成具有高精度規(guī)則的形狀。
園筒91和裝料輸送管8分別是用與摻雜片10為低摩阻，且絲毫不產(chǎn)生任何不希望有的雜質(zhì)的材料制作(例如，園筒用純多晶硅制作，而裝料輸送管用石英玻璃制成)。
按前面敘述過的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在將描述摻雜劑供給裝置9的工作過程，首先，退回活塞92，把摻雜片裝入園筒91中。為了投放摻雜片10，操縱操作裝置93，逐漸移動(dòng)活塞92向前。進(jìn)行這種操作時(shí)，迫使全部摻雜片10前移，使最前端的摻雜片不得不從園筒91上墮落，經(jīng)裝料輸送管8掉進(jìn)坩堝3。應(yīng)注意的是，要調(diào)整摻雜片10的形狀，園筒91的傾角等等，以便能使摻雜片10一片挨一片地掉進(jìn)坩堝中。
當(dāng)所需數(shù)量的摻雜片已經(jīng)投送完了之時(shí)，中斷前移活塞92，或稍稍反移活塞，從而使加料停止，有關(guān)活塞92前進(jìn)或后退的行程，操作時(shí)間等等都由供給速率控制裝置(未示出)加以控制。
摻雜劑供料是以這樣的方式完成的，計(jì)算機(jī)12接收來自硅原料供給裝置7和單晶提拉機(jī)構(gòu)11的信號(hào)，從而依次計(jì)算出所需的摻雜劑送料速率及給料時(shí)間，并把所得結(jié)果的信號(hào)加到摻雜劑供給裝置9，它依次通過摻雜供給輸送管8送入摻雜劑。
下面，將要闡述緩沖壁4。圖2A到2E是表示摻雜緩沖壁效果的對(duì)比曲線圖，這就是說，對(duì)使用由常規(guī)型隔壁構(gòu)成的，允許內(nèi)外區(qū)熔料進(jìn)行混合的隔壁與使用由本發(fā)明的摻雜緩沖壁構(gòu)成的，很難進(jìn)行隔壁內(nèi)外側(cè)熔料混合的隔壁情況之間作比較的曲線圖。
在這里，在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，以指定的量，把濃度為1019原子/克的摻雜片送入熔料的表面(圖2A與2C)，常規(guī)型緩沖壁許可壁內(nèi)外熔料容易混合，以致于硅單晶提拉區(qū)的熔料摻雜濃度，實(shí)際上與該壁外側(cè)熔料中存在的摻雜濃度相同，也與送入的摻雜片濃度一樣，因此，如圖2B所示，它的改變高達(dá)7.0×1014～7.5×1014原子/克。變化范圍約為7%。另一方面，按照本發(fā)明的情況，該緩沖壁內(nèi)外側(cè)的熔料幾乎不進(jìn)行混合，如圖2D所示，當(dāng)緩沖壁外側(cè)熔料的摻雜濃度的改變高達(dá)4.24×1014～7.07×1014原子/克時(shí)，在硅單晶提拉區(qū)的熔料摻雜濃度的變化，如圖2E所示，仍小至7.20×1014～7.28×1014原子/克。這個(gè)改變范圍約為1%。事實(shí)上這是由于高濃度的摻雜片，首先由緩沖壁外側(cè)的熔料加以稀釋，稀釋過的熔料通過小孔再緩緩地移入硅單晶生長(zhǎng)區(qū)，而且稀釋了的熔料移過小孔相當(dāng)于這樣一種情況，即宛若常規(guī)型的情況下相當(dāng)連續(xù)地供給低濃度摻雜片。在常規(guī)型的情況下應(yīng)注意到，假設(shè)要把硅單晶生長(zhǎng)區(qū)的摻雜濃度的改變控制在本實(shí)施例的大致相同數(shù)值，那末，就必須很連續(xù)地供給濃度相當(dāng)?shù)偷膿诫s片。
