镓、铟、或铝掺杂单晶硅制造技术

本发明专利技术揭露一种掺杂单晶硅，具有沿着纵向轴及/或径向轴少于10%的电阻率改变，以及用在制备一个或一系列连续掺杂硅晶体的方法。该方法包含提供一种含有硅的熔化物材料到连续柴克劳司基晶体成长装置、传送掺杂物(如镓、铟、或铝)到该熔化物材料、当该熔化物材料处于熔融态的时候提供种晶到该熔化物材料中、并通过将该种晶从该熔化物材料中抽出成长掺杂单晶硅。在该成长步骤期间提供额外的熔化物材料至该装置。本发明专利技术并揭露一种掺杂模型，用来计算将在一个或多个掺杂事件中被传送到该熔化物材料掺杂物的总量、传送该掺杂物的方法、以及用在传送该掺杂物的导管及容器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般关于使用间歇及连续柴克劳司基(Czochralski)方法的单晶锭(ingot)成长，且更详细地，本专利技术是关于镓、铟及/或铝掺杂晶硅锭的制造及使用方法。
技术介绍
已知有多种程序用在成长半导体材料晶锭的
中，该半导体材料用在制造集成电路以及光电组件像是太阳能电池。间歇及连续柴克劳司基(CZ)程序被广泛地使用在半导体材料掺杂，像是砷化硅、锗、或镓与添加元素的掺杂诸如磷(N型掺杂)或硼(P型掺杂)以控制该晶体(crystal)的电阻率。该程序一般由以下概述。加热坩埚内含有将要用于成长晶体的熔融态电荷材料，将种子放置在缆线或棍体末端，使得该种子能够沉降到该熔化物材料中，并接着从该熔化物材料中上升。当该种子沉降到该熔化物材料中时，将会导致局部熔融温度下降使得该熔化材料的一部分在该种子下方周围结晶。因此，该种子被缓慢地自该熔化物材料中抽出。当该种子从该熔化物材料中抽出或拉出时，残留在该熔化物材料中的新形成晶体部分基本上可作为该种子的延伸物，并能致使熔化物材料在其下方周围结晶。这个程序将持续在该晶体从该熔化物材料中抽出或拉出期间，使得晶锭在种子持续上升时成长。在间歇CZ中，成长单晶锭所需要的电荷材料总体(半导体及掺杂物)在程序起始时熔化。在连续CZ(CCZ)中，该电荷材料在该成长期间被连续或周期性地补满。在CCZ中，该成长程序可在晶体成长直至收成该晶体间的区间内被停止，或者可在晶体成长间持续不停止。该间歇CZ程序一般使用拉出装置达成，该拉出装置包括气体容纳室、位于该容纳室内的石英坩埚、装载入该坩埚的半导体电荷材料及掺杂物、用来熔化该电荷材料的加热器、以及用来拉出或抽出该掺杂半导体材料的单晶硅锭的拉出机制。为了达成该CCZ程序，必须对该传统装置调整使其能够包含使用连续或半连续方式将额外电荷材料填充至该熔化物的手段。为了减少同时进行晶体成长及填充所造成的负面影响，对传统石英坩埚进行调整使其能够提供外部或环形熔化物区域(进入半导体被添加及熔化处)以及内部的成长区域(从晶体被抽出处)。这些区域彼此间可以通过液体流动互通。一般而言，晶锭的掺杂物浓度应在轴向(纵向轴)以及径向方向上均匀分布，然而有一部分由于隔离效应而难以达成。隔离效应代表 杂质或掺杂物倾向于保留在该熔化物材料中而不是被抽出到该晶锭中。各掺杂物都具有和适应力有关的特性隔离系数，其中该适应力代表该掺杂物原子能够容置在该锭晶格中的难易程度。举例而言，因为多数掺杂物原子及硅原子都无法配合硅晶格大小，掺杂物原子通常都通过比在熔化物中要小的比例浓度并入至该晶体中。也就是说，硅熔化物中的掺杂物通常都具有小于I的隔离系数。在掺杂过后的硅被熔化且晶体成长开始后，该熔化物中的掺杂浓度因为该晶体成长接口的掺杂物排斥而增加。—般而言，抽出单晶体的掺杂浓度是由kC所决定，其中，C为熔化多晶硅或原料的掺杂浓度，而k是隔离系数并通常小于I。在掺杂间歇CZ程序期间，坩埚内的熔化物材料总量随着晶锭成长而减少，并因此造成隔离，使得剩余熔化物材料中的掺杂浓度逐渐增加。由于该熔化物材料中的掺杂浓度升高，该晶锭内的掺杂浓度也随而升高，造成该晶体的电阻率随着径向轴以及纵向轴改变。因此，掺杂间歇CZ程序基本上只能在该锭的一小部分上产生期望的电阻率。目前已知使用CCZ程序可得到更加均匀的电阻率，其中该陆续加入环形熔化物区域的原料其掺杂浓度被控制在等同于所拉出单晶体的掺杂浓度，且该单晶体每单位时间被拉出的总量被控制在等同于电荷材料提供的总量。