大直徑重?fù)脚鸸鑶尉L(zhǎng)工藝研究

韓煥鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

大直徑重?fù)脚鸸鑶尉L(zhǎng)工藝研究

韓煥鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

在CG6000型單晶爐上，開(kāi)展了硼摻雜濃度8×1019cm-3以上的150 mm（6英寸）硅單晶生長(zhǎng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)熱場(chǎng)和生長(zhǎng)工藝進(jìn)行優(yōu)化，抑制了重?fù)脚鸸鑶尉Ю七^(guò)程中的嚴(yán)重組分過(guò)冷，成功拉制出了電阻率1.5×10-3Ω·cm以下的無(wú)位錯(cuò)重?fù)脚鸸鑶尉В?duì)單晶拉制過(guò)程中的一些工藝參數(shù)設(shè)定進(jìn)行了分析和探討，提高了該類硅單晶生長(zhǎng)的效率和成品率。

大直徑重?fù)脚鸸鑶尉В粺釄?chǎng)改造；工藝參數(shù)改進(jìn)；組分過(guò)冷

隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，作為外延襯底的重?fù)焦璨牧显絹?lái)越得到廣泛的應(yīng)用。這種N/N+，P/P+外延結(jié)構(gòu)與IC工藝相結(jié)合，能夠大大提高動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器RAM的記憶保持時(shí)間，是解決電路中的鎖存效應(yīng)和α粒子引起軟失效的最佳途徑。重?fù)脚鸸鑶尉ё鳛樽钪饕腜型重?fù)诫s硅單晶，同其它類型重?fù)焦鑶尉啾龋哂性S多優(yōu)良特性。重?fù)脚鸸鑶尉У碾娮杪史植季鶆?；體內(nèi)氧濃度增加，氧沉淀增強(qiáng)，從而可以提高硅片的內(nèi)吸雜能力；同時(shí)重?fù)脚鹂梢杂行岣吖杵臋C(jī)械強(qiáng)度，抑制空位型缺陷的產(chǎn)生，有利于大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。而且近來(lái)隨著電壓抑制型器件（TVS）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)器件性能的要求逐漸提高，國(guó)內(nèi)外器件廠商對(duì)于電阻率小于1.5×10-3Ω·cm以下的重?fù)脚鸸鑶尉У男枨罅吭谥饾u提高，單晶的尺寸要求也越來(lái)越大，以降低器件的制造成本提高成品率。但重?fù)脚鸸鑶尉У闹苽潆y度較常規(guī)單晶大的多，尤其是當(dāng)重?fù)脚鸸鑶尉У碾娮杪蔬_(dá)到1.0×10-3Ω·cm級(jí)別后，大尺寸的無(wú)位錯(cuò)硅單晶的制備更加困難。因此本文著重分析了150 mm(6英寸)重?fù)脚馃o(wú)位錯(cuò)硅單晶制備的技術(shù)和工藝難點(diǎn)，并探討了解決方法，并通過(guò)開(kāi)爐試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝改進(jìn)的有效性，有利于今后該類產(chǎn)品的系列化和產(chǎn)業(yè)化。

1 重?fù)脚鸸鑶尉L(zhǎng)技術(shù)難點(diǎn)

與硼元素同族的其他元素如Al，Ga，In等元素因其分凝系數(shù)太小，在摻雜時(shí)難以控制晶體的電阻率，所以在硅材料的生長(zhǎng)過(guò)程中很少被用作摻雜劑。硼元素的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高于硅，在硅晶體的生長(zhǎng)過(guò)程中不易蒸發(fā)，表1為幾種硅單晶拉制過(guò)程中主要摻雜劑的蒸發(fā)常數(shù)，從表中可以看出，硼元素在硅中的蒸發(fā)是幾種主要摻雜劑中最小的。

表1 雜質(zhì)在熔硅中的蒸發(fā)常數(shù)