制造大量的濃度相當(dāng)?shù)偷倪@樣的摻雜片是不現(xiàn)實(shí)的。
現(xiàn)在將描述調(diào)整硅單晶摻雜濃度的方法。
與圖1所示的硅單晶制造設(shè)備有關(guān)的模擬模型用計(jì)算機(jī)12裝備。啟動(dòng)運(yùn)行之初，要把熔硅的總量以及中心區(qū)A與周邊區(qū)B中的熔料重量之間的比值輸入到模擬模型中。運(yùn)行時(shí)，該計(jì)算機(jī)12時(shí)時(shí)接收提拉出來的晶體實(shí)際重量，送入的硅原料的實(shí)際重量以及添加摻雜劑的實(shí)際重量，根據(jù)這些重量數(shù)據(jù)，由模擬模型予先計(jì)算出晶體提拉區(qū)(中心區(qū)A)熔料的當(dāng)前濃度與隨后熔料濃度的改變量。此外，還要確定下一步添加摻雜劑的最佳重量與時(shí)間，由此，在第二步添加之后，重復(fù)如上面所述的同樣的運(yùn)行過程。從運(yùn)行開始，重復(fù)上述過程1至5次，運(yùn)行進(jìn)入定態(tài)條件。定態(tài)條件意味著被提拉著的晶體具有固定的直徑和恒定的生長(zhǎng)速率，連續(xù)不斷送入硅原料和添加摻雜劑使周邊區(qū)B的平均濃度變成與晶體的摻雜濃度Cs一樣，而這時(shí)中心區(qū)A的濃度則穩(wěn)定在Cs值的1/K倍(K為摻雜劑的平均分配系數(shù)，例如對(duì)硼K＝0.8)。應(yīng)當(dāng)注意的是，前述運(yùn)行操作必須包括為保證生長(zhǎng)晶體的重量及為保持所需的電阻率而要求摻雜的重量計(jì)算一致的效果。
就此而論，用其它不同于本發(fā)明的算法控制提拉單晶和供給硅原料，這樣計(jì)算機(jī)12只接收作為輸入的結(jié)果。
在摻雜劑10送入之后，周邊區(qū)B中熔硅2的摻雜濃度立即上升，然后，摻雜濃度隨時(shí)間而降低。摻雜劑送入的各個(gè)時(shí)刻均如此復(fù)現(xiàn)，這種情況見之于圖3曲線上。由于周邊區(qū)B的熔硅經(jīng)過作在摻雜緩沖壁4上的小孔5單向流向中心區(qū)A，如圖3曲線a-所示，實(shí)際上在中心區(qū)A的熔料濃度毫無變化。
圖4是常規(guī)法與本實(shí)施例晶體電阻率的分布對(duì)比曲線。存在的關(guān)系是較低的晶體濃度有較高的晶體電阻率。圖4中曲線c-是指本發(fā)明實(shí)施例，而曲線d-指常規(guī)方法，這些曲線分別對(duì)應(yīng)于有或沒有緩沖壁的情況。從圖4兩種方法之間定態(tài)晶體電阻率變化的比較中會(huì)清楚地明白緩沖壁的效果。
其次，要對(duì)非定態(tài)條件下，從籽晶開始生長(zhǎng)硅單晶1直到定態(tài)條件的摻雜濃度的改變作出解釋。運(yùn)行過程之初，由于擴(kuò)散和通過緩沖壁小孔的混合，中心區(qū)A和周邊區(qū)B的熔料具有相同的摻雜濃度，因此如果把最初的熔料濃度取為CZ法的原始值，在達(dá)到定態(tài)條件前就要求相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，額外地增加晶體的摻雜濃度。
