12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法与流程

本发明涉及大尺寸掺杂制备，尤其涉及一种12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法。

背景技术：

1、在功率半导体领域，低阻掺砷单晶硅因其电阻率可控性强、不易引发自掺杂效应，被广泛用作高端功率mosfet、igbt器件的外延衬底材料。工业界对其电阻率的目标值偏差控制在±5%以内，且要求整根晶棒的电阻率轴向波动率低于10%。

2、直拉法（cz法）是制备该类单晶硅的主流技术，但对于掺砷单晶，砷的高挥发性是电阻率精准调控的根本难点，砷的升华温度（615℃）远低于硅熔体温度（1414℃），导致其在高温熔体中极易蒸发，实际有效分凝系数显著偏离理论平衡值，使得预设的目标电阻率在实际生长中极易出现大幅偏差，轴向电阻率随晶体生长进程出现非预期的波动。现有技术多研究单一因素（炉压或氩气流量）对电阻率的影响，但是在12英寸大直径晶体生长中，熔体热场复杂、体积庞大，电阻率失控的问题更为突出，常出现整根晶棒电阻率偏离目标区间的情况，直接导致产品报废，成为制约大尺寸低阻掺砷单晶良率提升的核心瓶颈。因此，仅通过单因素调节，控制电阻率，对于12英寸低阻掺砷晶棒并不适用，无法达到电阻率位于0.003ω·cm以下的要求。

技术实现思路

1、为解决上述技术中存在的技术问题，鉴于此，有必要提供一种12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，以通过多掺杂协同控制电阻率达到目标电阻率。

2、一种12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，基于炉压与掺杂量协同调控，调控熔体中掺杂量以及砷从熔体表面的蒸发速率，控制12寸低阻掺砷晶棒的电阻率，达到0.003ω·cm以下目标电阻率,同时增加晶棒中0.0025ω·cm以下的长度。

3、优选地，包括以下步骤：

4、步骤s1：在掺杂过程中，控制掺杂比例为1:6，所述掺杂比例为掺杂量与硅料投料量的比例；

5、步骤s2：在等径过程中，控制炉压为16-24kpa进行拉晶。

6、优选地，所述步骤s2中，在等径阶段，随着等径长度的增加，炉压逐渐增大。

7、优选地，所述s2步骤中，在等径第一阶段，所述炉压随着等径长度增加从16kpa逐渐增大至22kpa；

8、在等径第二阶段，所述炉压随着等径长度增加从22kpa逐渐增大至24kpa；

9、在等径第三阶段，所述炉压为24kpa；

10、所述等径第一阶段、等径第二阶段、等径第三阶段构成连续的等径阶段。

11、优选地，所述等径第一阶段为：从等径开始拉制等径400mm。

12、优选地，所述等径第二阶段为：从等径400mm之后拉制等径1200mm。

13、优选地，所述等径第三阶段为：从等径1200mm之后拉制等径结束。

14、优选地，所述等径过程中，拉速为1.4-0.8mm/min、晶转为18-12rpm、埚转为1-3rpm、氩气流量为100-120slm，所述拉速随着等径长度增加逐渐降低，所述晶转随着等径长度增加逐渐降低，所述埚转随着等径长度增加逐渐降低，所述氩气流量随着等径长度增加逐渐升高。

15、优选地，在等径第一阶段，所述拉速随着等径长度的增加从1.4mm/min逐渐降低至1.2mm/min，所述晶转为18rpm，所述埚转为3rpm，所述氩气流量为100slm。

16、优选地，在等径第二阶段，所述拉速随着等径长度的增加从1.2mm/min逐渐降低至0.8mm/min，所述晶转随着等径长度的增加从18rpm逐渐降低至12rpm，所述埚转随着等径长度的增加从3rpm逐渐降低至1rpm，所述氩气流量随着等径长度的增加从100slm逐渐增加至120slm。

