Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии полупроводникового кремния и может быть использовано при получении легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки. Способ включает вакуумирование рабочей камеры, осушку ее атмосферы и оснастки. Затем проводят расплавление зоны исходного стержня кремния и вводят в нее легирующую добавку. Введение добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от нее на расстоянии 1,1 1,5 R, где R радиус выращиваемого монокристалла. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к металлургии полупроводникового кремния и может быть использовано при получении легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки (БЗП).

Известны способы легирования стержней кремния при разрежении атмосферы выращивания (в вакууме) [1] а также при избыточном давлении атмосферы выращивания [2] Согласно этим способам в заданную атмосферу выращивания к растущему кристаллу подается легирующее вещество с помощью газа-носителя. Недостатками известных способов являются пригодность их только к какому-либо одному виду атмосферы выращивания, отсутствие учета коэффициента усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием в процессе выращивания. Этот важнейший параметр обеспечивает воспроизводимость процесса легирования. Кроме того, известные способы, как показывает практика, не обеспечивают достаточной воспроизводимости процесса при достижении задачи легирования (достижение заданного уровня удельного электрического сопротивления (УЭС) при легировании выращиваемых монокристаллов кремния), а также не обеспечивают равномерности распределения легирующей примеси по длине монокристалла кремния.

Известен способ для осуществления процессов легирования, в частности дозирующие камеры с клапанами для регулирования количества легирующей добавки, подаваемого к зоне расплава растущего кристалла кремния [3] Устройство для осуществления способа [3] обеспечивает порционную подачу легирующей добавки при помощи комбинации по меньшей мере двух клапанов и одного определенного объема между этими двумя клапанами (прототип).

Недостатками известных устройств являются отсутствие регламентации параметров линий газовой разводки, соединяющей дозирующую камеру с камерой выращивания кристаллов кремния, а также режимов управления процессом подачи легирующей смеси с полным учетом основных параметров технологического процесса выращивания кристаллов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ легирования при выращивании полупроводников методом бестигельной зонной плавки [4] (прототип).

Предлагаемый способ легирования с заданной концентрацией легирующей добавки осуществляется путем расплавления исходного стержня индукционным нагревом, перемещением зоны расплава вдоль стержня с одновременным обдувом расплавленного участка газом, содержащим легирующую добавку. При этом для увеличения воспроизводимости процессе легирования и увеличения равномерности легирования по длине кристалла обдув начинают в момент расплавления конической части исходного стержня при повышенном расходе легирующей добавки, который затем снижают и стабилизируют после достижения зоной расплава цилиндрической части растущего кристалла. Указанный способ применим для разреженных сред (вакуум) и атмосфер с избыточным давлением. В качестве направляющего формообразователя потока легирующего элемента используется сопло.

Недостатками известного способа являются: приблизительное определение повышенного расхода лигатуры для увеличения равномерности процесса легирования по длине кристалла, что не обеспечивает высокой воспроизводимости процесса легирования; отсутствие учета влияния состояния трубопровода подачи лигатуры; не регламентируется расположение сопла; отсутствие алгоритма массопереноса легирующего потока. Каждая из вышеперечисленных причин не позволяет достичь высокой воспроизводимости процесса легирования и равномерности распределения легирующей добавки по длине выращиваемого кристалла менее ± 25% от задачи легирования.

Целью изобретения является увеличение выхода в годную продукцию за счет увеличения воспроизводимости процесса легирования в заданный уровень удельного электрического сопротивления и достижение равномерности распределения легирующей добавки по длине выращиваемого кристалла менее ±20% от задачи легирования.

