一种单晶硅生长方法

技术领域

本发明涉及单晶硅的电阻率控制的技术领域，特别涉及一种单晶硅生长方法。

背景技术

在绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等功率用器件所使用的开关器件中，主要使用N型单晶硅。通常情况下，N型单晶硅的掺杂元素为磷，其分凝系数为0.35，远小于另一掺杂元素硼的分凝系数，因而在N型晶棒拉制过程中偏析严重，从晶棒头部到尾部磷的含量递增，且增加幅度很大，导致N型晶棒整体呈现头部的电阻率高，尾部的电阻率低的状态，如图1所示，Res为晶棒的电阻率，L为晶棒的生长长度。但在绝缘栅双极晶体管IGBT等功率用器件，对晶棒电阻率的要求较为严格，晶棒头尾电阻率差值较大导致晶棒产品合格率较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种单晶硅生长方法，能够解决晶棒生长过程中头尾电阻率差值较大，导致晶棒产品合格率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种单晶硅生长方法，包括：

在对晶棒进行拉制时，根据晶棒头部的电阻率，向硅溶液里掺杂含磷母合金；

在检测得到的所述晶棒的电阻率低于预设门限时，或者在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

进一步地，向所述硅溶液里掺杂的所述含磷母合金的质量与所述晶棒头部的电阻率成反比。

进一步地，所述预设长度根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限确定。

进一步地，所述预设长度为400mm至600mm。

进一步地，在所述晶棒的拉制过程中，每次掺杂等量的所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

进一步地，在所述晶棒的拉制过程中，每次掺杂所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的时间间隔逐渐缩短。

进一步地，拉制所述晶棒的拉制速度大于1.2mm/min。

进一步地，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片中，氮的浓度范围为1E13 atoms/cm

进一步地，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片中，锗的浓度范围为1E12 atoms/cm

进一步地，所述晶棒的拉制过程通过会切磁场辅助控制。

本发明的有益效果是：

本发明实施例的单晶硅生长方法，根据晶棒头部的电阻率，向硅溶液里掺杂含磷母合金，将磷作为主要掺杂物；通过在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，能够通过硼元素提升晶棒的电阻率，控制单晶硅生长过程中的电阻高于预设门限；通过向硅溶液里掺杂氮元素，能够改善晶棒中缺陷的分布，增加晶棒的无缺陷区域和拉制速度的调整范围；通过向硅溶液里掺杂锗元素能够消除因为掺杂硼和氮引起的硅晶格畸变。本发明实施例的单晶硅生长方法，解决了晶棒生长过程中头尾电阻率差值较大的问题，且能够改善晶格畸变和缺陷分布，提高晶棒产品的合格率。

附图说明

图1表示本发明实施例的单晶硅生长方法的步骤示意图；

图2表示本现有技术中的随着晶棒的生长，晶棒电阻率的变化趋势；

图3表示本发明实施例的随着晶棒的生长中多次等量掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片后晶棒电阻率的变化趋势。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

本发明针对晶棒生长过程中头尾电阻率差值较大，导致晶棒产品合格率较低的问题，提供一种单晶硅生长方法。

如图2所示，一种单晶硅生长方法，包括如下步骤：

步骤201，在对晶棒进行拉制时，根据晶棒头部的电阻率，向硅溶液里掺杂含磷母合金；

步骤202，在检测得到的所述晶棒的电阻率低于预设门限时，或者在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

可选地，所述单晶硅生长方法，包括：

初始掺杂工序和追加掺杂工序；

所述初始掺杂工序包括：

在对晶棒进行拉制时，根据晶棒头部的电阻率，向硅溶液里掺杂含磷母合金；

所述追加掺杂工序包括：

在检测得到的所述晶棒的电阻率低于预设门限时，或者在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

可选地，在向硅溶液里掺杂含磷母合金之前，先检测所述晶棒头部的电阻率，并根据所述晶棒头部的电阻率，确定向所述硅溶液里掺杂的含磷母合金硅片的质量，且所述晶棒头部的电阻率越小，掺杂的所述含磷母合金硅片的质量越大。

本发明一实施例中，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片为：硅基体的厚度为800μm，在所述硅基体进行双面镀四氮化三硅，镀层的厚度为4000埃-6000埃。

可选地，实时检测所述晶棒的电阻率，或者，周期性地检测所述晶棒的电阻率。

可选地，所述在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，可以理解为：

在所述晶棒被拉制到预设长度时，即所述晶棒的电阻率降低至所述预设门线时，掺杂所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

