[發明專利]提拉法單晶硅生長流場控制技術

在審

• 申請號: 201510573377.0
• 申請日: 2015-09-10
• 公開（公告）號: CN105239154A
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發明（設計）人: 張俊寶;山田憲治;劉浦鋒;宋洪偉;陳猛
• 申請（專利權）人: 上海超硅半導體有限公司
• 主分類號: C30B15/20
• 分類號: C30B15/20;C30B29/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種提拉法單晶硅生長流場控制技術，特別涉及直拉法單晶硅生長工藝中的熱場控制技術，采用坩堝底部加熱，控制硅熔液的流場，控制單晶體中的雜質及摻雜元素分布，從而獲得高質量單晶硅。

背景技術

在單晶硅的制造工藝中，最常使用的是直拉法（Czochralski，縮寫CZ），在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩堝（也稱石英坩堝）中，然后加熱熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋轉提拉，硅在籽晶與熔溶液的界面處凝固結晶，形成單晶硅錠。

熱場是決定長晶工藝和單晶硅質量的關鍵因素，通常情況下單晶硅生長爐的熱場是由保溫罩、加熱器（筒）、石墨套、熱屏、石英坩堝、旋轉底座等關鍵部件構成。單晶生長時的熱狀態包含外部加熱器熱輸入、結晶放熱以及單晶爐的冷卻帶走熱量，加熱器的熱量通過坩堝、熔體的流動，以輻射、熱傳導等方式轉移到單晶中，并通過冷卻系統和氣體流動等達到熱平衡狀態。熱場的結構模式和拉晶工藝相結合，對熔體的流動產生了重量的影響。石英坩堝四周的環形主加熱器，通常圍繞坩堝呈環狀配置，對熔體加熱，使熔體沿坩堝邊緣向上流動，在坩堝的中部或晶體的下方下降，形成一個循環流動的回流場。熔體的流場還與坩堝和單晶的轉動角度和方向相關，不同轉動模式組合產生不同的效果，影響結晶面處的徑向溫度分布。而晶體生長結晶面處的徑向溫度分布特性是決定晶體中各種雜質或摻雜物濃度的關鍵因素，包括晶體缺陷、固有或自我點缺陷及其聚集體。固有點缺陷包括間隙硅原子和空位。這些空位是在結晶面形成，沿徑向和軸向分布。空位是導致氧沉淀的原因，當這些空位的尺寸超過70納米時，氧沉淀形成氧致堆垛層錯。間隙原子是位錯缺陷的成因，其聚集體形成局部晶體位錯，也可能自身結合成聚集體形成COPs。

當單晶直徑達到或超過200mm后，將晶體的徑向特性控制在盡可能小的的公差范圍內是極其困難的。而決定雜質或摻雜物沿徑向分布的因素是徑向的溫度特性，通常是、晶體邊緣處的溫度下降高于中心處。軸向的溫度下降通常以G（軸向溫度梯度）來表示，其徑向的變化則表示為G(r)。對于單晶體生長控制缺陷而言，V/G(r)非常生要，V是晶體的提拉速率，若V/G大于臨界值k1，則容易發生空位缺陷。由于V/G徑向呈遞減方式分布，最大的COPs通常發生在晶體的中心，直徑約為100nm，影響元器件的制作。COPs的尺寸和數目由空位的初始濃度、冷卻速率以及聚集過程中雜質的出現相關，例如氮會導致尺寸變小，但密度變大。但當V/G低于一臨界值k2時，則產生間隙原子缺陷，晶體出現位錯環，嚴重影響元器件的性能。因此V/G應在k1和k2之間，被稱為中性區域或完美區域。但G(r)是一個沿徑向分布的變量，當晶體尺寸較大時，V/G的控制難度變得更加顯著。大多數專利（例如US6153008）介紹了一種在固化結晶面附近利用熱屏使V/G徑向變化變小。但是，在已知技術中，尤其是在晶體直徑變大的情況下，上述方法無法達到預定的效果。

發明內容

本發明的目的在于提供一種提拉法單晶硅生長流場控制技術，特別涉及直拉法單晶硅生長工藝中的熱場控制技術，采用坩堝底部加熱，控制硅熔液的流場，控制單晶體中的缺陷分布，從而獲得高質量單晶硅。

為了達到以上的目的，本發明工藝技術是通過以下方法實現以上的目的：通過晶體轉速和坩堝轉速的配比，使晶體下方的熔體主要由中心向外流動，坩堝壁附件的熔體向中心流動。晶體旋轉方向和坩堝旋轉方向相反，兩個旋轉對熔體產生的流動在晶體和坩堝之間相遇。

本發明專利技術晶體旋轉速度與坩堝旋轉速度之間關系，其特征在于晶體旋轉的最佳速度為

(1)

式中，為晶體的轉速，為坩堝的轉速，d_si為晶體的直徑，dc為坩堝的直徑。調節范圍為+20%。晶軸旋轉會使緊鄰固液界面下的熔體往上流動，再借由離心力往外側流動，而造成一個強迫對流區。由晶軸旋轉引起的熔體擾動的程度，可由瑞洛爾茲常數Re表示，

(2)

式中，r是晶體的半徑，V_k是熔體的粘度。

坩堝的旋轉將使坩堝外側的熔體往中心流動。坩堝旋轉所引起的擾動程度表示為，

(3)

式中，h是熔體的高度。坩堝的轉動可以改善熔體內的熱對稱性，還可以促使熔體內的自然對流形成螺旋狀的流動路徑。但坩堝的旋轉增加熔體的徑向溫度梯度，不利于晶體內的雜質和摻雜元素的均勻化。