17、优选地，在等径第三阶段，所述拉速维0.8mm/min，所述晶转为12rpm，所述埚转为1rpm，所述氩气流量为120slm。

18、与现有技术相比，本发明提供的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，基于炉压与掺杂量协同调控，建立“炉压-掺杂量”双参数协同调控模型，在拉晶初始阶段即对熔体中砷的初始总浓度进行定量化设定，为后续晶体生长提供了精确的电阻率“浓度基准”。在此基准上，进一步利用炉压调节氩气气氛的等效分压，从源头上抑制砷元素在高温熔体表面的挥发动力学过程。二者叠加，使得熔体中的有效掺杂浓度在长晶全程中始终维持在目标设计值附近，以使12寸低阻掺砷晶棒的电阻率，达到0.003ω·cm以下目标电阻率,同时增加晶棒中0.0025ω·cm以下的长度。

19、砷作为高蒸气压元素，在常规拉晶条件下挥发损失率可达30%~50%，不仅造成掺杂剂浪费，更会引入不可控的浓度漂移。本发明利用炉压的主动调节，增大了熔体表面气相边界层的传质阻力，有效降低了砷的逸出速率。该措施与初始掺杂量的前馈控制形成“前补后堵”的协同效应，使砷的有效利用率大幅提升，同时减少了炉体及管道中砷残留物的沉积，延长设备维护周期。

20、由于挥发导致的熔体砷浓度持续衰减是造成晶棒头部与尾部电阻率差异悬殊的主因。本发明通过动态维持熔体浓度稳定，从根本上削弱了沿晶体生长方向的分凝效应被挥发扰动放大的副作用，使得从晶棒头部至尾部的电阻率波动范围明显收窄。同时，稳定的气氛压力场有助于固液界面附近熔体对流的均一化，改善径向掺杂分布，从而为12英寸大尺寸晶圆提供片内与片间电阻率一致性更优的衬底材料，满足先进功率器件对材料均匀性的严苛要求。

21、因此，本发明摒弃了传统“过量补偿”或“单一动态补掺”的控制思想，以炉压与掺杂量协同，同时解决了砷挥发损失、电阻率偏差、均匀性劣化的技术问题。

1.一种12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：基于炉压与掺杂量协同调控，调控熔体中掺杂量以及砷从熔体表面的蒸发速率，控制12寸低阻掺砷晶棒的电阻率，达到0.003ω.cm以下目标电阻率,同时增加晶棒中0.0025ω.cm以下的长度。

2.根据权利要求1所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：所述s2步骤中，在等径第一阶段，所述炉压随着等径长度增加从16kpa逐渐增大至22kpa；

4.根据权利要求3所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：所述等径第一阶段为：从等径开始拉制等径400mm。

5.根据权利要求1所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：所述等径第二阶段为：从等径400mm之后拉制等径1200mm。

6.根据权利要求5所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：所述等径第三阶段为：从等径1200mm之后拉制等径结束。

7.根据权利要求6所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：所述等径过程中，拉速为1.4-0.8mm/min、晶转为18-12rpm、埚转为1-3rpm、氩气流量为100-120slm，所述拉速随着等径长度增加逐渐降低，所述晶转随着等径长度增加逐渐降低，所述埚转随着等径长度增加逐渐降低，所述氩气流量随着等径长度增加逐渐升高。

8.根据权利要求7所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：在等径第一阶段，所述拉速随着等径长度的增加从1.4mm/min逐渐降低至1.2mm/min，所述晶转为18rpm，所述埚转为3rpm，所述氩气流量为100slm。

9.根据权利要求7所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：在等径第二阶段，所述拉速随着等径长度的增加从1.2mm/min逐渐降低至0.8mm/min，所述晶转随着等径长度的增加从18rpm逐渐降低至12rpm，所述埚转随着等径长度的增加从3rpm逐渐降低至1rpm，所述氩气流量随着等径长度的增加从100slm逐渐增加至120slm。

10.根据权利要求7所述的12寸低阻掺砷单晶硅拉晶方法，其特征在于：在等径第三阶段，所述拉速维0.8mm/min，所述晶转为12rpm，所述埚转为1rpm，所述氩气流量为120slm。