其中，所述预设长度可以根据经验确定，或者根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限确定计算得到。

可选地，每次掺杂的所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的质量根据所述晶棒的原始含磷量、所述晶棒电阻率的预设门限以及掺杂的所述含磷母合金确定。

可选地，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的掺杂次数，根据所述晶棒的拉制速度以及所述晶棒需要拉制的长度确定。

可选地，所述在检测得到的所述晶棒的电阻率低于预设门限时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，可以理解为：

在检测得到的所述晶棒的电阻率低于预设门限时，向硅溶液里掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

并在再次所述晶棒的电阻率低于预设门限时，再次向硅溶液里掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，直至所述晶棒拉制完成。

本发明实施例的单晶硅生长方法，因为向硅溶液里掺杂含磷母合金，将磷作为主要掺杂物以调整晶棒的电阻率，但是磷的分凝系数较低，导致晶棒的生长过程中，磷的浓度越来越高，晶棒尾部的电阻率逐渐降低。

本发明实施例的单晶硅生长方法，根据晶棒头部的电阻率，向硅溶液里掺杂含磷母合金，将磷作为主要掺杂物；通过在所述晶棒被拉制到预设长度时，向硅溶液里分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，能够通过硼元素提升晶棒的电阻率，控制单晶硅生长过程中的电阻高于预设门限；通过向硅溶液里掺杂氮元素，能够改善晶棒中缺陷的分布，增加晶棒的无缺陷区域和拉制速度的调整范围；通过向硅溶液里掺杂锗元素能够消除因为掺杂硼和氮引起的硅晶格畸变。通过本发明实施例的单晶硅生长方法拉制的晶棒，电阻率分布较为均匀，且硅晶格畸变较少，能够用于对晶棒质量要求较高的后端绝缘栅双极晶体管IGBT产品中。

本发明实施例的单晶硅生长方法，解决了晶棒生长过程中头尾电阻率差值较大的问题，且能够改善晶格畸变和缺陷分布，提高晶棒产品的合格率。

可选地，向所述硅溶液里掺杂的所述含磷母合金的质量与所述晶棒头部的电阻率成反比。

即所述晶棒头部的电阻率越小，掺杂的所述含磷母合金的质量越大。

本发明一实施例中，通过掺杂磷元素，能够对晶棒的电阻率进行调节。

可选地，根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限确定。

可选地，所述预设长度为400mm至600mm。

本发明一实施例中，所述预设长度可以为400mm、450mm、500mm、550mm或者600mm。

本发明一实施例中，根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限，确定所述晶棒被拉制到500mm时，所述晶棒的电阻率将低于所述预设门限；

则在所述晶棒被拉制到500mm时，向所述硅溶液中掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明一实施例中，根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限，确定所述晶棒被拉制到450mm时，所述晶棒的电阻率将低于所述预设门限；

则在所述晶棒被拉制到450mm时，向所述硅溶液中掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明一实施例中，根据所述晶棒原始的磷含量以及所述晶棒电阻率的预设门限，确定所述晶棒被拉制到550mm时，所述晶棒的电阻率将低于所述预设门限；

则在所述晶棒被拉制到550mm时，向所述硅溶液中掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明一实施例中，对所述晶棒设置预设的电阻率区间(电阻率的最大值Rmax和最小值Rmin)，即所述晶棒的电阻率在所述电阻率区间内才合格。

本发明实施例的单晶硅生长方法，通过将磷作为初始掺杂工序的掺杂元素，能够调节晶棒的电阻率；通过掺杂硼元素，能够晶棒的电阻率拉回至预设的电阻率区间。

如图3所示，随着晶棒的生长电阻率逐渐降低，在掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片后，晶棒的电阻率被调高；但随着磷元素的偏析，晶棒电阻率再次降低，因此需要分多次掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，从而使晶棒的电阻率处于所述电阻率区间(Rmin-Rmax之间)。

可选地，在所述晶棒的拉制过程中，每次掺杂等量的所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明实施例的单晶硅生长方法，通过每次掺杂等量的所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，能够较好得评估计算母合金硅片的掺杂量与晶棒电阻之间的对应关系。

可选地，在所述晶棒的拉制过程中，每次掺杂所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的时间间隔逐渐缩短。

本发明一实施例中，在硅溶液里掺杂分凝系数大于磷元素的硼元素，随着晶棒的生长，硅溶液里磷的浓度越来越高，且磷的浓度的增长速度也越来越高，因此，每次掺杂所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的时间间隔逐渐缩短。