一般認(rèn)為在輕摻硼的硅晶體中硼元素的分凝系數(shù)為0.8左右，由于硼的蒸發(fā)常數(shù)很小，輕摻硼硅單晶的橫向、縱向電阻率的均勻性通常優(yōu)越于其他硅單晶。但隨著硅單晶中硼元素?fù)诫s濃度的不斷提高，硅單晶的很多性質(zhì)發(fā)生很大變化。研究表明[1]，重?fù)脚鸸鑶尉е信鹪氐姆帜禂?shù)會(huì)隨著硼元素濃度的增加逐漸減小，最低在0.3左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輕摻硼硅單晶。如圖1所示，當(dāng)熔體中的硼元素濃度達(dá)到1×1020cm-3后，硼元素在熔體中的分凝系數(shù)出現(xiàn)了劇烈變化，這使得重?fù)脚鸸鑶尉У脑S多性質(zhì)較輕摻硼硅單晶有所變化。

圖1 熔體中硼濃度與分凝系數(shù)的關(guān)系

硼元素在硅熔體中的分凝系數(shù)的下降，會(huì)使部分雜質(zhì)被結(jié)晶界面排斥積聚在熔體中形成溶質(zhì)邊界層δ，雜質(zhì)濃度分布如圖2a。受溶質(zhì)的影響，在邊界層中各處的凝固點(diǎn)Tm有所不同。在熔體溫度梯度較小的情況下，將形成圖2b所示陰影區(qū)域的組分過(guò)冷區(qū)。強(qiáng)烈的組分過(guò)冷，將影響單晶的無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)，生成位錯(cuò)甚至導(dǎo)致晶變和多晶生長(zhǎng)，這是重?fù)脚鸸鑶尉в绕涫谴蟪叽缰負(fù)脚鸸鑶尉L(zhǎng)時(shí)的主要技術(shù)難點(diǎn)。

圖2 固液界面處的溶質(zhì)分布及組分過(guò)冷區(qū)的形成

2 拉晶試驗(yàn)及結(jié)果

單晶生長(zhǎng)試驗(yàn)在CG6000單晶爐上進(jìn)行，單晶爐配置350 mm（14英寸）密閉式熱場(chǎng)，通過(guò)熱場(chǎng)改造加強(qiáng)了熱場(chǎng)的底部和側(cè)部保溫，通過(guò)SOP參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)單晶的自動(dòng)生長(zhǎng)控制。單晶拉制的各項(xiàng)參數(shù)為：投料量25 kg，摻雜硼粉22 g，拉制直徑150 mm P型<100>硅單晶,氬氣流量45 L/min，爐內(nèi)壓力2 660 Pa,晶轉(zhuǎn)15 r/min，堝轉(zhuǎn)8 r/min，拉晶速度設(shè)定在60～40 mm/h。單晶的放肩和收尾程序較常規(guī)單晶改變較大。

通過(guò)生長(zhǎng)試驗(yàn)，成功獲得了電阻率在1.5× 10-3Ω·cm以下的重?fù)脚鸸鑶尉?，硅單晶直徑?54～158 mm，單晶尾部因熔體組分過(guò)冷有所變形，但抑制了位錯(cuò)的上返。圖3所示為重?fù)脚鸸鑶尉悠贰?/p>

圖3 150 mm重?fù)脚鸸鑶尉悠?/p>

3 工藝改進(jìn)及分析

3.1 熱場(chǎng)改進(jìn)

大直徑重?fù)脚鸸鑶尉Ю频年P(guān)鍵在于如何克服單晶拉制過(guò)程中出現(xiàn)的組分過(guò)冷。在固、液界面前沿狹窄的區(qū)域內(nèi)，溫度分布可近似地看作是線性的，那么不產(chǎn)生組分過(guò)冷的條件是：

式(1)中，G為熔體中的溫度梯度，V為晶體生長(zhǎng)速度，δc為溶質(zhì)邊界層厚度，這些是可以調(diào)節(jié)的工藝參量；m為液相線斜率，CL0為熔體中雜質(zhì)平均濃度，k0為平衡分凝系數(shù)，D為雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于確定的生長(zhǎng)系統(tǒng)是不能任意調(diào)節(jié)的。

