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CN118461131A - 用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法 - Google Patents

用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法 Download PDF

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CN118461131A
CN118461131A CN202410498681.2A CN202410498681A CN118461131A CN 118461131 A CN118461131 A CN 118461131A CN 202410498681 A CN202410498681 A CN 202410498681A CN 118461131 A CN118461131 A CN 118461131A
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Abstract

本发明提供用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，涉及单晶硅制备方法的技术领域，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，能够更有效地抑制熔汤的对流，增大边界扩散层厚度，在CUSP磁场的作用下，氧的轴向分布均匀性和径向分匀匀性得到改善，杂质的径向分均匀性也变好，使得拉制的晶棒的氧含量面内分布均匀。

Description

用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法
技术领域
本发明属于单晶硅制备方法的技术领域，具体涉及一种用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法。
背景技术
用于绝缘栅双极晶体管（IGBT）产品的低氧单晶硅衬底是一种重要的半导体材料。低氧单晶硅衬底具有较高的载流子迁移率和较低的缺陷密度，可以提高IGBT产品的性能和可靠性。在制造低氧单晶硅衬底时，需要控制氧的含量和分布，以获得最佳的晶体质量和电学性能。
目前，IGBT的衬底硅片主要来源于区熔法育成的单晶硅切出的200mm以下的硅片。为降低IGBT的制造成本，硅片的大尺寸化是主要发展方向，但是通过区熔法育成直径200mm的硅片是及其困难的，最大困难在于高频加热设备能力和成晶工艺条件，由于技术封锁，研制和生产大直径区熔硅单晶的工艺条件需要摸索，特别是加热线圈结构和拉晶参数，即便能够通过区融法制造出大直径的硅片，也难以较低的价格稳定供给。
虽然通过直拉法能低成本稳定地制造出200mm及以上直径的大硅片，但是直拉法生长的单晶硅氧含量通常达到8~18ppma，即便是生产出来氧含量小于5ppma的衬底，氧含量面内分布也存在极不稳定的状态，面内分布过高的氧含量会在IGBT制作步骤的烧结处理过程中产生氧施主，造成热处理前后硅片电阻率的改变，且硅片在做外延或衬底结果后用在器件端后出现正向压降VF波动大的现象，导致器件失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种氧含量面内分布均匀的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法。
一种用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，以拉制氧含量面内分布均匀的晶棒。
优选地，包括以下步骤，
S1：在石英坩坩埚两侧设置CUSP磁场，然后进行化料；
S2：当化料结束后，在整个拉晶阶段，调节加热器上升第一预定距离，使得加热器的发热区位于所述硅溶液的液面上方，使得拉晶前期氧含量降低；
S3：在加热器上升的过程中，施加CUSP磁场，并调节CUSP磁场下降至第二预定距离，使磁场中心位于液面下方；
S4：在等径步骤中，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，进行拉晶，得到晶棒。
优选地，所述S2步骤中：所述加热器上升的第一预定距离为：NCP+80mm~+130mm。
优选地，所述S3步骤中：所述CUSP磁场下降的第二预定距离为：MCP~260mm~~140mm。
优选地，所述S4步骤中：所述CUSP磁场的强度为4000Gs~4500Gs。
优选地，所述S2步骤中，在整个拉晶阶段，所述石英坩埚的转速为0.1mm/min~1mm/min。
优选地，所述S4步骤中，所述石英坩埚的上升速率为0.12~0.15mm/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，能够更有效地抑制熔汤的对流，增大边界扩散层厚度，在CUSP磁场的作用下，氧的轴向分布均匀性和径向分匀匀性得到改善，杂质的径向分均匀性也变好，使得拉制的晶棒的氧含量面内分布均匀。
附图说明
图1为实施例1第1次制备的产品的氧含量分布情况。
图2为实施例1第2次制备的产品的氧含量分布情况。
图3为实施例1第3次制备的产品的氧含量分布情况。
图4为对比例7制备的产品的氧含量分布情况。
图5为对比例14制备的产品的氧含量分布情况。
图6为对比例25制备的产品的氧含量分布情况。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
一种用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，以拉制氧含量面内分布均匀的晶棒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，能够更有效地抑制熔汤的对流，增大边界扩散层厚度，在CUSP磁场的作用下，氧的轴向分布均匀性和径向分匀匀性得到改善，杂质的径向分均匀性也变好，使得拉制的晶棒的氧含量面内分布均匀。
进一步的，包括以下步骤，
S1：在石英坩坩埚两侧设置CUSP磁场，然后进行化料；
S2：当化料结束后，在整个拉晶阶段，调节加热器上升第一预定距离，使得加热器的发热区位于所述硅溶液的液面上方，使得拉晶前期氧含量降低；
S3：在加热器上升的过程中，施加CUSP磁场，并调节CUSP磁场下降至第二预定距离，使磁场中心位于液面下方；CUSP磁场在晶体到熔体界面和自由表面只有纯粹的水平磁场分量，水平磁场分量自坩埚轴线向外径发散，其值基本上与坩埚半径成正比，在坩埚侧壁和底部则存在着较强的正交磁场分量，CUSP磁场能够更有效地抑制熔汤的对流，增大边界扩散层厚度，使得氧含量面内分布均匀。
