单晶硅锭及晶圆的形成方法 |
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| 申请号 | CN201610224914.5 | 申请日 | 2016-04-12 | 公开(公告)号 | CN107287655A | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 上海新昇半导体科技有限公司; | 发明人 | 肖德元; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种单晶 硅 锭及 晶圆 的形成方法，采用区熔法形成 单晶硅 锭时，对熔融区中的硅通入含有氘元素的气体，使氘元素存储在 单晶硅锭 的间隙中，降低 碳 元素及其他杂质的含量；采用单晶硅锭形成晶圆后，在晶圆上形成器件时，氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能 力 ，降低漏 电流 ，提高器件的性能与可靠性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种单晶硅锭的形成方法，其利用区熔法形成单晶硅锭，其特征在于，在熔融区的硅中通入含有氘元素的气体。 |
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| 说明书全文 | 单晶硅锭及晶圆的形成方法技术领域背景技术[0002] 单晶硅作为一种半导体材料被广泛应用于半导体器件领域，因此需求量极大，而采用区熔法生长单晶硅是获取单晶硅的一种重要方法。 [0003] 区熔法又称FZ法，即悬浮区熔法。是利用热能在原料棒的一端产生一熔融区，再熔接单晶籽晶。调节温度使熔融区缓慢地向原料棒的另一端移动，通过整根原料棒，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。区熔法制备硅单晶具有如下优点：1、不使用坩埚，单晶生长过程不会被坩埚材料污染；2、由于杂质分凝和蒸发效应，可以生长出高电阻率的硅单晶。 [0004] 使原料棒局部熔化的一般方法为：将柱状的原料棒固定于卡盘，一个金属线圈沿多晶长度方向缓慢移动并通过原料棒，在金属线圈中通过高功率的射频电流，射频功率电磁场将在原料棒中引起涡流，产生焦耳热，通过调整线圈功率，可以使得原料棒紧邻线圈的部分熔化，线圈移过后，熔料结晶为单晶，其晶向与籽晶的相同。另一种使原料棒局部熔化的方法是使用聚焦电子束。整个区熔生长装置可置于真空系统中，或者有保护气氛的封闭腔室内。 [0005] 工业界普遍采用气体掺杂法应用于区熔法生长硅单晶。这种掺杂技术是将易挥发的PH4(N型掺杂)或B2H6(P型掺杂)气体藉着氩气(Ar)稀释后直接吹入熔融区进行掺杂。其优点是制造商不需要再存储不同电阻率的多晶硅原料棒。但是，在形成单晶硅的过程中仍旧不可避免的会引入杂质，例如碳。在硅的熔融温度下，碳渗入晶格，随着单晶硅从熔融硅中生长并冷却，碳残留在单晶硅中，进而影响后续形成的半导体器件的性能与可靠性。 [0006] 因此，如何降低单晶硅中碳及其他杂质的含量，提高半导体器件的性能与可靠性是本领域技术人员需要解决的一个技术问题。 发明内容[0007] 本发明的目的在于提供一种单晶硅锭及晶圆的形成方法，能够减少杂质的形成，提高后续半导体器件的性能。 [0008] 本发明提供一种单晶硅锭的形成方法，在熔融区的硅中通入含有氘元素的气体。 [0009] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述气体为氘气。 [0010] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述气体为氘气与氩气、氢气或氮气中的一种或多种气体的混合气体。 [0011] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述气体为氘气与氩气的混合气体。 [0012] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述氘气与氩气的百分比为0.1％～99％。 [0013] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述气体还包括掺杂气体，所述掺杂气体为PH3、AsH3或B2H6。 [0014] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，所述含有氘元素的气体通入熔融区的硅中，通过以下方式进行：由设置于单晶制造装置中环绕原料棒并与射频加热线圈固定连接的气体喷射器喷射至熔融区的硅中。 [0015] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，在通入熔融区之前，所述含有氘元素的气体在气体混合箱中进行混合。 [0016] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，移动设置于单晶制造装置中的射频线圈与气体喷射器使得熔融区从原料棒的一端移动到另一端。 [0017] 进一步的，在所述单晶硅锭的形成方法中，重复上述步骤一次或多次，并且在重复时不通入气体。 [0018] 相应的，本发明还提供一种晶圆的形成方法，采用单晶硅锭作为原始材料形成晶圆，所述单晶硅锭采用上述单晶硅锭的形成方法形成，所述晶圆中含有氘元素。 [0019] 进一步的，在所述晶圆的形成方法中，包括步骤： [0020] 对所述单晶硅锭依次进行切薄、表面磨削、抛光、边缘处理及清洗处理，形成晶圆。 [0021] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用区熔法形成单晶硅锭时，对熔融区中的硅通入含有氘元素的气体，使氘元素存储在单晶硅锭的间隙中，降低碳元素及其他杂质的含量；采用单晶硅锭形成晶圆后，在晶圆上形成器件时，氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能力，降低漏电流，提高器件的性能与可靠性。