從上式可以得出避免組分過(guò)冷的一些途徑：減小V和δc，增大G。熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響熔體和晶體中的溫度梯度，拉晶過(guò)程中晶體中溫度梯度太大又會(huì)引起位錯(cuò)密度的急劇增大，因此在增加熔體溫度梯度的同時(shí)還要考慮加強(qiáng)晶體部分的保溫，以抑制位錯(cuò)的產(chǎn)生。為此一套設(shè)計(jì)合理的熱場(chǎng)是避免重?fù)焦鑶尉ЫM分過(guò)冷的關(guān)鍵。

影響溫度梯度的熱場(chǎng)因素主要有（1）熱屏形狀及尺寸；（2）側(cè)壁和底部隔熱層的厚度；（3）在熱屏上方有無(wú)導(dǎo)流筒等。以上熱場(chǎng)改進(jìn)的目的是在保證晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定性的前提下，如何最大限度地增加熔體溫度梯度和晶體保溫，抑制組分過(guò)冷的產(chǎn)生，為重?fù)焦鑶尉У睦铺峁┳罴褵釄?chǎng)條件。如圖4所示為熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖，圖5為改進(jìn)前后熱場(chǎng)的熱分布和氬氣流場(chǎng)變化情況。

圖4 熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后示意圖

圖5 熱場(chǎng)改進(jìn)前后的熱分布和氬氣流場(chǎng)變化情況

分析模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流筒、熱屏結(jié)構(gòu)和底部/側(cè)壁炭氈改進(jìn)后，減少了揮發(fā)物在單晶爐上部的沉積概率，可有效防止重?fù)焦鑶尉Ю七^(guò)程中揮發(fā)物的積累和掉落；由于氬氣流動(dòng)加快，帶走了更多結(jié)晶潛熱，晶體內(nèi)溫度梯度得以降低。晶體內(nèi)的等溫線更平坦，表明生長(zhǎng)時(shí)的固/液界面更接近平界面，有利于降低晶體內(nèi)的熱應(yīng)力和獲得均勻的溶質(zhì)分凝。熱屏外表面與側(cè)壁炭氈之間的平均溫度下降，表明爐體上部側(cè)壁炭氈有效阻止了加熱器熱量向上的損失，并將部分熱量反射至熔體，既達(dá)到了降低功率的目的，又增大了熔體的溫度梯度，有利于抑制組分過(guò)冷的產(chǎn)生。

3.2 工藝參數(shù)改進(jìn)

3.2.1 籽晶的選擇和使用

通常認(rèn)為引晶時(shí)熱沖擊產(chǎn)生的位錯(cuò)是原有的引晶縮頸技術(shù)所要排除的主要位錯(cuò)之一，而重?fù)脚鹱丫芤种茻釠_擊產(chǎn)生的位錯(cuò)[2，3]。一般條件下，籽晶抑制熱沖擊產(chǎn)生位錯(cuò)的硼濃度要求大于1×1018cm-3，因此拉制重?fù)脚鸸鑶尉r(shí)必須采用高硼濃度籽晶，這可以從原重?fù)脚饐尉锨腥?。另外晶格失配也是產(chǎn)生位錯(cuò)的主要原因之一。對(duì)于重?fù)脚鸸鑶尉L(zhǎng)，研究[3]表明為抑制單晶生長(zhǎng)時(shí)因晶格失配而產(chǎn)生的位錯(cuò)，允許籽晶與單晶中硼的濃度偏差為7×1018cm-3，即晶格失配為2×10-5nm。這種晶格失配，與摻雜劑的種類無(wú)關(guān)，僅與摻雜劑的原子尺寸有關(guān)。通過(guò)采用摻鍺的重?fù)脚饐尉ё鳛樽丫г矗梢匝a(bǔ)償因硼濃度差帶來(lái)的晶格失配，并順利拉出無(wú)位錯(cuò)的重?fù)焦鑶尉А?/p>