这样的作法意图在于使提供以及拉出的掺杂总量彼此平衡使得在该坩埚内部的掺杂浓度c/k以及坩埚外部浓度C维持在稳定状态。已知有数种不同坩埚的程序及结构维持坩埚内部及外部区域中掺杂物的相对浓度，而因此达到均匀的电阻率。在CCZ执行期间有一个问题持续存在，那就是该掺杂物迁移或扩散到该坩埚外部熔化区域的趋势(因为该浓度梯度所造成)，其造成下一个晶锭的种子端部具有较低的掺杂浓度以及较高的电阻率，直到能够再次达到该稳定状态。在过去，用在光电太阳能电池应用上的单晶硅通常使用硼作为其掺杂物。然而，目前已知硼在光照下会和氧形成复合主动缺陷(recombination active defect),因而降低少数载子的寿命。该效应被称作“光致降解(light induced degradation) ”或“LID”,其造成改太阳能电池在操作时显著的电压与电流骤降。参见J.Schmidt, A.G.Aberle及R.Hezel所着的“锆石生长硅中载子寿命的调查”，IEEE第26届光电专题研讨会，第13页(1997)；S.Glunz, S.Rein, J.Lee及W.Warta, “硼掺杂锆石硅中的少数载子寿命降解”，应用物理期刊，90，第2397页(2001)。若要规避该问题，可通过使用低含氧材料或高电阻率材料将硼的含量最小化；然而，目前也·已知道使用电阻率相对较低(大约1.0欧姆-公分或更低)的材料能够达到较高的效率，不过低电阻率材料需要较高的掺杂浓度。目前已知可使用镓取代硼，镓在硅带结构中具有和硼相似的电性表现，但却不会在光照下形成复合主动缺陷。虽然已知镓掺杂单晶硅可经由间歇CZ程序所制造，但是镓具有远小于硼的隔离系数，其代表着该间歇CZ程序所得到的镓掺杂晶体将呈现大量的轴向电阻率变动。由于各锭中可接受的材料量有限及/或研发能够适应呈现较宽电阻率范围的组件制造程序所需的成本，均匀度的缺乏增加了产品的成本。因此，即便镓掺杂硅晶圆可减少LID的优点已经公开数十年，将镓掺杂晶体用于太阳能电池应用的使用并没有被工业环境广泛地采纳。目前尚未揭露将CCZ用于制造掺杂镓、铝、或铟、所有具有偏低硅隔离系数者的锭。这大概是因为元素镓(该三个掺杂物中最佳者)难以使用连续或半连续填充装置加入足够高的浓度，原因在于元素镓在接近室温时会熔化并可能粘附于该装置。其不仅对该装置造成潜在的伤害，更可能产生诸如难以控制该加入熔化物的镓其确实总量的操作问题。另外，镓可形成高度挥发性的低价氧化物(Ga2O)而造成因为镓从该熔化物中蒸发的显著损失。该蒸发效应可在CCZ系统中加剧，因为随着执行时间越长，CCZ相关的熔化物表面积也就越大。
技术实现思路
本专利技术是关于镓、铟、或铝掺杂的单晶硅锭以及其制备方法。该锭的特征在于具有均匀的径向电阻率以及均匀的成长方向电阻率(轴向或纵向电阻率)。较佳地，该径向及/或轴向电阻率沿着该锭长度的改变可小于10%，更佳地可小于5%，或最佳地可小于2%。在本专利技术的实施例中，具有相对均匀径向或轴向电阻率的单晶硅锭是利用CCZ程序所成长而得，其中，掺杂物的选择是从由镓、铝、及铟或其组合所组成的群组中所挑选而出，且该掺杂物最佳地包括有镓。该掺杂物的选择可包含在硅的初始充电中，并接续着在各晶锭的成长之间被加入至坩埚内成长室中的硅熔化物中。该掺杂物较佳地在通过使用由该熔化物材料所制的“献祭容器(sacrificialvessel) ”的锭成长之间可被加入至坩埚内成长室中。该掺杂物可以固态或液态放置于该容器中，并通过降低种子夹头传送到该内成长室中的熔化物中。添加掺杂物到成长区域使系统更快达到稳定状态，其可减少停机时间并得到在该种子端具有更均匀电阻率的晶体。另外及/或或者，可由连续或半连续方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·P·德卢卡，F·S·德尔克，B·K·约翰逊，W·L·卢特尔，N·D·米登多夫，D·S·威廉姆斯，N·P·奥斯特罗姆，J·N·海菲尔，
申请(专利权)人：GT高级锆石有限责任公司，
类型：
国别省市：