具有均匀空位缺陷的单晶硅锭和晶片及其制备方法和设备技术

本发明专利技术改进了用于生长单晶硅锭的切克劳斯基（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）方法并提供了具有极佳耐电压特性的氧化层的高质量硅晶片。本发明专利技术还提供了可以均匀控制空位缺陷的密度和分布的设备及方法。在１０００～１１００℃的温度范围内，单晶硅锭在锭的温度差异小于或等于２０℃／ｃｍ的条件下生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于切克劳斯基(Czochralski)法生长单晶硅锭的方法，并且尤其涉及在锭的径向上保持均一的生长条件和冷却条件的同时生长单晶硅锭的设备和方法；以及由此制备的在径向上具有均一空位缺陷的单晶硅锭和晶片。
技术介绍
由单晶硅基质制备的半导体装置的氧化层的耐电压性能可以由耐受电压和在硅晶片上形成的硅氧化层被破坏和硅氧化层的绝缘性能消失之前的时间来表示。众所周知包括氧化层的耐电压性能的半导体装置的特性会根据制备单晶硅基质的方法而改变。例如，在氧化层的耐电压性能方面，由切克劳斯基(CZ)法生长的单晶硅制造的硅基质比由浮融方法制备的单晶硅的硅基质或者由通过在切克劳斯基(CZ)法生长的单晶硅制备的晶片上硅外延生长制备的基质品质差。然而，尽管有其缺点，CZ法仍然是被用于制备例如半导体的电子装置所用的硅晶片的单晶硅锭的最常用的技术。CZ法成本较低并且被广泛用于制备用于大规模集成电路(LSI)的半导体材料，而且确实生产出具有良好机械和电子性能的材料。随着电子装置变得更加高度集成和小型化，栅氧化层(gate oxidelayer)就需要提高可靠性。因为氧化层的耐电压性能是决定装置可靠性的主要材料特性，因而极需要在应用切克劳斯基法时，能够保证氧化层优良的耐电压性能的单晶硅生产技术。在CZ方法中，晶种被浸入硅熔体中，然后被缓慢地从熔体中提拉出来，锭进行生长。锭的生长是通过几个过程进行的。首先，进行缩颈(necking)过程以从晶种形成细而长的颈部。其次，进行放肩(shouldering)过程以径向生长晶体从而获得预定的直径。再次，进行体生长(body-growing)过程以获得具有均一直径的晶体。这里，锭体的一部分被用来制成晶片。在体生长过程之后，进行拖尾(tailing)处理以缓慢地减小锭的直径并从硅熔体中分离锭。这些用于生长晶锭的过程在一个包含生长器内部的加热器和其它绝热部件的被称为“热区”的空间中被实施。单晶的缺陷性质敏感地依赖于晶体的生长和冷却条件，因此很多人试图通过调节生长界面附近的热环境控制在生长过程中形成的缺陷(所说的“生长缺陷”)的种类和分布。生长缺陷被分为几类空位型(vacancy-type)缺陷和间隙型(interstitial-type)缺陷。它们是由开始于超过平衡浓度的空位点缺陷或间隙点缺陷的聚积造成的。在“在硅中漩涡缺陷形成的机理(The Mechanism of Swirl DefectsFormation in Silicon)”，晶体生长杂志(Journal of Crystal Growth)59(1982)625介绍的Voronkov原理说明了生长缺陷的形成与V/G值密切相关，其中V是生长速度而G是在晶体生长界面附近晶体的温度梯度。当V/G的值超过临界值时形成空位型缺陷，而当V/G的值低于临界值时形成间隙型缺陷。因而，当晶体在特定的热区中生长时存在于晶体中的缺陷的种类、大小和密度受提拉速度的影响。图1为由CZ法生长的晶体锭的横截面图，表明当控制生长速度时所产生的典型的缺陷分布，这使得在典型的生长环境中氧化诱生堆垛层错(OISF)环200位于锭的周缘附近。图2为在典型生长环境中由切克劳斯基CZ法生长的单晶硅锭的横截面进行少数载流子寿命(MCLT)扫描而获得的图像。如图2所示，由于锭外部的冷却速度快于锭内部的冷却速度，所以微空位缺陷，如直接表面氧化物缺陷(direct surface oxidedefect)(DSOD)出现于锭的外周部分附近。更进一步，由于G值从锭中心到锭的周缘逐渐增加，所以如晶体原生颗粒(COP)或流型缺陷(FPD)的粗糙空位(coarse-vacancy)缺陷出现于锭内部。