[發明專利]一種直拉硅單晶棒內缺陷的調節方法

無效

• 申請號: 201010278052.7
• 申請日: 2010-09-08
• 公開（公告）號: CN102400210A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 戴小林;吳志強;鄧樹軍;崔彬;姜艦;王雅楠;肖清華;張果虎;周旗鋼;屠海令
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院;有研半導體材料股份有限公司
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20;C30B29/06
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 郭佩蘭

技術領域

本發明涉及一種直拉硅單晶棒內缺陷的調節方法。特別是一種通過調節位于直拉單晶爐爐室內熱場上保溫筒座上設置的保溫圓桶的數量、圓桶的壁厚，來調整晶體生長界面的形狀、界面的溫度梯度以及晶體生長速度的方法，達到調節直拉硅單晶棒內缺陷。

背景技術

集成電路用半導體硅單晶體的約85％均用切克勞斯基(Czochralski)法制造。在這種方法中，多晶硅被裝進石英堝內，加熱熔化后，將熔硅略做降溫，給予一定的過冷度，把一支特定晶向的硅單晶體(稱做籽晶)與熔體硅接觸，通過調整熔體的溫度和籽晶向上提升速度，使籽晶體長大至近目標直徑時，提高提升速度，使單晶體近恒直徑生長。在生長過程的最后階段，此時堝內的硅熔體尚未完全提出，通過增加晶體的提升速度和調整向堝的供熱量將晶體直徑漸漸減小而形成一個尾形錐體，當錐體的尖足夠小時，晶體就會與熔體脫離，從而完成晶體的生長過程。

硅單晶體中廣泛地存在兩種點缺陷：硅間隙原子和空位。通俗地講，如果在某硅正常的晶格區域中，夾進去一個硅原子，這個硅原子就稱為硅間隙原子，見圖4b。硅間隙原子的存在會造成局部硅晶格受漲應力(向外壓)；如果在正常的硅晶格區域中，抽掉一個硅原子，所留下的空隙就叫做“空位”，見圖4c，空位會使它周圍的晶格受到向內的壓力。如果在一塊硅晶體中，空位缺陷比較多，或稱“占主導”，這種晶體叫富空位晶體(V-rich)；反之，硅間隙原子占主導的晶體叫富硅間隙原子晶體(I-rich)。隨著晶體生長的進行，晶體的溫度從硅熔點變為室溫，這兩種點缺陷將與其它周圍的原子(包括氧、碳、氮、硅等)通過復合、擴散、聚集等復雜的過程，可以形成更復雜的缺陷。

經過理論計算和實際驗證，硅單晶體中，存在一個稱叫臨界糸數ξ0＝V/G＝0.0013cm².min^-1.K^-1，這里的V是指晶體生長界面處的晶體生長速度，G是指晶體生長界面處的縱向溫度梯度。當實際的ξ_real大于ξ₀時，瞬間長成的是富空位型(V-rich)晶體；當實際的ξ_real小于ξ₀時，瞬間長成的是富硅間隙原子型(I-rich)晶體。可以部分地理解為生長界面晶體的生長速度和縱向溫度梯度共同決定晶體生長初期的缺陷類型及分布。該理論是由V.V?Voronkov首先提出的，并為業內人士所共識。

現代集成電路(IC制程)大多是以硅單晶棒經過切、磨、拋光、清洗所加工成的拋光片或外延片為基質材料制造的。根據用途不同，又需要數量不等“測試片”(稱為：“Test?and?Monitor?Wafer”，用來監測IC制程參數的，比如顆粒，對焦、氧化層或擴散層的質量等等)、“正片”(稱做“PrimeWafer”，用來制造電路芯片)等等，它們對硅單晶片中的缺陷要求是不同的。例如：監測小環境顆粒水平的“測試片”以富間隙硅原子型的(I-rich)硅片為最佳，而快拉加外延的富空位片(V-rich)則是常用的一種正片(PrimeWafer)。

現在回到問題的要點：在晶體等徑生長過程中，如何控制使得縱向的ξ_real在ξ₀＝0.0013cm².min^-1.K^-1附近。在工程上，有許多手段可以使用，許多手段是制造商的絕竅，一般是不公開的。比如：單晶爐室內由石墨部件以及保溫材料所構成的熱場是很重要的；另外通過調整堝位、堝轉、晶轉、晶體生長速度等等也可以調節G(固液界面處的溫度梯度)或V(晶體縱向生長速度)。

大家知道，單晶爐熱場的上部分(在圖2中稱為“上保溫區”)對單晶爐溫場分布(主要指生長界面附近的軸向溫度梯度和徑向溫度梯度)的影響最大，有下列理論公式為證：

晶體最大理論生長速度：或式中K_c是硅晶體的熱導率；ΔH是結晶時的熵變化；ρ_c是硅晶體的密度；或G是固液界面處的軸向溫度梯度。