通过仅掺杂初始装料而生长均匀掺杂硅锭制造技术

本发明专利技术涉及生长包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭的方法，其中，该掺杂物浓度在整个锭是轴向实质均匀的。该方法包括下列步骤：提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅，以及该内部生长区和外部进料区具有可用以判定维持所使用的特定掺杂物材料的掺杂物均匀性的情况的剖面面积。同时也公开用于生长至少一个均匀掺杂硅锭的结晶生长系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过仅掺杂初始装料而生长均匀掺杂硅锭相关申请案的交互参考本专利技术主张于2011年5月6日所提出的美国临时专利申请案第61/483,140号的利益。
本专利技术大致涉及单晶材料的生长，且尤涉及掺杂硅的切克劳斯基(Czochralski)生长。
技术介绍
根据切克劳斯基(Czochralski；简称CZ)方法而生长单晶硅锭的技术已在过去几十年广泛地发展以供给硅晶圆给集成电路(IC)产业和光伏打(PV)太阳能产业。在切克劳斯基(Czochralski)方法中，由耐火材料（像是熔化的石英）组成且容纳硅的坩锅是加热至大约1416℃的硅熔点以在坩锅中制造硅熔化物。预定结晶定向的结晶硅的晶种被降低成几乎没有接触熔化物。熔化的硅冻结在具有相同定向的晶种上。从熔化物慢慢地抽拉晶种并且继续该工艺以生长具有直径约200或300毫米(mm)以及长度为1米或更长的单晶硅的锭。在抽拉后，切片该锭以制造硅晶圆，然后进一步处理硅晶圆用以制造IC或PV太阳能电池。IC产业主要地依赖批次切克劳斯基工艺(batchCzochralskiprocess)，其中，坩锅是初始地以具有高纯度的硅碎片、碎块、或小球装料，然后加热至硅熔点。通常，在生长一个硅锭后，会丢弃坩锅并以无污染坩锅更换之。虽然PV太阳能产业已采用批次CZ硅晶圆，但是已提出连续式切克劳斯基(Czochralski)(CCZ)(更准确地称为半连续式CZ)，其中，在锭的生长过程期间，坩锅是连续地或至少间歇性地以硅原料供给，使得在坩锅中的硅熔化物的高度维持实质固定。从坩锅抽拉一般尺寸的锭后，通过使用新晶种或重复使用先前的晶种可以抽拉另一锭。针对像是杂质累积或坩锅劣化等因素所决定的锭的实质数量可重复该工艺。CCZ工艺降低坩锅的成本、增加制造生产率、而且在某些方面简化沿着锭的长度的热控制。然而，当生长结晶硅时，CCZ也需要直接地重新供给进入热的坩锅中。晶圆(包含预定为太阳能应用的晶圆)是优先地生长掺杂成想要的导电类型和掺杂物浓度，经常仅以电阻率量测。一种导电类型的掺杂硅晶圆的制造是通过另一种导电类型的掺杂物的层的扩散或布植而允许组成P-N接面。半导体掺杂物是众所周知，大多数是P型的硼(B)和N型的磷(P)，不过镓(Ga)也提供许多优点作为太阳能电池的P型掺杂物。通过在该熔化物中包含想要的掺杂物浓度，根据CZ方法可以生长掺杂硅，以及从该熔化物将掺杂物连同硅并入硅锭中。掺杂浓度相对于硅通常为远小于1百万分率原子(partpermillionatomic)。然而，偏析效应(segregationeffect)使得该工艺变得复杂，若熔化物中的掺杂物的浓度是C，则在凝固锭的掺杂物浓度是kC，其中，k为偏析系数，此经常小于1且时常远小于1。第1表列出硅的几种掺杂物的偏析系数。第1表元素KB0.8P0.35Ga0.008In0.0004As0.3Al0.002就批次CZ而言，掺杂物时常可以连同固态硅原料装料进入冷坩锅，而当坩锅加热至硅熔点时会将两者熔融在一起。然而，偏析效应造成熔化物中相较于掺杂物会有较大部分的硅被供给生长中的锭。虽然可以调整预装料的掺杂浓度用以制造锭中想要的掺杂，但是偏析效应造成当晶体生长且熔化物耗尽时在熔化物中的掺杂物浓度逐渐增加。结果，锭的较晚部分相对于初始部分具有较高的掺杂物浓度(较低电阻率)。在批次CZ中，镓掺杂可以变化10倍而硼掺杂可以变化大约30%。然后，由于晶圆的电阻率取决于在锭内的位置，所以这样的轴向差异(即沿着锭的长度)是不愿意看到的。因为电池非均匀性负面地影响太阳能板性能，所以电池制造包含在生产线上昂贵的晶圆分选步骤。晶圆供给的均匀性可以帮助排除这些步骤。受益于此专利技术的另一应用为制造均匀电阻率的重浓度掺杂棒，其可在后续的CZ制造过程被切片并且与原料混合为固体用以制造相对地较低掺杂物浓度且较高电阻率的棒。在连续式CZ中，在熔化时，提供在液态中想要的浓度的掺杂物的数量可连同无污染的硅原料一起供给，以便维持在熔化物中的固定掺杂浓度并因此确保在每一锭内的固定轴向电阻率和在各锭间的固定电阻率。然而，在CCZ中，元素形式的掺杂物连续式重新供给呈现出大多数掺杂物相对于硅的较低熔点以及需要分开地计量进入热坩锅的掺杂物的可控制数量所引起的困难。镓呈现出特殊的困难，因为它的熔点大约30℃且具有非常低的偏析系数。以元素掺杂物(像是通常为粉末形式的硼和磷)进行的连续式掺杂也相当困难实行。因此，具有轴向均匀电阻率的切克劳斯基(Czochralski)锭生长需要更佳和更经济的方法及设备。
技术实现思路