3.2.2 控制放肩角度避免位錯(cuò)產(chǎn)生

對(duì)于重?fù)焦鑶尉?，放肩角度不能太大，?dāng)晶體從熔體中逐漸長(zhǎng)出時(shí)，晶體冷卻速率較高，放肩速度快將導(dǎo)致晶體過(guò)冷，在晶體內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，甚至發(fā)生晶變。為了避免重?fù)絾尉г诜偶珉A段因生長(zhǎng)速度過(guò)快而產(chǎn)生位錯(cuò)，需采用較小的放肩角度，緩慢放肩，如圖6所示為常規(guī)單晶和重?fù)絾尉У姆偶缡疽鈭D。為了達(dá)到緩慢放肩，防止位錯(cuò)產(chǎn)生的目的，放肩拉速需從引晶速度逐漸降低到放肩生長(zhǎng)速度（見(jiàn)圖7），同時(shí)逐漸升高溫度（見(jiàn)圖8），這有別于常規(guī)單晶拉制的放肩工藝。

3.2.3 控制晶體等徑階段的拉速和溫度避免位錯(cuò)產(chǎn)生

圖6 常規(guī)單晶和重?fù)絾尉У姆偶缡疽鈭D

圖7 放肩過(guò)程的拉速示意圖

圖8 放肩過(guò)程的溫度示意圖

要避免單晶在等徑階段產(chǎn)生位錯(cuò)，主要是調(diào)整熱場(chǎng)和生長(zhǎng)參數(shù)，避免組分過(guò)冷，使固-液交界面比較平坦，減少晶體中的各種應(yīng)力。硼在硅中的分凝系數(shù)隨著單晶的生長(zhǎng)，熔料組成發(fā)生變化而產(chǎn)生變化，因此單晶拉速必須逐漸減小，以避免組分過(guò)冷并保持平坦的固-液交界面。生長(zhǎng)參數(shù)中對(duì)固-液交界面影響最大的是晶體生長(zhǎng)速度，生長(zhǎng)速率越快，單位時(shí)間釋放的結(jié)晶潛熱越多，造成生長(zhǎng)界面的曲率增大，熱應(yīng)力也隨之增大，從而產(chǎn)生位錯(cuò)。

拉晶速率與熔料組分及生長(zhǎng)界面處的溫度梯度有關(guān)，通過(guò)Tiller準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算。

式中：Cs為晶體中的磷濃度；Cl為熔體中的磷濃度；

Rc為臨界生長(zhǎng)速率；

G為生長(zhǎng)界面處的溫度梯度；

m為在Cl處液相線的斜率；

D為擴(kuò)散系數(shù)。

通過(guò)拉晶試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，（1）150 mm（6英寸）重?fù)脚鸸鑶尉褂?0 mm/h的初始拉速時(shí)，由于拉速較快，單晶生長(zhǎng)過(guò)程中極易產(chǎn)生過(guò)冷，造成晶變。（2）當(dāng)初始拉速降為66 mm/h，初始單晶拉制較穩(wěn)定但后半段易出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，導(dǎo)致拉晶提前結(jié)束。（3）當(dāng)初始拉速降為60 mm/h，并隨著單晶拉制逐漸降低拉速則能夠較為順利地拉制出整顆單晶。分析認(rèn)為，重?fù)焦鑶尉Ч柚幸驌诫s劑原子的半徑與硅原子的半徑存在差異且摻雜濃度很大而導(dǎo)致晶體的晶格應(yīng)力遠(yuǎn)大于一般規(guī)格硅單晶，這要求使用低的生長(zhǎng)拉速使晶體在生長(zhǎng)界面附近的冷卻速度盡可能低一點(diǎn)，以抑制位錯(cuò)的產(chǎn)生。表2為通過(guò)拉晶試驗(yàn)確定的晶體拉速和溫度曲線。

表2 拉速和溫度曲線

3.2.4 緩慢收尾，增加冷卻時(shí)間

由于分凝效應(yīng)的存在，且重?fù)脚鸸鑶尉У姆帜禂?shù)會(huì)因硼濃度的升高而變小，到晶體收尾階段時(shí)熔體中的雜質(zhì)濃度約為晶體頭部對(duì)應(yīng)雜質(zhì)濃度的2倍以上，為防止單晶產(chǎn)生位錯(cuò)，從等徑生長(zhǎng)過(guò)渡到收尾階段時(shí)拉速要平穩(wěn)，盡量不升高拉速而是通過(guò)逐漸增加加熱功率，使得單晶直徑緩慢減小，溫度的升高也有利于抑制組分過(guò)冷，防止熔體在收尾過(guò)程中突然發(fā)生結(jié)晶。