Цель достигается тем, что как и в известном способе получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающем расплавление зоны исходного стержня в вакуумной камере и подачу легирующей добавки в зону расплава, в предлагаемом способе после вакуумирования проводит осушку атмосферы и оснастки камеры, а подачу легирующей добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от нее на расстоянии 1,1-1,5R, где R радиус выращиваемого монокристалла. Легирующую добавку подают из дозирующей камеры с помощью клапанов, частоту открывания которых определяют из выражения f , где f частота открывания клапанов, мин^-1; N концентрация легирующей добавки, вводимой в кремний, ат/см³; v скорость выращивания монокристалла, мм/мин; R радиус выращиваемого монокристалла, мм; N_исх концентрация легирующей добавки в дозирующей камере, ат/см³; V объем дозирующей камеры, мм³; К коэффициент усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, для атмосферы аргона К 0,084% для вакуума К 0,042%
Устройство для получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающее камеру для выращивания монокристалла, дозирующую камеру с клапанами для регулируемой подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий обе камеры, имеющий сопло на одном конце, входящем внутрь камеры для выращивания, в предлагаемом устройстве длина трубопровода не превышает (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода, см.

Предложенное техническое решение имеет следующие общие с прототипом существенные признаки: создание в камере выращивания заданной атмосферы выращивания; расплавление исходного стержня методом индукционной бестигельной зонной плавки и подача легирующей добавки к зоне расплава; использование дозирующего устройства с клапанами для регулирования подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий дозирующую камеру с ростовой камерой, имеющий сопло для подачи легирующей добавки к зоне расплава.

В отличие от прототипов предложенное техническое решение имеют следующие отличительные признаки: осуществляются предварительное вакуумирование объема ростовой камеры и подводящих трубопроводов перед процессом плавки, независимо от рабочей среды выращивания; осушка атмосферы выращивания, газопроводов, поверхностей ростовой камеры и технологической оснастки, размещенной в ней; подача легирующей добавки осуществляется порционно с частотой открывания клапанов, выбираемой с учетом технологических параметров процесса выращивания:
f ; сопло для подачи легирующей добавки направлено на середину зоны расплава и отстоит от нее на расстоянии (1,1-1,5)R, где R радиус выращиваемого монокристалла; длина трубопровода, соединяющего дозирующую камеру с камерой выращивания, не превышает (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В зависимости от радиуса R выращиваемого монокристалла производится юстирование сопла, подающего лигатуру к зоне расплава, таким образом, чтобы оно было расположено по центру зоны расплава и отстояло от нее на расстоянии (1,1-1,5)R. Отклонение от этих требований приводит к изменению величины коэффициента усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, что не позволяет получить ожидаемый уровень легирования (удельного электрического сопротивления кремния). Расположение сопла по центру зоны расплава связано с тем, что это наиболее перегретая часть зоны расплава и соприкосновение потока лигатуры не нарушает бездислокационного роста монокристалла. Отклонение от этой области приводит к переохлаждению либо границы фронта плавления, либо границы фронта кристаллизации и появлению дендритов. Такое переохлаждение вызывает прекращение бездислокационного роста монокристалла (брак). Уменьшение же расстояния между соплом и зоной расплава менее 1,1R вызывает не только прекращение бездислокационного роста монокристалла вследствие переохлаждения, но и образует спайки между плавящимся и растущим кристаллом, что ведет к демонтажу процесса аварийной ситуации. Превышение расстояния между соплом и зоной расплава вызывает рассеивание струи легирующего потока, изменение коэффициента усвоения, недостижение задачи легирования.

Согласно предлагаемому способу перед началом процесса легирования производится технологическая операция осушки атмосферы в камере выращивания монокристаллов, подводящего газопровода лигатуры, внутренней поверхности ростовой камеры и расположенной в ней технологической оснастки.

Эта технологическая операция обеспечивает удаление остатков влаги, десорбцию компонентов воздуха из вышеперечисленных объектов. Отсутствие этой операции вызывает неравномерный во времени и количественно процесс химико-физических превращений (диссоциация, гидролиз, окисление) легирующей добавки, что и вызывает недостаточную воспроизводимость задачи легирования и особенно неоднородность вхождения лигатуры в растущий монокристалл по мере его выращивания (неоднородность удельного электрического сопротивления по длине монокристалла).