在通过切克劳斯基(CZ)方法生长的单晶硅中，降低氧化层的耐电压性能的主要因素是在提拉单晶硅锭时通过引入晶体中的空位缺陷而形成的具有小于临界值尺寸的微缺陷。为了改善氧化层的耐电压性能，在硅熔体固化为单晶硅时，本专利技术控制在晶体的固体-液体界面的轴向(垂直)方向上的温度梯度(G)和/或点缺陷的起始浓度。另一方面，晶体的冷却速度被控制在固化温度和大约1000℃的温度之间，在此范围内当熔融的硅被固化成单晶硅时，缺陷的核就在受热处理过程中形成并生长。硅间隙或空位以此方式向锭的侧面扩散或者被加速以相互联合，这就能够抑制间隙或空位的过饱和低于发生聚积的临界值。根据热区的热过程分布，诱生的空位缺陷通过扩散、核生成和固化而生长。有人试图除去或减少对单晶硅的耐电压性能有不利影响的晶体原生颗粒(COP)。如图1所示，如果锭在提拉方向上生长，从而氧化诱生堆垛层错缺陷环存在于典型的热区，而由于热积累和慢的冷却效果，粗糙空位缺陷在锭的中心部位形成。由于在中心部分的外部和氧化诱生堆垛层错缺陷环的内部之间的区域的冷却速度比在锭的中心部分的冷却速度更快，因而形成了微空位缺陷，并且空位缺陷在径向上不是均一分布的。同时，由于快速冷却形成的微空位缺陷降低了氧化层的耐电压性能，并且发生在冷却速度相对高的晶片的外部圆周部分。因此，为了减少这些会引起由单晶硅晶片制造的半导体装置的问题的空位缺陷，就需要降低生长锭的提拉速度。然而，降低提拉速度会引起生产效率的损失，而且提拉速度的过度降低可能会增加间隙缺陷形成的增加。就需要不同的方法。
技术实现思路
本专利技术改善了制备单晶硅锭的切克劳斯基法，并提供了制备的方法，制备单晶硅锭和晶片的设备；以及高质量、低缺陷的单晶硅锭和晶片。根据该方法，应用切克劳斯基法生长的锭的区域的温度差异被最小化在1000～1100℃的温度范围内。更具体地，在温度为1000～1100℃的锭的区域中单晶硅锭的温度差异不超过20℃/cm。优选，温度控制差异发生在垂直方向上的锭的外周部分。同时，当锭在1000～1100℃的温度时，生长锭的温度被加以控制使得锭的中心部分和外周部分的温度梯度差异不大于1.5℃/cm。优选地，单晶硅锭在锭的中心部分的锭和硅熔体之间的界面上的垂直温度梯度大于或等于20℃/cm的情况下生长。为了便于实施该改进方法，提供用于生长单晶硅锭的设备，包括一腔室；一被安装于(位于)腔室中用于盛载硅熔体的坩锅；一用于加热坩锅的加热器；一被安置于锭和坩锅之间用以包围锭以此屏蔽锭的辐射热的热屏蔽；和一用于调节锭的温度差异的局部加热元件，并且在锭生长过程中温度范围在1000～1100℃的锭的区域内控制这种差异(温度梯度)小于或等于20℃/cm。锭的温度差异可以在锭的外周部分和垂直方向上被测量。在温度为1000～1100℃的锭的区域或面侧，局部加热元件被安装于热屏蔽和锭之间。同时，通过连接棒用热屏蔽支撑局部加热元件；例如，局部加热元件可以被安置与连接棒的一端相连，连接棒被安装在热屏蔽上以使其从热屏蔽向锭伸出。局部加热元件能够调节在锭的中心部分测量的在锭和硅熔体之间界面的垂直方向上的温度梯度(G)，从而G大于或等于20℃/cm。同时，局部加热元件在锭的生长过程中能够调节和控制温度为1000～1100℃的锭的区域中锭中心部分的垂直温度梯度和锭外周部分的垂直温度梯度之间的差异小于或等于1.5℃/cm。热屏蔽包括一被位于硅熔体之上的厚度为10～40mm的低端部分，热屏蔽与锭之间的间隙为15～40mm。本专利技术还提供了高质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
在用于从硅熔体生长单晶硅锭的切克劳斯基方法中，其改进包括在具有１０００～约１１００℃温度的硅锭的区域中，硅锭在温度差异为２０℃／ｃｍ或小于２０℃／ｃｍ的控制温度下生长。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪宁皓，崔日洙，李洪雨，金尚熹，郭晚锡，
申请(专利权)人：希特隆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]