本专利技术涉及生长包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭的方法。该方法是包括下列步骤：提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料而在该外部进料区的该初始装料包括硅及无掺杂物材料；熔化在该内部生长区的该硅及掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面；从该内部生长区生长该硅锭；移除该生长硅锭。由此产生的锭包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料，以及，在该方法的各个实施例中，是使用坩锅几何，尤其是该内部生长区和外部进料区的剖面面积，以判定维持所使用的特定掺杂物材料的掺杂物均匀性的情况。本专利技术进一步涉及结晶生长系统用于生长至少一个包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭，其中，该硅锭包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料。应理解到，上述一般描述和下列详细描述皆仅作为示例和说明，是意图提供本专利技术的进一步说明，如权利要求书所定义的。附图说明图1至图4显示和本专利技术的方法和生长系统有关的各种实施例的公式推导；图1和图2也包含切克劳斯基生长系统及本专利技术的方法的实施例的示意图；图5显示本专利技术的生长系统和方法的实施例的有关的各种工艺参数和坩锅几何的图标；以及图6是本专利技术的切克劳斯基生长系统的实施例的剖面图。具体实施方式本专利技术涉及硅锭的晶体生长的方法，以及涉及晶体生长系统及从该系统制造的锭。本专利技术可以制造具有轴向均匀掺杂物分布的硅锭，而且在锭生长过程期间不用供给额外的掺杂物材料。本专利技术的态样是在切克劳斯基(Czochralski)生长过程(尤其是在多壁的坩锅中)详细分析硅与掺杂物流动的结果。更详细而言，本专利技术涉及生长结晶材料的方法，尤其是切克劳斯基(Czochralski)生长方法。晶体生长方法包括下列步骤：提供具有流体相通于进料区的生长区的坩锅、以原料材料与掺杂物材料对坩锅预先装料、熔化初始装料、以及生长随后从该系统移除的结晶材料的锭。由此产生的结晶锭的掺杂浓度是轴向均匀，也就是，该锭沿其垂直轴具有实质固定浓度。此可以使用任何该领域已知方法来判定，尤其是使用已知电阻率测量。因此，例如，由此产生的结晶锭具有轴向均匀的电阻率。通过均匀的电阻率或掺杂物浓度的方式意指电阻率或掺杂物浓度是在±20%内或者在±10%内更佳。本专利技术的方法使用的坩锅具有流体相通于进料区内的生长区。因此，坩锅为多区的坩锅。坩锅可以是任何已知使用在能容纳固态和液态原料(尤其是硅)两者的晶体生长的坩锅。例如，坩锅可以是石英坩锅或可以是含有石英内衬的石墨坩锅。坩锅也可以具有任何剖面形状，取决于，例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；ii)提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料，而在该外部进料区的该初始装料包括硅而无掺杂物材料；iii)熔化在该内部生长区的该硅及掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该熔化混合物与该硅熔化物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，其中，该方法是连续式切克劳斯基生长方法，包括以数量MF传递包括硅及无掺杂物材料的进料至该外部进料区的步骤；同时生长该硅锭至数量Mx，以及其中，(dMF/dMx)=1–k(At/As)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.06 US 61/483,1401.一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；ii)提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料，而在该外部进料区的该初始装料包括硅而无掺杂物材料；iii)熔化在该内部生长区的该硅及掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该熔化混合物与该硅熔化物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，其中，该方法是连续式切克劳斯基生长方法，包括以数量MF传递包括硅及无掺杂物材料的进料至该外部进料区中的该硅熔化物的步骤；同时生长该硅锭至数量Mx，以及其中，(dMF/dMx)＝1–k(At/As)，且dMF≠0，其中，当生长该硅锭至该数量Mx时，不提供额外的掺杂物材料以执行该连续式切克劳斯基生长方法。2.根据权利要求1所述的方法，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。3.根据权利要求1所述的方法，其中，该内部生长区是通...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·K·约翰逊，
申请(专利权)人：GT高级锆石有限责任公司，
类型：
国别省市：