专利名称：制造具有受控制的碳含量的硅单晶的方法
技术领域：
本发明涉及制造具有受控制的碳含量的硅单晶的方法，其中在坩埚内使多晶硅熔化成硅熔体，在此期间将具有一定流量的惰性气体流通至该熔化的多晶硅上，并根据Czochralski法由该熔体拉伸该单晶。
背景技术：
对于用硅制造电子元件而言，碳作为单晶硅中的杂质可发挥不利及有利的作用，这是已知的。为避免碳的不利影响，JP-05009097A建议，通过在压力低于拉伸单晶时的压力的情况下熔化多晶硅以降低单晶内的碳浓度。因为氧沉积物与金属污染物相结合(内吸杂)，因而可使这些污染物远离制造电子元件的硅区域，所以人们对碳促进氧沉积物的形成的有利作用具有特别的兴趣。若氧的浓度低，从而使形成的氧沉积物的数量不足以有效地捕获金属污染物，则存在碳是特别期待的。若熔体含有高浓度的n型电活性掺杂剂，如砷或锑，则该情况经常发生。因为根据Czochralski法拉伸硅单晶的熔炉具有石墨制成的结构，如围绕坩埚的电阻加热装置，所以碳不可避免地以石墨的氧化产物的形式不受控制地进入该熔体中，并最终进入单晶内。然而，有效控制氧沉积物的形成需要尽可能精确地控制该熔体中的碳浓度的方法。因此，WO 01/06545 A2建议在拉伸单晶之前，在熔体中添加少量的碳。为提供必要纯度的碳以及碳在该熔体中的均匀分布，该方法需要计量装置及其操作的额外消耗。该额外消耗提高了制造硅单晶的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，该方法可在不产生时间及材料方面的额外消耗的情况下调节熔体中以及由其制成的单晶中的碳浓度。
本发明涉及制造具有受控制的碳含量的硅单晶的方法，其中在坩埚内使多晶硅熔化成硅熔体，在此期间将具有一定流量的惰性气体流通至该熔化的多晶硅上，并根据Czochralski法由该熔体拉伸该单晶，其特征在于，控制所述惰性气体流的流量，以调节该熔体中的碳浓度。
本发明的发明人发现，可利用熔炉内自然存在的碳源控制其进入该熔体以及进入单晶，尤其是在多晶硅于坩埚内熔化的制造过程段中。在该段中，用惰性气体，优选为氩，冲洗坩埚中所含的多晶硅，并用惰性气体的流量控制碳进入该熔体。
根据两个附图详细阐述本发明。
图1所示为用于根据Czochralski法制造硅单晶的常用熔炉的结构示意图。
图2以实验测定的曲线的形式显示了熔体中碳浓度与惰性气体流量的关系。
具体实施例方式
如图1所示，用于根据Czochralski法拉伸硅单晶的熔炉包括坩埚1，该坩埚在初始时含有达到特定填充高度的碎片和/或颗粒形式的多晶硅，并将该坩埚安装在轴上。该坩埚由一定形状的基座2支撑，并被加热装置3围绕，在开始拉伸单晶之前利用该加热装置由多晶硅产生硅熔体。将机械装置安装在该熔炉的上端，优选为可垂直移动的拉伸轴4或拉伸绳索，由此使晶种下降至所产生的熔体内，并由此将在晶种上结晶的单晶从该熔体旋转提升上来。挡热板6通常固定在该机械装置与坩埚边缘之间，该挡热板屏蔽加热装置对生长的单晶的热辐射，并将惰性气体流从气体入口7引导至多晶硅，随后引导至熔体，并引导至该熔炉内的气体出口8。
如图2所示，诸如氩的惰性气体的流量在熔化单晶期间对所产生的熔体内的碳浓度具有决定性并且可控制的影响。这根据本发明加以利用，以调节该熔体中的以及单晶内的考虑了碳偏析系数的期望浓度。在晶体开始生长时，该熔体内的碳浓度优选为1×1016至5×1017/立方厘米，对应单晶内的浓度优选为1×1015至5×1017/立方厘米(测量方法根据ASTM F 123-86)。在此情况下，由于晶体内的偏析作用而使单晶内的碳浓度大幅提高，所以该晶体的接种端优选的浓度范围是1×1015至1×1017/立方厘米。在熔化多晶硅期间，惰性气体的流量可保持恒定或加以改变，优选为100标准升/小时至10,000标准升/小时。压力通常为10至100毫巴。