Предлагаемый эмпирический алгоритм массопереноса легирующей добавки
f позволяет управлять режимом процессам легирования и связывает основные технологические параметры процесса БЗП и процесса легирования: N заданное количество легирующей добавки в кремнии, обеспечивающее достижение заданной величины удельного электрического сопротивления в выращенном со скоростью v легированном монокристалле кремния радиусом R; N_исх концентрация легирующей добавки в резервуаре с лигатурой, поступающей в дозирующую камеру с объемом V; К коэффициент усвоения легирующей примеси, зависящий от характера истечения легирующего потока (молекулярный, динамический), легирующей добавки и формы ее пребывания.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство для осуществления способа содержащее известное дозирующее устройство (1) включает дозирующую камеру 2, и источник легирующей добавки 3, а также подводящие трубопроводы, 4,5 и 6. Трубопровод 4 соединяет дозирующее устройство 1 с ростовой камерой 7 и имеет на свободном конце сопло 8. Трубопровод 5 посредством вентилей 9 и 10 и ротаметра 11 обеспечивает подачу и регулирование расхода газа-носителя легирующей добавки. Трубопровод 6 соединяет источник легирующей добавки 3 с емкостью 12 аргона и с помощью вентилей 13,14 и манометра 15 обеспечивает заданное постоянное давление легирующей смеси. Контроль осушки в подводящих трубопроводах и ростовой камере осуществляется манометрической лампой 16. Длина трубопровода 4 имеет регламентированную длину (150-200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.

Регламентация длины трубопровода, соединяющего дозирующую камеру с камерой выращивания, определена из условий длительности осушки ее стенок, не превышающей длительности осушки ростовой камеры и технологической оснастки. Этот необходимый признак также способствует достижению высокой воспроизводимости процесса легирования, как в задачу легирования, так и равномерного распределения легирующей добавки по длине монокристалла. Кроме того, регламентация способствует минимизации энергетических и временных затрат на проведение процесса легирования. Нижний предел 150d определен из соображений удобства монтажа и обслуживания дозирующего устройства. Превышение длины трубопровода свыше максимальной 200d приводит к неполной осушке трубопровода и инициированию химико-физических превращений лигатуры, что снижает воспроизводимость и равномерность процесса легирования, что ухудшает характеристики предлагаемого способа.

Устройство для осуществления способа работает следующим образом.

Дозирующее устройство 1 заправляется легирующей добавкой в виде жидкого соединения с определенной упругостью паров и находится в специальной емкости, которая является источником легирующей добавки 3 для процесса легирования. В этой емкости посредством запорно-регулирующей арматуры (вентилей 13,14, манометра 15) и трубопровода 6 создаются постоянные давление и концентрация парогазовой смеси. Впусной и выпускной клапаны, ограничивающие дозирующую камеру 2, поочередно открываясь и закрываясь с заданной частотой f, подают парогазовую смесь в трубопровод 4, которая за счет либо вакуума в ростовой камере (при плавке в разреженной атмосфере), либо избыточного давления газа-носителя в трубопроводе 5 (при плане в атмосфере аргона) подается к зоне расплава кремния посредством сопла 8.

П р и м е р 1. Легировали партию поликристаллического кремния в количестве 11 стержней. Процесс БЗП осуществлялся на установке "Кристалл-108" в атмосфере аргона при рабочем давлении 1,3˙10³ Па. Радиус R выращиваемых легированных стержней кремния поддерживался 38 мм, а скорость выращивания 3 мм/мин. Целью легирования было достижение содержания примеси фосфора в кремнии 4,0˙10¹³ ат/см³. Исходная концентрация фосфора в смеси хлорида фосфора с четыреххлористым кремнием, являющейся источником легирующей добавки, составляла 1˙10¹⁸ат/см³. Устройство легирования соединялось с камерой установки БЗП трубопроводом с внутренним диаметром d 0,5 см и длиной 93 см или 186 d. Подающее сопло располагалось по центру зоны расплава на расстоянии 45 мм или 1,18 R от растущего стержня. Объем дозирующей камеры устройства легирования составлял 100 мм³. После загрузки камеры установки БЗП производилась осушка ростовой камеры, технологической оснастки и подводящих трубопроводов газовой разводки, после чего производилось заполнение ростовой камеры аргоном до рабочего давления и осуществлялось БЗП стержней кремния и их легирование. Частота открывания клапанов составляла 2,06 мин^-1. Выход годных стержней составил 92% при неоднородности легирования по длине стержней не более ±20% от среднего значения. Коэффициент усвоения легирующей добавки фосфора при данных условиях составил К 0,084%
П р и м е р 2. При тех же условиях легирования подающее сопло легирующего потока располагали на расстоянии 40 мм, т.е. менее 1,1R. Имело место образование дендритов на фронте кристаллизации в области контакта легирующего потока с поверхностью зоны расплава и после непродолжительного процесса выращивания его аварийное прекращение.