硼元素對(duì)位錯(cuò)滑移具有抑制作用，這主要由兩方面原因?qū)е?一方面，硼和硅原子半徑存在差異，硼的存在將引起一定范圍內(nèi)的晶格畸變，即在硼原子的周圍存在應(yīng)力場(chǎng)，若位錯(cuò)和硼原子之間的距離小于某一臨界值，位錯(cuò)和硼原子的應(yīng)力場(chǎng)之間將發(fā)生相互作用，從而使位錯(cuò)滑移受阻;另一方面，硼與其周圍的硅基體之間存在非共格界面，則位錯(cuò)在滑移過(guò)程中遇到硼原子時(shí)，需要繞過(guò)硼原子并留下一個(gè)位錯(cuò)環(huán)才能繼續(xù)滑移，在這個(gè)過(guò)程中，位錯(cuò)必須克服由于位錯(cuò)線長(zhǎng)度增加所引起的線張力阻力，因而其滑移運(yùn)動(dòng)受到阻礙。

因此通常重?fù)脚鸸鑶尉撾x熔體時(shí)，由熱沖擊造成的位錯(cuò)上返長(zhǎng)度要小于常規(guī)的輕摻雜單晶，通常只有常規(guī)單晶的60%以下，如圖9所示。因此重?fù)脚鸸鑶尉瘴矔r(shí)不必像常規(guī)單晶一樣收尾長(zhǎng)度大于最終收尾直徑，一般只需將單晶直徑逐漸收細(xì)到等徑直徑的一半時(shí)，即可抑制位錯(cuò)的滑移上返?；诖?，重?fù)脚鸸鑶尉Э梢栽谑Ａ陷^少的狀態(tài)下收尾，以使單晶尾部能夠達(dá)到更低的電阻率，但同時(shí)要注意溫度和拉速的調(diào)整，防止組分

圖9 常規(guī)單晶和重?fù)絾尉У氖瘴彩疽鈭D

過(guò)冷造成熔體結(jié)晶，影響收尾效果。

4 結(jié)論

在CG6000單晶爐上通過(guò)熱場(chǎng)改造并優(yōu)化系統(tǒng)操作參數(shù)（SOP），解決了大直徑重?fù)脚鸸鑶尉У纳L(zhǎng)技術(shù)難題，拉制出了電阻率小于1.5×10-3Ω·cm的150 mm無(wú)位錯(cuò)硅單晶，并實(shí)現(xiàn)了單晶生長(zhǎng)的自動(dòng)化控制。該類單晶的生長(zhǎng)工藝技術(shù)攻關(guān)，將為該類產(chǎn)品的進(jìn)一步規(guī)模化生產(chǎn)提供技術(shù)保障，滿足國(guó)內(nèi)器件廠商的快速發(fā)展需求。

[1] Taishi T，Huang X，Kubota M，et al.Heavily bron-doped silicon single crystal Growth：bron segregation[J].Jpn. Appl.phys，1999(38)：223-225.

[2] Huang X，Taishi T，Yonenaga I，et al.Dislocation-free czochralski silicon crystal growth without dash necking [J].Jpn.J.Appl.Phys.，2001，(40)：12-15.

[3] Huang X，Taishi T，Yonenaga I，et al.Dislocation-free B doped Si crystal growth without Dash necking in Czochralski method：influence of B concentration[J]. J.Cryst.Growth，2000，213：283-287.

Research of the Process for Heavily Boron-doped Single Crystal Growth

HAN Huanpeng

(The 46th Research Instituted of CETC，Tianjin 300220，China)

P type monocrystal with boron concentration above of 8×1019cm-3has been growthed with CG6000 CZ furnace.The heavily component melt cooling has been restrained through the modification of hotzone and the optimizing of growth process.We finally got the dislocation-free heavily doped boron crystal with the resistivity below 1.5×10-3Ω·cm，then reaserch and analyse the procedure of the growth.With all the experiments，we enhance the efficiency and yield of the heavily doped boron crystal.

Big diameter boron doped crystal；Modification of hotzone；Optimizing of growth process；Component melt cooling

TN304.053

：A

：1004-4507(2015)08-0005-06

2015-06-16