有效控制单晶硅中碳含量的方法 【技术领域】
本发明涉及一种生产中对工艺质量进行质量控制的方法，具体地说是一种有效控制用直拉工艺制备单晶硅的工艺中碳含量的控制方法。
背景技术
直拉法生长出的无位错单晶硅是目前国内外大规模集成电路的主要材料。由于直拉法所使用的单晶硅炉是由石英坩埚和石墨热系统组成，因此制备出的单晶硅通常包含有1～50×1016atoms/cm3的杂质碳，通常比人为控制晶体的导电类型和导电能力而掺入的杂质磷或硼的浓度高出约1～2个数量级，其中单晶硅尾部碳浓度最高。众所周知，碳的存在对于单晶硅有害而无益。例如，碳的存在会影响硅单晶中晶格参数的变化，进而影响单晶硅的电阻率；高的碳含量会损害单晶硅的晶格完整性，导致PN结特性变坏。随着碳含量的增加，半导体器件的退化现象加快，击穿电压下降，器件的成品率下降。
关于碳含量的问题一直是半导体单晶硅的一个难题，很早就有人开始对其进行研究。但是随着大规模集成电路的不断发展，对单晶硅的纯度和结晶完整性的要求越来越严格，因此控制单晶硅中碳含量的任务也越来越紧迫。
中国专利公开号为CN 1824848A的专利提供了一种通过调节惰性气体流流量的方法以达到控制硅单晶碳含量的方法，该方法中影响惰性气体流量的参数众多，因此操作流程非常复杂，不易控制。另外，由于所拉制单晶硅产品的尾部碳浓度较大，造成单晶硅参数悬殊较大，无任何规律，需将其切除，因此造成次级料严重浪费的现象。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是通过合理搭配使用不同碳含量的原材料手段，解决目前次级料利用率低、单晶硅碳含量不易控制的问题，达到提高次级料利用率、有效控制单晶硅碳含量达到质量控制标准的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是提供一种有效控制单晶硅原料中碳总含量的方法，包括以下步骤：
1)测量并详细记载清楚所采用每种原材料的碳含量Ci，准确测量每种原材料的重量Mi；
2)按照公式C＝(C1×M1+C2×M2+C3×M3……)×0.07/ρM配制原料，使所配原料碳含量≤10×1016atoms/cm3；
其中：C为所配原料的碳含量，C1、C2、C3……为每种原材料的碳含量，M1、M2、M3……为对应不同碳含量C1、C2、C3……的原材料的质量，0.07为分凝系数，ρ为硅的密度，M为所配原料的总量；
3)将所配原料放入单晶硅炉内，加热熔融提拉单晶硅；
4)测量所拉制的单晶硅的顶端、中部及尾端的碳含量，将单晶硅上碳含量＞10×1016atoms/cm3的部位切除，作为下次拉制单晶硅的原材料使用。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过合理搭配使用不同碳含量的原材料，拉制单晶硅之前就合理计算出每炉原料的平均碳含量，使配制的原料的碳含量控制在允许的范围内，因此有效控制了所拉制的单晶硅的碳含量，并且极大地提高了次级料的利用率。生产中可使拉制的碳含量＜5×1016atoms/cm3的单晶硅由原来总根数的47.40％提高到92.39％，每月平均可使约140Kg的单晶硅由碳含量＞10×1016atoms/cm3降低到碳含量＜10×1016atoms/cm3，提高了拉制单晶硅的质量，节约了生产成本，提高了经济效益。
【附图说明】
图1为使用本发明方法后单晶硅的碳含量分布图；
图2为使用本发明方法前单晶硅地碳含量分布图；
其中，代表根数，——●——代表所占总根数比例。
【具体实施方式】
从图1和图2中可以看出，使用本发明提供的有效控制单晶硅中碳含量的方法后，拉制的单晶硅成品率显著提高，拉制的碳含量＜5×1016atoms/cm3的单晶硅从原来总根数的47.40％提高到92.39％，碳含量＞30×1016atoms/cm3的单晶硅由原来生长总根数的25.00％下降到只占总量的0.31％。拉制的碳含量在5×1016atoms/cm3～10×1016atoms/cm3，10×1016atoms/cm3～20×1016atoms/cm3，20×1016atoms/cm3～30×1016atoms/cm3范围内的单晶硅分别由原来总根数的8.80％、7.30％、11.70下降到4.83％、2.16％、0.31％。因此本发明提供的方法实用性强，且创造了很高的经济效益。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明所述有效控制单晶硅中碳含量的方法，包括以下步骤：
1)测量并详细记载清楚所采用每种原材料的碳含量Ci，准确测量每种原材料的重量Mi；可以根据原材料的碳含量进行分类，优选分为三类：A类原材料的碳含量≤10×1016atoms/cm3，10×1016atoms/cm3＜B类原材料的碳含量≤30×1016atoms/cm3，C类原材料的碳含量＞30×1016atoms/cm3。
2)按照公式C＝(C1×M1+C2×M2+C3×M3……)×0.07/ρM配制原料，使所配原料碳含量≤10×1016atoms/cm3；
其中：C为所配原料的碳含量，C1、C2、C3……为每种原材料的碳含量，M1、M2、M3……为对应不同碳含量C1、C2、C3……的原材料的质量，0.07为分凝系数，ρ为硅的密度，M为所配原料的总量；
3)将所配原料放入单晶硅炉内，加热熔融提拉单晶硅；
4)测量所拉制的单晶硅的顶端、中部及尾端的碳含量，将单晶硅上碳含量＞10×1016atoms/cm3的部位切除，作为下次拉制单晶硅的原材料使用。
可以总结为以下具体生产控制过程：
用尼高丽5700红外光谱仪测试测试原材料的碳含量，对拉制的单晶硅次级料(即单晶硅棒端部椎体、尾部椎体及碳含量＞10×1016atoms/cm3的单晶硅棒)与其他原材料(如多晶硅)建立相应的碳含量数据库，详细记录每一原材料的碳含量并进行分类，优选分类方式分为三类：A类原材料≤10×1016atoms/cm3，10×1016atoms/cm3＜B类原材料≤30×1016atoms/cm3，C类原材料＞30×1016atoms/cm3。在进行测试、腐蚀、复检工序时严格记录好碳含量数据。最后在配料时根据公式C＝(C1×M1+C2×M2+C3×M3……)×0.07/ρM进行配料，使计算出的碳含量C符合拉制单晶硅产品的要求，Ci(i＝1、2、3……)为所采用每种原材料的碳含量，Mi为经准确测量的每种原材料的重量。如不符合要求可更换不同碳含量的原材料或增加其他碳含量的原材料，直至使计算出的碳含量落入拉制单晶硅所要求的范围。计算出的碳含量数值应尽量小于给定的要求值，这是因为在实际拉制过程中由于单晶硅炉内热场元件的氧化还会有部分碳进入单晶硅晶体。
将配好的原料放入坩埚内并置于炉内，高温熔融后放入籽晶开始拉制单晶硅。拉制完毕后用尼高丽5700红外光谱仪测试所拉制单晶硅的顶端、中部及尾端的碳含量，由于碳主要沉积在所拉制的单晶硅的尾部，因此，主要测试单晶硅尾部的碳含量，将碳含量＞10×1016atoms/cm3的部分切除，并记录好碳含量以作为下次拉制单晶硅的原材料使用。拉制的单晶硅棒的顶部和尾部均为锥形体，这一部分无法作为成品加以利用，因此需将其切除，列为单晶硅次级料，并作为下次拉制单晶硅的原材料使用。