這個(gè)現(xiàn)象將參照?qǐng)D5A和5B示出的坩堝熔料濃度給以說明。圖5A表示在定態(tài)條件下各部位的濃度，而圖5B則表示在起始條件下各部位的濃度。為簡(jiǎn)明起見，中心區(qū)A的熔料濃度用1.0表示，而其它部位的濃度用相應(yīng)的值表示。在該例中，摻雜的分凝系數(shù)K用0.8表示。在定態(tài)條件下繼續(xù)拉制單晶，周邊區(qū)B的濃度等于硅晶體的濃度，就是說，與中心區(qū)A(見圖5A)相比較減少了K倍。另一方面，起始時(shí)，中心區(qū)A和周邊區(qū)B在濃度上是一樣的(見圖5B)。結(jié)果，起始時(shí)，在熔料中摻雜劑總量因周邊區(qū)B的濃度大于定態(tài)條件下的濃度，而超過了相應(yīng)的量。所以，如果中心區(qū)濃度在開始運(yùn)行時(shí)設(shè)置為原始值(相應(yīng)值1.0)，在達(dá)到定態(tài)條件前拉制硅單晶要經(jīng)過一段額外增加濃度的區(qū)域，其結(jié)果浪費(fèi)晶體頭部。
因此，把起始濃度設(shè)定在較低的值，可以防止中心區(qū)A的濃度變得過高，并且為達(dá)到定態(tài)條件所需的時(shí)間減少了。
本實(shí)施例指出，通過設(shè)定低于CZ法的起始濃度，能較早進(jìn)入定態(tài)條件。圖6和圖4的曲線c-表示出在相同的條件下，只由于起始濃度不同的電阻率變化。換句話說，給定前者的起始熔料濃度低于后者的2.5%，而后者按原CZ法的情況給定起始濃度。從兩者曲線圖的比較應(yīng)可看出，后者為達(dá)到定態(tài)條件需要較長(zhǎng)的時(shí)間。但另一方面，本實(shí)施例中硅園片用作摻雜劑，這種摻雜劑在定量上十分優(yōu)越，因?yàn)閾诫s量可由測(cè)量園片的電阻率和重量加以準(zhǔn)確確定。通過適當(dāng)選擇各次送入的硅園片的數(shù)量，這些片送入坩堝3的周邊區(qū)中被迅速熔化。
本實(shí)施例涉及的特定量值如下硅單晶1直徑150mm、所希望的電阻率10Ω.cm，而拉制速率約0.5～1mm/min。硅原料6由直徑0.5～3mm的純粒硅構(gòu)成。摻雜劑10包含有5mm方形，厚525μm及電阻率0.01Ω-cm的硅片，按單晶拉制速率1mm/min的定態(tài)條件下，每隔20到40分鐘裝料7到8片。這樣生產(chǎn)出來的硅單晶，定態(tài)部位沿縱向電阻率的改變范圍完全可控制在小于所要求值的1%。同時(shí)，氧濃度的改變范圍完全可控制小于3%，與常規(guī)方法相比，這些使制造高質(zhì)量的硅單晶成為可能。
圖7A和7B分別表示按本實(shí)施例和常規(guī)方法沿晶體縱向的電阻率分布。如圖所示，作為滿足可用電阻率的產(chǎn)品成品率大大提高了。此處可允許的晶體電阻率約為10Ω.cm。
按照本發(fā)明，借助于安裝在坩堝內(nèi)的緩沖壁，當(dāng)生長(zhǎng)硅單晶時(shí)，按硅原料供給率與硅單晶生長(zhǎng)的重量，通過模擬計(jì)算確定摻雜劑的供給速率與時(shí)間，從而，把同樣濃度與重量的摻雜片送入到緩沖壁外側(cè)的熔料表面，在定量上生產(chǎn)硅單晶的效果是極為優(yōu)越的，不再有障礙單晶生長(zhǎng)的威脅因素，確保不變的摻雜濃度以及沿生長(zhǎng)方向的均勻電阻率，因此，在整體上提高了具有相應(yīng)要求電阻率硅單晶的成品率。
權(quán)利要求