附图说明 [0023] 图2为本发明一实施例中单晶制造装置形成单晶硅锭的示意图。 [0024] 图3为本发明一实施例中单晶制造装置中气体喷射器与气体混合箱的连接示意图。 具体实施方式[0026] 其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。 [0027] 本发明的核心思想是：采用区熔法形成单晶硅锭时，对熔融区中的硅通入含有氘元素的气体，使氘元素存储在单晶硅锭的间隙中，降低碳元素及其他杂质的含量；采用单晶硅锭形成晶圆后，在晶圆上形成器件时，氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能力，降低漏电流，提高器件的性能与可靠性。 [0028] 本发明提出的一种单晶硅锭的形成方法，在熔融区的硅中通入含有氘元素的气体，具体的，所述气体可以为单纯的氘气，或者氘气与氩气、氢气或氮气中的一种或多种气体的混合气体，在混合气体中优选的一种组合为氘气与氩气的混合气体，所述氘气与氩气的百分比为0.1％～99％，例如是50％，具体的，可以根据工艺的要求来决定，再次不作限定。 [0029] 所述气体还包括掺杂气体，所述掺杂气体为PH3、AsH3或B2H6，与含有氘元素的气体混合后直接通入熔融区的硅中进行N型或P型掺杂。 [0030] 具体的，请参照图1，其为本发明一实施例中单晶硅锭的形成方法的流程图，如图1所示，在步骤S01中，将原料棒固定于卡盘，射频加热线圈沿原料晶棒的长度方向缓慢移动并通过所述原料棒，在所述原料晶棒的一端产生熔融区，再熔接单晶籽晶，利用气体喷射器向所述熔融区喷射含有氘元素的气体。本实施例中，采用单晶制造装置形成单晶硅锭的示意图如图2所示，所述单晶制造装置包括气体喷射器100与射频加热线圈200，所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200形状相同，共同环绕原料棒20，且所述气体喷射器100与所述射频加热线圈200固定连接。所述射频加热线圈200在所述原料棒20的一端产生熔融区30，所述气体喷射器100向所述熔融区30喷射含有氘元素的气体，冷却之后形成单晶棒40,晶向与籽晶的相同。 [0031] 在步骤S02中，移动所述射频加热线圈200与气体喷射器100，使得熔融区30从原料晶棒20的一端移动到另一端，最终形成完整的单晶棒40，即单晶硅锭。 [0032] 所述气体喷射器100包括一环形管，在所述环形管上设置有进气端，并且在所述环形管上开设有数个气孔，从而使得掺杂气流能够更加均匀的分布在熔融区周围，使得熔融区对掺杂气体的吸收率大大增加，从而提高了气相掺杂硅单晶的电阻均匀性，同时节约了掺杂源。所述单晶制造装置还包括气体混合箱及流量控制器，其连接示意图如图3所示，所述气体混合箱300具有冷却装置，且所述气体混合箱300的出气口与所述气体喷射器100相连，所述质量流量控制器400与所述气体混合箱300的进气口连接，用于控制通入所述气体混合箱300的气体，所述单晶制造装置包含有多个质量流量控制器400，用于控制不同的气体分别通入所述气体混合箱300中进行混合，图3中仅标示了两个。含有氘元素的气体通过质量流量控制器400通入至气体混合箱300进行混合冷却后再传输至所述气体喷射器100，然后喷射至熔融区30进行长晶掺杂。 [0033] 在熔融区30中通入含有氘元素的气体，能够控制后续形成的单晶硅锭中产生聚集到一起的点缺陷及碳元素的团聚等不良缺陷，减少该类缺陷的产生，并且氘元素存储在单晶硅锭的间隙中，能够降低碳元素及其他杂质的含量，在后续形成晶圆后，在晶圆上制作器件时，氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能力，降低漏电流，提高器件的性能与可靠性。 [0034] 一般情况下，大多数杂质在凝固硅中的溶解度小于在熔融区硅中的溶解度，因此，通过熔融区可以转移大量的杂质，减少冷却之后形成的单晶棒中的杂质数量，使得杂质不断的向原料晶棒远离单晶棒的一端聚集，最终通过切割的方式去除含有大量杂质的原料棒，形成含有少量杂质的单晶棒。为了不断减少单晶棒中杂质的含量，可以重复上述步骤一次或多次，因此所述单晶硅锭的方法还包括步骤S03：重复步骤S01与S02一次或多次，并且在重复时不需要通入含有氘元素的气体，从而不断减少单晶棒中的杂质含量，其具体的重复次数根据实际的工艺条件决定，在此不做限制。之后，可以根据所需晶圆的直径对形成的单晶硅锭进行滚圆，形成规则的圆柱形，再对规则的单晶硅锭进行制作形成晶圆[0035] 在本实施例的另一方面，还提出一种晶圆的形成方法，采用单晶硅锭作为原始材料形成晶圆，所述单晶硅锭采用如上文所述的单晶硅锭的形成方法形成，所述晶圆含氘掺杂原子。 [0036] 具体的，所述晶圆的形成方法包括步骤： [0037] 对所述单晶硅锭依次进行切薄、表面磨削、抛光、边缘处理及清洗处理，形成晶圆。 [0038] 后续可以在晶圆上形成器件，由于氘元素存储在晶圆的间隙中，降低了碳元素和其他杂质的含量，并且氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能力，降低漏电流，提高器件的性能与可靠性。 [0039] 综上所述，本发明提供的单晶硅锭及晶圆的形成方法，采用区熔法形成单晶硅锭时，对熔融区中的硅通入含有氘元素的气体，使氘元素存储在单晶硅锭的间隙中，降低碳元素及其他杂质的含量；采用单晶硅锭形成晶圆后，在晶圆上形成器件时，氘元素能够扩散出，并与界面处的悬空键进行结合，形成较为稳定的结构，从而增加器件对热载流子的抵抗能力，降低漏电流，提高器件的性能与可靠性。 |
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