具体的，磁场中心：指不受磁力线影响的中心；
S4：在等径步骤中，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，进行拉晶，得到晶棒，维持磁场与硅液的相对位置保持不变，能够更有效地抑制熔汤的对流，增大边界扩散层厚度。
进一步的，所述S2步骤中：所述加热器上升的第一预定距离为：NCP+80mm~+130mm，以将加热器的发热区进行上移，调节石英坩埚的反应温度实现氧含量的降低，且不能直接将加热器上升至第一预定距离，需要保证石英坩埚内的硅料熔化完全。
具体的，加热器依靠传动电机实现上升。
进一步的，加热器上升的速度与石英坩埚上升的速度保持一致。
进一步的，所述S3步骤中：所述CUSP磁场下降的第二预定距离为：MCP~260mm~~140mm，磁场依靠马达进行升降调节，。
进一步的，所述S4步骤中：所述CUSP磁场的强度为4000Gs~4500Gs，CUSP磁场线圈分布是以线圈中心轴线及中心面上下位对称，兼有径向和纵向分量的发散型磁场，可从三维方向上有效地抑制热对流、单晶晶棒和坩埚相对旋转产生强迫对流。
进一步的，所述S2步骤中，在整个拉晶阶段，所述石英坩埚的转速为0.1mm/min~1mm/min，减缓硅液与石英坩埚反应溶解的速率，降低氧含量的产生。
进一步的，所述S4步骤中，所述石英坩埚的上升速率为0.12~0.15mm/min。
为了便于理解，本发明通过以下实施例、对比例进一步说明：
实施例1~2：
在拉制200mm直径的晶棒时，氩气流量50~150slm、拉速0.4~1.1mm/min、晶转2~8mm/min，在石英坩坩埚两侧设置CUSP磁场，然后进行化料，当化料结束后，石英坩埚转速为0.1~1mm/min，在整个拉晶阶段，调节加热器上升NCP+130mm，加热器上升的速度与石英坩埚上升的速度保持一致，在加热器上升的过程中，施加4000GsCUSP磁场，并调节CUSP磁场下降MCP~200mm，在等径步骤中，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，石英坩埚的上升速率为0.12~0.15mm/min，进行拉晶，得到直径为200mm的晶棒。
通过上述的方法，实施3次，得到如表1所示中心点氧含量的结果，未提及的条件均相同；
表1
且实施例一拉制的晶棒通过截断机截取样片，通过FTIR机器对样片的氧均匀性进行检测，通过对面内81点检测，依据81点的检测结果得到氧的均匀性图片，氧的均匀性图片如图1~3所示。
由上述图1至图3可知，通过施加CUSP磁场，调整磁场的位置及强度，使得氧的轴向分布均匀性、氧的径向分匀匀性、杂质的径向分均匀性均良好，并且由表1得知，氧含量＜3ppma，能够适用氧含量＜3ppma低氧单晶硅衬底，具有较高的载流子迁移率和较低的缺陷密度，可以提高IGBT产品的性能和可靠性。
对比例1-6，MCP为0mm，不同埚转下氧含量分布；
对比例7-12，MCP为100mm，不同埚转下氧含量分布；
对比例13-18，MCP为-100mm，不同埚转下氧含量分布；
对比例19-24，MCP为200mm，不同埚转下氧含量分布；
对比例25-29，MCP为-200mm，不同埚转下氧含量分布；
上述对比例中，除上述标量外，未提及的条件与实施例一均相同，变量及结果如表2所示。
表2
将对比例7在埚转为0.1~1mm/min，MCP：100mm时，对比例14在埚转为1~2mm/min，MCP：-100mm时，对比例25在埚转为1~2mm/min，MCP：-200mm时，各自拉制的晶棒分别通过截断机截取样片，通过FTIR机器对样片的氧均匀性进行检测，通过对面内81点检测，依据81点的检测结果得到氧的均匀性图片，氧的均匀性图片如图4~6所示。
故综上可得并不是设置CUSP磁场，氧含量面内分布就会均匀，氧含量就能降低，通过氧含量面内分布检测，虽然有的中心点氧含量降低至3ppma以下（对比例25），但是氧含量面内分布检测中氧含量还是超过3ppma，因此，只有当石英坩埚转速与CUSP磁场的位置相适配时，氧的轴向、径向才能分布均匀，同时氧含量能够低于氧含量＜3ppma。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，在直拉单晶的过程中，在石英坩埚两侧施加CUSP磁场，在预定磁场强度下，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，以拉制氧含量面内分布均匀的晶棒。
2.如权利要求1所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：在石英坩坩埚两侧设置CUSP磁场，然后进行化料；
S2：当化料结束后，在整个拉晶阶段，调节加热器上升第一预定距离，使得加热器的发热区位于所述硅溶液的液面上方，使得拉晶前期氧含量降低；
S3：在加热器上升的过程中，施加CUSP磁场，并调节CUSP磁场下降至第二预定距离，使磁场中心位于液面下方；
S4：在等径步骤中，CUSP磁场与石英坩埚同步上升，进行拉晶，得到晶棒。
3.如权利要求2所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，所述S2步骤中：所述加热器上升的第一预定距离为：NCP+80mm~+130mm。
4.如权利要求2所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，所述S3步骤中：所述CUSP磁场下降的第二预定距离为：MCP-260mm~-140mm。
5.如权利要求2所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，所述S4步骤中：所述CUSP磁场的强度为4000Gs~4500Gs。
6.如权利要求2所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，所述S2步骤中，在整个拉晶阶段，所述石英坩埚的转速为0.1~1mm/min。
7.如权利要求2所述的用于拉制氧含量面内分布均匀的单晶衬底硅片的方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述石英坩埚的上升速率为0.12-0.15mm/min。
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