[發明專利]生產單晶硅半導體晶片的方法、生產單晶硅半導體晶片的設備和單晶硅半導體晶片

有效

• 申請號: 201780031978.6
• 申請日: 2017-05-17
• 公開（公告）號: CN109154101B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: W·霍維澤爾;D·克耐爾;W·沙興格;大久保正道
• 申請（專利權）人: 硅電子股份公司
• 主分類號: C30B15/04
• 分類號: C30B15/04;C30B15/14;C30B15/20;C30B15/30;C30B29/06
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

本發明涉及用于生產單晶硅半導體晶片的方法、用于進行該方法的設備以及包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶硅半導體晶片。所述方法包括在石英坩堝中提供包含n型摻雜劑的硅熔體，其中所述熔體具有初始高度hM；通過向具有初始高度hm的所述熔體的上部體積選擇性地供應熱來從側面加熱所述熔體，其中所述高度hm小于所述高度hM；通過CZ法以拉制速度V從所述熔體拉制硅單晶；從所述生長的單晶和所述熔體之間的相界區域的上方加熱所述熔體；從所述熔體的表面區域的上方加熱所述熔體；使所述熔體經受磁場；用p型摻雜劑反摻雜所述熔體；和從所述單晶分離所述單晶硅半導體晶片。

本發明涉及用于生產包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶硅半導體晶片的方法，其中氧濃度和氧濃度的徑向變化相對較低。本發明還涉及適于生產半導體晶片的設備，并且還涉及具有上述性質且具有至少300mm的直徑的半導體晶片。

現有技術/問題

具有上述性質的單晶硅半導體晶片是特別用于生產基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的電子部件的襯底。襯底的氧濃度必須盡可能低，因為在電子部件的生產過程中，氧有助于熱施主(donor)的形成，這可能改變電阻，從而損害部件的操作性能(serviceability)。襯底的氧濃度必須相對較低的要求是一種挑戰，特別是當半導體晶片同時預期具有至少300mm的直徑時。

在此類情況下，必須通過CZ法生長從中分離半導體晶片的單晶。通過CZ法生長硅單晶包括在石英坩堝中熔化多晶硅，將籽晶浸沒在所得熔體中并向上拉制籽晶以起動材料在籽晶下側上結晶，同時旋轉石英坩堝和籽晶。該材料的一部分形成硅單晶，通常從該晶體分離硅單晶半導體晶片。

硅熔體將氧從坩堝材料中溶解出來，并且該氧部分地摻入生長的單晶中，且部分地以氣態SiO形式從熔體中逸出。必須采取特殊措施來確保單晶中的氧濃度保持足夠低，以使單晶材料適于生產IGBT。

另一方面，晶格中氧的存在通過熱或機械引入的應力增強了單晶硅半導體晶片的抗滑移性。當單晶中的氧濃度相對較低時，所面臨的問題是，從此類單晶分離的單晶硅半導體晶片展現出邊緣區域中的氧濃度下降，并且邊緣區域特別易發生滑移。

當用n型摻雜劑(例如用磷光體)摻雜熔體時，摻雜劑隨著單晶結晶的增加而在熔體中累積。由于這種偏析效應，單晶中的比電阻在朝向單晶下端的方向上下降。從單晶分離并且適合作為用于生產IGBT的襯底的半導體晶片可在其電學性質方面僅略有不同。為了抵消單晶長度上比電阻的降低，可向熔體中添加p型摻雜劑，例如硼，以補償電荷載流子的偏析誘導性增加。該措施被稱為反摻雜，并且詳細描述于例如US2015/0 349 066 A1中。

US2007/0 193 501 A1描述了具有不大于4.33×10¹⁷個原子/cm³的氧濃度的單晶硅半導體晶片的生產，報告值根據新的ASTM被轉換。該文獻中包含的實施例顯示確實生產了轉化濃度為2.6×10¹⁷原子/cm³的半導體晶片。該文獻中所述的生產方法包括使用反摻雜的CZ法生長單晶硅以增強產率。

EP 0 926 270 A1公開了一種環形加熱設備，該設備的使用有助于SiO經由熔體表面逸出。

本發明的目的是說明可如何提供具有甚至更低的氧濃度的單晶硅n型摻雜半導體晶片，特別是氧濃度的徑向變化減小的晶片，以及可如何優化此類半導體晶片的產率。

本發明的目的通過用于生產包含氧和至少一種n型摻雜劑的單晶硅半導體晶片的方法來實現，所述方法包括：

在石英坩堝中提供包含n型摻雜劑的硅熔體，其中所述熔體具有初始高度hM；

通過向所述熔體的具有初始高度hm的上部體積選擇性地供應熱來從側面加熱所述熔體，其中所述高度hm小于所述高度hM；

通過CZ法以拉制速度V從所述熔體拉制硅單晶；

從所述生長的單晶和所述熔體之間的相界區域的上方加熱所述熔體；