低氧含量单晶硅生长方法技术

本发明专利技术提供一种低氧含量单晶硅的生长方法，在拉晶开始之前，将碳加热器热场中心控制在硅熔体表面以下；随着晶体的生长，碳加热器热场中心相对于硅熔体表面逐渐升高，在此过程中，逐渐降低热屏底部与硅熔体表面的距离，即在硅单晶提拉生长过程中，控制以下两个距离的相对关系：碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离、环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离。采用本发明专利技术技术生长的硅单晶棒头部、中部和尾部的氧含量能处在同一水平范围内，满足大规模集成电路基板的要求。

【技术实现步骤摘要】
低氧含量单晶硅生长方法
本专利技术涉及一种低氧含量单晶硅的生长技术，特别涉及直拉法单晶硅生长工艺中的加热器中心和热屏底部控制技术，制备低氧含量单晶硅。
技术介绍
在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法（Czochralski，缩写CZ），在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。氧在晶体中起到两个方面的作用，一是提高硅晶片的机械强度，是有益的方面；二是做了一种杂质相引起点缺陷和位错缺陷等，是有害的方面。目前，发现可以利用氧进行内吸杂，在晶片的表面制备出一层无缺陷的完整晶体。但是利用氧进行内吸杂，与工艺过程相关性高，要求将氧含量控制在一个很窄的范围之内，因此氧含量控制成为硅单晶生长中重要的控制因素之一。通常情况下，硅单晶头部的氧含量高而尾部氧含量低，这可能的原因是随着晶体的生长，石英坩埚与硅熔体的接触面积逐渐减少，炉体周边热环境发生变化以及硅熔体流动变化，三者引起氧元素进入熔体的量发生变化。为了抑制氧含量的波动，控制氧含量始终在一个平均的水平，专利JPH01160892，JPH0570279和CN1932085建议了多种方法。其中一个最重要的方法是控制硅熔体表面与热屏底部的距离。作为极大规模集成电路的设计原则，由于要降低制备工艺的温度，所以要求晶体中的氧含量较低。一般认为硅熔体与热屏之间的距离越窄越能降低氧含量，因为这样会加速硅熔体表面的氩气流动速度，从而促进SiO气体从熔体中蒸发出来。但是根据专利JPH01160892所示，有时这一距离的降低反而导致氧含量的增加。我们研究了产生这一矛盾的原因，发现这是由于两个距离高度的波动引起的。一是熔体表面与热屏底部的距离，另一个用于加热硅熔体碳加热器的热场中心与熔体表面之间的距离。通常情况，加热器的位置优先设置为硅熔体表面以下，因为较低的加热位置使硅熔体流动稳定性提高，同时对于拉晶操作的技术要求也不高，拉晶工艺较容易操作。如果加热器中心的位置高于熔体表面，虽然通常说可以获得较低的氧含量，但是这样硅熔体流动性可能不稳定，会导致晶体中出现大量位错，从而导致晶体形成多晶。因此绝大多数的生产商相对于考虑出现多晶的问题，会较少考虑晶体中的氧含量，更倾向于采用较低的加热器位置。而本专利技术技术克服了这一缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低氧含量单晶硅的生长方法，使单晶棒的头部到尾部的氧含量处在同一水平范围内。为了达到以上的目的，本专利技术提供一种低氧含量单晶硅的生长方法：具体步骤包括：在拉晶开始之前，将碳加热器热场中心控制在硅熔体表面以下；随着晶体的生长，碳加热器热场中心相对于硅熔体表面逐渐升高，在此过程中，逐渐降低热屏底部与硅熔体表面的距离，即在硅单晶提拉生长过程中，控制以下两个距离的相对关系：碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离、环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离。优选的，当碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离在-10mm至-30mm时，即碳加热器热场中心在硅熔体表面以下10mm-30mm范围以内时，控制环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离在大于40mm，小于60mm范围内。此时碳加热器热场中心低于熔体表面，熔体流动稳定，操作难度小，氧含量与常规方法相当。优选的，当碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离为±10mm时，控制环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离在大于30mm，小于50mm范围内。随着晶体的生长，坩埚内的熔体量降低，当碳加热器热场中心与硅熔体表面接近，因此石英坩埚中的氧进入熔体的量以及高浓度位置也存在变化，本专利技术的研究表明，适当降低热屏底部与熔体表面的距离可以保持硅单晶中的氧处在与单晶棒头部相近的浓度。优选的，当碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离在10mm至50mm时，即碳加热器热场中心在硅熔体表面以上10mm-50mm范围以内时，控制环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离在大于5mm，小于30mm范围内。随着晶体的进一步生长，碳加热器热场中心上升到硅熔体表面之上，此时熔体的流动性不稳定性增加，石英坩埚上部的温度高，而熔体部分的温度偏低。进一步降低热屏底部与熔体表面的距离可以保持硅熔体温度和流动性的稳定，保持硅单晶中的氧处在与单晶棒头部相近的浓度。附图说明图1显示为本专利技术实施例中提供的直拉法单晶硅生长工艺中硅单晶棒、热屏、碳加热器、热屏底部、热场中心与硅熔体表面之间距离结构示意图。