本发明一实施例中，根据所述晶棒的生长速度判断掺杂时机；

例如，若所述晶棒的目标拉制长度为1800mm，且根据所述晶棒的拉制速度以及所述晶棒需要拉制的长度确定所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的掺杂次数为4次时，则在晶棒生长至500mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

当晶棒生长至1000mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1400mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1700mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，即随着晶棒的生长，每次掺杂硼元素时，晶棒的生长长度逐渐缩短。

本发明一实施例中，根据所述晶棒的生长速度判断掺杂时机；

例如，若所述晶棒的目标拉制长度为1800mm，且根据所述晶棒的拉制速度以及所述晶棒需要拉制的长度确定所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的掺杂次数为4次时，则在晶棒生长至400mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

当晶棒生长至900mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1300mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1600mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，即随着晶棒的生长，每次掺杂硼元素时，晶棒的生长长度逐渐缩短。

本发明一实施例中，根据所述晶棒的生长速度判断掺杂时机；

例如，若所述晶棒的目标拉制长度为2000mm，且根据所述晶棒的拉制速度以及所述晶棒需要拉制的长度确定所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的掺杂次数为4次时，则在晶棒生长至600mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

当晶棒生长至1100mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1500mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

晶棒生长至1800mm时，加入1/4的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片，即随着晶棒的生长，每次掺杂硼元素时，晶棒的生长长度逐渐缩短。

本发明另一实施例中，对所述晶棒的电阻率进行实时检测或者周期性地检测；在检测到所述晶棒的电阻率低于预设门限(Rmin)的情况下，向所述硅溶液中掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

例如，若所述晶棒的目标拉制长度为1400mm，则在所述晶棒被拉制到450mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时向所述硅溶液内掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到900mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到1200mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到1350mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明一实施例中，若所述晶棒的目标拉制长度为1800mm，则在所述晶棒被拉制到500mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时向所述硅溶液内掺杂表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到1000mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到1400mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片；

在所述晶棒被拉制到1700mm时，检测到所述晶棒的电阻率低于所述预设门限，此时再次向所述硅溶液内掺杂等量的表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片。

本发明实施例的单晶硅生长方法，通过控制每次掺杂所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片的时间间隔逐渐缩短，能够使得晶棒的电阻率始终处于所述电阻率区间。

可选地，拉制所述晶棒的拉制速度大于1.2mm/min。

本发明实施例的单晶硅生长方法，因掺杂有氮元素，氮能够改变晶棒中缺陷的分布，增加晶棒的无缺陷区域额，从而能够增加拉制速度的调整范围，继而可以在保证拉制速度足够大的情况下(拉制速度1.2mm/min以上)，晶棒(以12inch晶圆为例)的中心位置(径向0-130mm)主要以小size的空位型缺陷为主，使得空位型缺陷区域靠近无缺陷区，而非间隙缺陷考级无缺陷区域(例如，径向130-150mm为空位型Pv区域)，从而提高晶棒的产品优良率。

可选地，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片中，氮的浓度范围为1E13 atoms/cm

本发明实施例的单晶硅生长方法，掺杂一定浓度的氮元素，能够改善晶棒中的缺陷分布，提高晶棒的产品优良率。

可选地，所述表面镀有四氮化三硅的含有锗和硼的母合金硅片中，锗的浓度范围为1E12 atoms/cm

本发明实施例的单晶硅生长方法，在晶棒的拉直过程中，向所述硅溶液中掺杂硼和氮，虽然能够调整晶棒的电阻率和缺陷分布，但是也会引起晶棒晶格的畸变。通过掺杂锗元素，能够改变晶棒的晶格，消除晶格的畸变，使得生产的晶棒能够更好地应用于后端的绝缘栅双极晶体管IGBT产品中。

可选地，所述晶棒的拉制过程通过会切磁场辅助控制。

本发明实施例的单晶硅生长方法，在制备N型单晶硅时，除了电阻率以外，还有一个重要的技术指标，即单晶硅的氧含量。较P型单晶而言，N型单晶的氧含量要求严格很多，需要氧含量保持较低的水平，通常在6ppma以下。为了达到这一目标，需要采用会切磁场(翻转磁场)CUSP进行辅助控制拉晶，相较于P型单晶采用的水平磁场，CUSP磁场的磁感线呈对称分布，同时微垂直于坩埚壁，使得临近坩埚壁的扩散层厚度变厚，降低石英坩埚与硅溶液反应减少氧产出，因此可制备具有氧含量小于6ppma且径向氧含量很均一的N型单晶。

需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。