П р и м е р 3. При тех же условиях, описанных в примере 1, расстояние между растущим стержнем и соплом составило 60 мм, т.е. более 1,5 R. В результате переработки партии стержней, легированных фосфором, попадание в задачу легирования снизилось до 64% из-за рассеяния потока легирующей добавки и недостижения задачи легирования.

П р и м е р 4. При условиях, описанных в примере 1, длина трубопровода, соединяющего легирующее устройство и ростовую камеру, составило 120 см, т.е. более 200 d. Результаты переработки легированных стержней кремния показали, что неоднородность распределения легирующей примеси по длине стержня возросло до 31% из-за изменения концентрации легирующей добавки в начале процесса выращивания, а воспроизводимость процесса снизилась, выход в годное составил 78% из-за непопадания в задачу легирования.

П р и м е р 5. Легировали партию поликристаллического кремния в количестве 14 стержней. Процесс БЗП осуществляли на установке "Кристалл-108"в глубоком вакууме при остаточном давлении не более 4˙10^-3Па. Радиус выращивания легированных стержней поддерживали 38 мм, а скорость выращивания 2,5 мм/мин. Целью легирования было достижение содержание примеси фосфора в кремнии 1˙10¹⁴ см³. Исходная концентрация фосфора в смеси хлорида фосфора с четыреххлористым кремнием, являющейся источником легирующей добавки, составляло 3˙10¹⁸ ат/см³. Устройство легирования соединялось с камерой установки БЗП трубопроводом с внутренним диаметром 0,5 см, длиной 93 см или 186 D. Подающее сопло располагалось по центру зоны расплава на расстоянии 45 мм или 1,18 R от растущего стержня. Объем дозирующей камеры устройства составлял 100 мм3. После загрузки камеры установки БЗП производилась осушка ростовой камеры, технологической оснастки и подводящих трубопроводов газовой разводки, после чего осуществлялась БЗП стержней кремния и их легирование. Частота открывания клапанов составляла 2,87 мин^-1. Выход годных стержней составил 90,6% при неоднородности легирования по длине стержней не более ±16% от среднего значения. Коэффициент усвоения легирующей добавки фосфора при легировании в вакууме составил 0,042%

Формула изобретения

1. Способ получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающий расплавление зоны исходного стержня в вакуумированной камере и подачу легирующей добавки в зону расплава, отличающийся тем, что после вакуумирования проводят осушку атмосферы и оснастки камеры, а подачу легирующей добавки ведут порциями с заданной частотой в середину зоны расплава из сопла, отстоящего от него на расстоянии 1,1 1,5 R, где R радиус выращиваемого монокристала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что легирующую добавку подают из дозирующей камеры с помощью клапанов, частоту открывания которых определяют из выражения

где f частота открывания клапанов, мин^-1;
N концентрация легирующей добавки, вводимой в кремний, ат/см³;
V скорость выращивания монокристалла, мм/мин;
R радиус выращиваемого монокристалла, мм;
N_исх. концентрация легирующей добавки в дозирующей камере, ат/см³;
V объем дозирующей камеры, см³;
K коэффициент усвоения легирующей добавки расплавленным кремнием, для атмосферы аргона K 0,084 для вакуума K 0,042%
3. Устройство для получения легированных монокристаллов кремния методом индукционной бестигельной зонной плавки, включающее камеру для выращивания монокристаллов, дозирующую камеру с клапанами для регулируемой подачи легирующей добавки и трубопровод, соединяющий обе камеры, имеющий сопло на одном конце, входящем внутрь камеры для выращивания, отличающееся тем, что длина трубопровода не превышает (150 200)d, где d внутренний диаметр трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1