1.一種硅單晶體的制造方法，當(dāng)按切克勞斯基法連續(xù)供給硅原料和摻雜劑時(shí)用以生長(zhǎng)硅單晶，所說的方法包括步驟在盛裝熔融硅的坩堝內(nèi)安裝著緩沖壁，使所說的熔硅分隔成構(gòu)成單晶硅生長(zhǎng)區(qū)的中心區(qū)域與構(gòu)成裝入所說硅原料和所說摻雜劑區(qū)的周邊區(qū)域；把所說的硅原料和所說的摻雜劑送入到所說周邊區(qū)域的所說熔硅的表面；所說的熔硅單向地從所說的周邊區(qū)域通過許多穿透所說緩沖壁的小孔流入所說的中心區(qū)域；以及按照生長(zhǎng)硅單晶的重量或所說裝入的硅原料的重量來估算在所說中心區(qū)域中所說熔硅的摻雜濃度以予計(jì)添加到所說周邊區(qū)域內(nèi)所說熔硅中所說摻雜劑的時(shí)間及數(shù)量，依此重復(fù)添加所說的摻雜劑以保持所說緩沖壁內(nèi)側(cè)所說熔硅的摻雜濃度在予定的范圍內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1所說的制造方法，其中所說的生長(zhǎng)成的硅單晶沿縱向的電阻率變化范圍為1%或更小，且其中所說硅單晶沿縱向的氧濃度變化范圍為3%或更小。
3.按照權(quán)利要求1所說的方法，其中在所說坩堝中的所說熔硅的起始摻雜濃度被予定在低于所說硅單晶要求的濃度。
4.通過把已知摻雜濃度的硅片園片或片狀材料切割成固定的形狀備制成摻雜劑。
5.一種硅單晶制造設(shè)備，當(dāng)按切克勞斯基法連續(xù)供給硅原料和摻雜劑時(shí)，用以生長(zhǎng)硅單晶，所說的設(shè)備包括一個(gè)盛裝熔融硅的坩堝;一個(gè)緩沖壁，用來將所說坩堝內(nèi)的熔硅分隔為盛裝所說硅單晶的中心區(qū)域和在所說中心區(qū)域外側(cè)的周邊區(qū)域，在所說緩沖壁的較低部位形成許多小孔;一個(gè)計(jì)算機(jī)用于模擬所說熔硅濃度的改變和其未來;一硅單晶提拉機(jī)構(gòu)，用于檢測(cè)所說硅單晶的提拉重量，以便把提、拉重量指示信號(hào)送到所說的計(jì)算機(jī);一個(gè)硅原料供給裝置，用于輸送所說的硅原料到所說坩堝周邊區(qū)中熔硅的表面并測(cè)定其供給速率以將供給速率的指示信號(hào)送到計(jì)算機(jī);以及一個(gè)摻雜劑供給裝置，響應(yīng)來自所說計(jì)算機(jī)的指令，以供給所說的摻雜劑到所說的坩堝周邊區(qū)域。
6.一種硅單晶制造設(shè)備，其中摻雜供給裝置包括一端開口的園筒，在其中裝有許多摻雜片并且該園筒的所說開口頂端安裝在一個(gè)加熱爐的外側(cè)，一個(gè)活塞在所說的園筒中，一個(gè)用來移動(dòng)所說活塞的操縱裝置，以及以這種方式裝配的供料輸送管，即其一端位于所說園筒開口端的近旁，而另一端位于所說坩堝中的所說緩沖壁外側(cè)熔硅的表面附近。
7.按照權(quán)利要求6的制造設(shè)備，其中所說的摻雜劑片是權(quán)利要求4的摻雜劑片。
全文摘要
一種硅單晶制造方法和設(shè)備，能夠定量且穩(wěn)定地饋送摻雜劑。按硅單晶的重量或者饋入的硅原料的重量，計(jì)算出熔硅中摻雜的濃度，預(yù)計(jì)添加摻雜劑(10)的時(shí)間與數(shù)量。摻雜劑采用同樣濃度與重量，定量極準(zhǔn)的摻雜片形式，連續(xù)或間歇地由圓筒(91)、活塞(92)和活塞操縱裝置(93)組成的摻雜劑供給裝置饋送。
文檔編號(hào)C30B15/00GK1041011SQ89106560
公開日1990年4月4日 申請(qǐng)日期1989年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月7日
發(fā)明者神尾寬, 芳延, 風(fēng)間彰 申請(qǐng)人:日本鋼管株式會(huì)社