元件标号说明；1硅单晶棒，2热屏，3碳加热器，4热屏底部，5硅熔体表面，6热场中心。具体实施方式将多晶硅块体装入石英坩埚中，放入到单晶炉内，抽真空后进行升温熔化。观察是否有挂边现象，当多晶硅全部熔化后，静止3h以上。然后调节石英坩埚的位置，使碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离在-10mm至-30mm，热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离在大于40mm，小于60mm范围内，优选在50-60mm。然后开始进行引晶、放肩、转肩和等径生长过程。同时观察碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离。随着晶体的生长，硅熔体表面5下降，当碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离为±10mm时，控制环绕在晶棒1周围热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离在大于30mm，小于50mm范围内。随着晶体的生长，硅熔体表面5进一步下降，当碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离在10mm至50mm时，即碳加热器热场中心6在硅熔体表面5以上10mm-50mm范围以内时，控制环绕在晶棒1周围热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离在大于5mm，小于30mm范围内。可获得头部和尾部氧浓度分布范围合格的硅单晶棒1。实施例1采用以上的方法，生长8英寸硅单晶。当硅熔体稳定后，引晶开始前将碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离调节到-30mm，热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离调节为50mm。然后开始引晶、放肩、转肩和等径生长过程。同时观察碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离。随着晶体的生长，硅熔体表面5下降，当碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离为0mm时，控制环绕在晶棒1周围热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离为40mm。当碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离为30mm时，控制环绕在晶棒1周围热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离为20mm。检测硅单晶头部、中部和尾部的氧含量分别为7.5ppm、7.2ppm和6.9ppm，氧含量的变化量为：8%。对比例1采用实施例1的方法，固定碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离为-30mm，热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离为20mm。晶体生长后检测硅单晶头部、中部和尾部的氧含量分别为8.9ppm、7.9ppm和6.9ppm，氧含量的变化量为：29%。实施例2采用以上的方法，生长8英寸硅单晶。当硅熔体稳定后，引晶开始前将碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离调节到-10mm，热屏底部4与硅熔体表面5之间的距离调节为40mm。然后开始引晶、放肩、转肩和等径生长过程。同时观察碳加热器热场中心6与硅熔体表面5之间的垂直距离。随着晶体的生长，硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低氧含量单晶硅的生长方法，其特征在于，具体步骤包括：在拉晶开始之前，将碳加热器热场中心控制在硅熔体表面以下；随着晶体的生长，碳加热器热场中心相对于硅熔体表面逐渐升高，在此过程中，逐渐降低热屏底部与硅熔体表面的距离，即在硅单晶提拉生长过程中，控制以下两个距离的相对关系：碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离、环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离。

【技术特征摘要】
1.一种低氧含量单晶硅的生长方法，其特征在于，具体步骤包括：在拉晶开始之前，将碳加热器热场中心控制在硅熔体表面以下；随着晶体的生长，碳加热器热场中心相对于硅熔体表面逐渐升高，在此过程中，逐渐降低热屏底部与硅熔体表面的距离，即在硅单晶提拉生长过程中，控制以下两个距离的相对关系：碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离、环绕在晶棒周围热屏底部与硅熔体表面之间的距离。2.如权利要求1所述的低氧含量单晶硅的生长方法，其特征在于，当碳加热器热场中心与硅熔体表面之间的垂直距离在-10mm至-30mm时，即碳加热器热场中心在硅熔体表面以下10mm-30mm范围以内时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊宝，宋洪伟，陈猛，
申请(专利权)人：上海超硅半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31