有关该熔炉及其中所含成分的参数也影响该惰性气体的流量。所以也可通过这些参数针对性地影响该熔体的碳含量，其中随着这些参数的改变而增加(减少)用于冲洗多晶硅的惰性气体的流量，导致该熔体内的碳浓度降低(升高)。这些参数中最重要的是该熔炉、挡热板、坩埚及基座的尺寸和形状，以及坩埚与拉伸轴之间的相对位置。其他的重要参数是熔化过程的时间及加热时间，即熔化多晶硅之后直至开始拉伸晶体的阶段的时间，在此期间主要调节惰性气体的流量。通过延长加热时间，可进一步提高进入该熔体中的碳。通过在加热期间调节该熔体的温度和/或惰性气体的流量，尤其可将碳含量控制在宽的浓度范围内。然而，延长加热时间总是伴随着额外的时间消耗。
针对性地影响该熔体中的碳浓度的其他可能性包括选择填充高度(不受坩埚限制的多晶硅表面)与坩埚边缘之间的特定距离，以下称为调节高度。对于多晶硅的预定称量而言，调节高度取决于碎片和/或颗粒的尺寸，调节高度越小则碎片越大。发现该熔体内的碳浓度越小，则调节高度越低。为实现该熔体内的碳含量低，无需减少该熔体的体积，例如可通过将相对较少称量的大碎片装入坩埙中，从而选择低的调节高度，并通过添加并熔化其他多晶硅而产生熔体，从而增加这些碎片熔化之后所产生的熔体的体积。在称量固定的情况下，通过多晶硅的尺寸分布，同样可以控制坩埚的料位。不同尺寸的碎片与颗粒和/或大尺寸多晶硅棒粒的适当组合，可使任意形状及尺寸的坩埚的调节高度适合于各种需要。
权利要求
1.制造具有受控制的碳含量的硅单晶的方法，其中在坩埚内使多晶硅熔化成硅熔体，在此期间将具有一定流量的惰性气体流通至该熔化的多晶硅上，并根据Czochralski法由该熔体拉伸该单晶，其特征在于，控制该惰性气体流的流量，以调节该熔体中的碳浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过至少一个参数影响所述惰性气体流的流量，从而额外调节所述熔体中的碳浓度，这些参数包括拉伸所述单晶的熔炉的尺寸和形状、围绕所述单晶的挡热板的尺寸和形状、坩埚以及支撑该坩埚的基座的尺寸和形状、以及该坩埚与拉伸轴之间的相对位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在熔化所述多晶硅之前选择该多晶硅的料位与所述坩埚边缘之间的距离，从而额外调节所述熔体中的碳浓度。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，控制所述惰性气体流的流量，使100标准升/小时至1000标准升/小时的惰性气体流冲洗所述多晶硅。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，控制氩的流量，以调节所述熔体中的碳浓度。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在熔化所述多晶硅之后及开始拉伸所述单晶之前，以特定的时间控制所述熔体的温度和/或所述惰性气体流的流量，以调节所述熔体中的碳浓度。
全文摘要
本发明涉及制造具有受控制的碳含量的硅单晶的方法，其中在坩埚内使多晶硅熔化成硅熔体，在此期间将具有一定流量的惰性气体流通至该熔化的多晶硅上，并根据Czochralski法由该熔体拉伸该单晶，其特征在于，控制所述惰性气体流的流量，以调节该熔体中的碳浓度。
文档编号C30B15/04GK1824848SQ20061000649
公开日2006年8月30日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年2月10日
发明者鲁珀特·克劳特鲍尔, 埃里希·格梅尔鲍尔, 罗伯特·沃布赫纳 申请人:硅电子股份公司