[发明专利]控制直拉硅单晶中氮含量的方法

说明书

本发明涉及一种硅单晶生长方法，尤其是控制直拉硅单晶中氮含量的方法。

中国专利CN87105811提供一种直拉硅单晶的气相掺氮方法，采用纯度为99.99%以上的氮/氮+氩混合气体作为保护气体，炉内气体压力为665～7980Pa，气体流量为1～6m³/hr，制成氮含量为1×10¹⁴～4.5×10¹⁵/cm³的硅单晶，成品率不低于70%，其硅片在制作半导体器件工艺过程中，破碎率降低10～15%。

上述方案由于对炉内氮气压力、流量的限定是不严格的，在整个拉晶过程中氮气压力是固定不变的，在熔硅阶段，若氮气压力大于1995Pa时，拉晶过程中硅单晶内的氮含量会过早地达到饱和状态，严重干扰晶体生长而产生晶变，从而影响硅单晶成品率的提高。

本发明的任务在于提供一种用99.99%以上的纯氮作为保护气体，分段控制炉内氮气压力，特别是在熔硅阶段炉内氮气压力严格控制在266～1995Pa范围内，获得硅单晶中氮含量为1.0×10¹⁴～7.0×10¹⁴/cm³，且保证该硅单晶的成品率达到80%以上。

控制直拉硅单晶中氮含量的设备布置如图1所示，包括：

1-液氮储槽;

2-液化器;

3-真空隔离器;

4-平衡器;

5-过滤器;

6-压力调节器;

7-硅单晶;

8-单晶炉;

9-真空泵。

以压力调节器6控制炉内的氮气压力和流量，氮气采用99.99%以上的纯氮，操作方式与氩保护气氛相同。

实验表明：在减压操作条件下，产品硅单晶中氮含量取决于熔硅阶段炉内氮气压力，氮气压力降低，熔硅与氮化学反应减弱，硅单晶中氮含量相应减少，通过控制高温固体硅与氮气分子的接触量，便可获所需含氮量的硅单晶。拉晶阶段，炉内氮气压力对硅中氮浓度影响可以忽略。

硅晶体中的氮浓度应由氮的蒸发量和氮在硅中分凝量而定。在硅熔点下，氮的饱和蒸汽压很低，只有6.65Pa，因而氮的蒸发可以忽略不计，于是硅中氮浓度则由氮在硅中的分凝量来决定。

硅中氮浓度的纵向分布规律是：

C（g）＝C（1-g）^k-1（1）

式中C-晶体头部的氮浓度;

g-凝固分数;

k-有效分凝系数。

其中k＝k₀/〔k₀+1-k₀〕exp（-Vδ/D）（2）

式中k₀-平衡分凝系数;

V-生长速度;

δ-扩散边界厚度;

D-氮在硅中的扩散系数。

根据k₀＝7×10^-4及V、δ、D的数值范围，可得k≤0.01，则上式可改写为：

C（g）＝ (C)/(1-g) （3）

按照上述规律，合理选用炉内氮气压力、流量参数，则可控制硅单晶中的氮浓度，无位错无旋涡硅单晶有很高的产率，成品率（未滚磨）达到80%以上。

本控制方法，包括坩埚转速为6～10转/分，坩埚内硅多晶投料量为2～40kg，晶体转速为12～25转/分，拉速为0.8～2.2毫米/分，晶体直径2″～5″，以99.99%以上的纯氮作为保护气体，炉内氮气压力为266～3990Pa，流量为0.2～10m³/hr，制成氮含量为1.0×10¹⁴～7.0×10¹⁴/cm³的硅单晶。在熔硅、拉晶及拉晶结束等不同阶段，炉内氮气压力、流量各不相同。其特征是：熔硅阶段，炉内氮气压力为266～1995Pa，流量为0.2～4m³/hr;拉晶阶段，炉内氮气压力为2660～3990Pa，流量为0.8～10m³/hr;拉晶结束阶段，炉内氮气压力为1330～1995Pa，流量为0.6～4m³/hr。其中：

制成氮含量为1.0×10¹⁴/cm³数量级的硅单晶，炉内 氮气压力在熔硅阶段为266Pa，拉晶阶段为2660Pa，拉晶结束阶段为1330Pa;