本發(fā)明屬于半導體材料制備，更具體地說，是涉及一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法。

背景技術：

1、直拉法作為硅單晶的主流生產(chǎn)技術，其核心是通過熔融多晶硅原料，利用籽晶提拉形成單晶。在直拉法硅單晶生長過程中，雜質元素的軸向分布由有效分凝系數(shù)keff決定（有效分凝系數(shù)keff不等于材料的物理分凝系數(shù)k0，其會受到單晶生長條件的影響）。然而，在輕摻磷硅單晶的制備中，磷元素的低物理分凝系數(shù)（k0=0.35）導致軸向電阻率分布難以控制，具體問題包括：1、磷在低濃度摻雜時（1013-1014atoms/cm3）揮發(fā)系數(shù)僅為0.1-0.3，不足以形成自限制氣相補償；2、傳統(tǒng)工藝中熔體的自然對流加劇了磷的軸向分凝不均，有效分凝系數(shù)（keff）進一步降低至0.25-0.32，電阻率變異系數(shù)超過25%；3、僅固液界面波動引發(fā)的微觀分凝效應造成局部電阻率偏差高達40%-50。最終導致輕摻磷硅單晶軸向電阻率變化達70%-80%，成品率不足30%。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法及硅單晶，旨在解決輕摻磷硅單晶成品率低的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：提供一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，包括以下步驟：

3、s1、在氬氣保護氣氛下，通過上下雙區(qū)獨立控溫加熱器將坩堝內(nèi)的多晶硅料加熱至完全熔化得到硅熔體；

4、s2、通過調節(jié)所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器，使所述硅熔體的下部呈凝固狀態(tài)形成凝固層，使所述硅熔體的上部呈熔融狀態(tài)形成熔化層；

5、s3、對所述熔化層進行磷摻雜，得到磷元素濃度為c0的摻雜層；

6、s4、采用直拉法以預定拉晶速率在所述摻雜層上拉晶，同時調節(jié)所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器，使所述凝固層以預定熔化速率回熔至所述摻雜層，以維持所述摻雜層中磷元素濃度恒定；

7、s5、所述凝固層完全熔化后繼續(xù)拉晶至硅單晶完成。

8、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s1中，所述氬氣保護氣氛的壓力為5-10kpa，流量為80-120l/min。

9、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s1中，所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器中，上部加熱器的加熱功率為50-70kw，下部加熱器的加熱功率為30-40kw。

10、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s2中，所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器的調節(jié)包括：

11、以-0.2--0.3kw/min的速率降低下部加熱器的功率，使坩堝底部的溫度低于硅熔點，以得到所述凝固層；

12、以0.5-0.8kw/min的速率提高上部加熱器的功率，使坩堝中上部的溫度高于硅熔點，以得到所述熔化層。

13、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s2中，所述凝固層的高度占所述硅熔體總高度的40%-50%。

14、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s3中，所述磷元素濃度c0為1013-1014atoms/cm3。

15、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s4中，所述預定拉晶速率為0.5-1mm/min。

16、在一種可能的實現(xiàn)方式中，在步驟s4中，所述預定熔化速率為v，

17、

18、其中，k0為磷元素物理分凝系數(shù)，k0=0.35，ringot為單晶直徑，s/l為拉晶速率。

19、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述凝固層完全不含磷元素。

20、本發(fā)明提供的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法的有益效果在于：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，通過動態(tài)補償機制，相當于使磷元素的有效分凝系數(shù)從0.35提升至0.7-0.8，使硅單晶的軸向電阻率梯度由70%-80%降至30%以內(nèi)，局部偏差≤10%，使的硅單晶的成品率顯著提高，傳統(tǒng)工藝成品率為26.4%，而本發(fā)明方法提升至46.3%，接近理論最大值46.5%。

21、本發(fā)明還提供了一種單晶，使用上述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法制得。

22、本發(fā)明提供的硅單晶，與現(xiàn)有技術相比，使用上述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法制得，硅單晶的成品率高達46.3%，相比于傳統(tǒng)工藝成品率26.4%得到了較大提升。

技術特征：

1.一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s1中，所述氬氣保護氣氛的壓力為5-10kpa，流量為80-120l/min。

3.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s1中，所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器中，上部加熱器的加熱功率為50-70kw，下部加熱器的加熱功率為30-40kw。

4.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s2中，所述上下雙區(qū)獨立控溫加熱器的調節(jié)包括：

5.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s2中，所述凝固層的高度占所述硅熔體總高度的40%-50%。

6.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s3中，所述磷元素濃度c0為1013-1014atoms/cm3。

7.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s4中，所述預定拉晶速率為0.5-1mm/min。

8.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，在步驟s4中，所述預定熔化速率為v，

9.如權利要求1所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法，其特征在于，所述凝固層完全不含磷元素。

10.一種硅單晶，其特征在于，使用如權利要求1-9中任意一項所述的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法制得。

技術總結
本發(fā)明提供了一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法及硅單晶，屬于半導體材料制備技術領域，包括在氬氣保護氣氛下用上下雙區(qū)獨立控溫加熱器熔化多晶硅料，形成上下不同狀態(tài)層，對熔化層磷摻雜得特定濃度摻雜層，以預定拉晶速率拉晶并調節(jié)控溫加熱器使凝固層回熔以維持磷元素濃度恒定，凝固層完全熔化后繼續(xù)拉晶至硅單晶完成。本發(fā)明提供的一種有效分凝系數(shù)較高的摻磷直拉硅單晶制備方法及硅單晶，可顯著提升硅單晶的成品率。

技術研發(fā)人員：趙堃,王海龍,張博楠,陶策,劉曉東,張偉才,王云彪
受保護的技術使用者：中國電子科技集團公司第四十六研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15