生产单晶硅半导体晶片的方法、生产单晶硅半导体晶片的设备和单晶硅半导体晶片技术

本发明专利技术涉及用于生产单晶硅半导体晶片的方法、用于进行该方法的设备以及包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片。所述方法包括在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；通过向具有初始高度hm的所述熔体的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体；使所述熔体经受磁场；用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和从所述单晶分离所述单晶硅半导体晶片。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生产单晶硅半导体晶片的方法、生产单晶硅半导体晶片的设备和单晶硅半导体晶片本专利技术涉及用于生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法，其中氧浓度和氧浓度的径向变化相对较低。本专利技术还涉及适于生产半导体晶片的设备，并且还涉及具有上述性质且具有至少300mm的直径的半导体晶片。现有技术/问题具有上述性质的单晶硅半导体晶片是特别用于生产基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电子部件的衬底。衬底的氧浓度必须尽可能低，因为在电子部件的生产过程中，氧有助于热施主(donor)的形成，这可能改变电阻，从而损害部件的操作性能(serviceability)。衬底的氧浓度必须相对较低的要求是一种挑战，特别是当半导体晶片同时预期具有至少300mm的直径时。在此类情况下，必须通过CZ法生长从中分离半导体晶片的单晶。通过CZ法生长硅单晶包括在石英坩埚中熔化多晶硅，将籽晶浸没在所得熔体中并向上拉制籽晶以起动材料在籽晶下侧上结晶，同时旋转石英坩埚和籽晶。该材料的一部分形成硅单晶，通常从该晶体分离硅单晶半导体晶片。硅熔体将氧从坩埚材料中溶解出来，并且该氧部分地掺入生长的单晶中，且部分地以气态SiO形式从熔体中逸出。必须采取特殊措施来确保单晶中的氧浓度保持足够低，以使单晶材料适于生产IGBT。另一方面，晶格中氧的存在通过热或机械引入的应力增强了单晶硅半导体晶片的抗滑移性。当单晶中的氧浓度相对较低时，所面临的问题是，从此类单晶分离的单晶硅半导体晶片展现出边缘区域中的氧浓度下降，并且边缘区域特别易发生滑移。当用n型掺杂剂(例如用磷光体)掺杂熔体时，掺杂剂随着单晶结晶的增加而在熔体中累积。由于这种偏析效应，单晶中的比电阻在朝向单晶下端的方向上下降。从单晶分离并且适合作为用于生产IGBT的衬底的半导体晶片可在其电学性质方面仅略有不同。为了抵消单晶长度上比电阻的降低，可向熔体中添加p型掺杂剂，例如硼，以补偿电荷载流子的偏析诱导性增加。该措施被称为反掺杂，并且详细描述于例如US2015/0349066A1中。US2007/0193501A1描述了具有不大于4.33×1017个原子/cm3的氧浓度的单晶硅半导体晶片的生产，报告值根据新的ASTM被转换。该文献中包含的实施例显示确实生产了转化浓度为2.6×1017原子/cm3的半导体晶片。该文献中所述的生产方法包括使用反掺杂的CZ法生长单晶硅以增强产率。EP0926270A1公开了一种环形加热设备，该设备的使用有助于SiO经由熔体表面逸出。本专利技术的目的是说明可如何提供具有甚至更低的氧浓度的单晶硅n型掺杂半导体晶片，特别是氧浓度的径向变化减小的晶片，以及可如何优化此类半导体晶片的产率。本专利技术的目的通过用于生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法来实现，所述方法包括：在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；通过向所述熔体的具有初始高度hm的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体；使所述熔体经受磁场；用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和从所述单晶分离所述单晶硅半导体晶片。本专利技术进一步提供一种单晶硅半导体晶片，其包含氧、热施主和至少一种n型掺杂剂，并且具有不小于300mm的直径。半导体晶片的氧浓度小于2.2×1017个原子/cm3，优选小于2.0×1017个原子/cm3，并且在径向方向上与平均值偏差不大于5％。半导体晶片中的热施主的密度不大于3×1013/cm3。当包括130mm至150mm的径向位置的边缘区域中的氧浓度与平均值的偏差不大于10％时，是优选的。本专利技术人已发现必须采取一系列措施来实现该目的。产生熔体中的流动条件和温度场，其阻碍氧从坩埚材料中溶解并促进SiO通过熔体表面从熔体逸出，并且有助于氧被吸收在生长的单晶中且从单晶的中心至边缘均匀分布。此外，在拉制单晶期间，控制单晶的拉制速度和冷却速率，以保持单晶中热施主的浓度较低。包含n型掺杂剂的硅熔体优选通过在石英坩埚中熔化多晶硅和n型掺杂剂(例如磷)来提供。在拉制单晶期间，从至少三个位置向熔体供应热。即从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方、从熔体表面区域的上方以及选择性地从熔体的侧面向上半部分供应热。此外，还可从下方加热熔体，以减轻例如所述至少三个位置中的至少一个位置处的加热输出，同时确保维持总加热输出。例如，可能有利的是，减少来自侧面的热供应，以便保护石英坩埚，并且防止坩埚壁的上部变形以及倾翻至熔体中。优选实施向熔体的热供应，使得各种情况下加热输出占总加热输出的比例如下：在从相界区域的上方加热熔体的情况下不小于5％且不大于15％，并且在从表面区域的上方加热熔体的情况下不小于5％且不大于15％。如果从下方另外加热熔体，则为此所耗用的加热输出占从侧面加热熔体所耗用的加热输出的比例优选不大于5％。从侧面供应热必须选择性地朝向熔体体积的上部。换句话说，从熔体体积的较低部分的侧面有意加热不会在晶体生长程序开始时发生，并且优选直至70％的初始熔体体积已成为单晶组分时才开始发生。否则不能产生熔体中期望的流动条件和期望的温度场。因此，所述方法包括向熔体的具有初始高度hm的熔体上部体积选择性地供应热，其中所述高度hm小于所述熔体的初始高度hM。比率hm:hM优选不大于0.75。由单晶结晶引起的熔体的下降通过石英坩埚的升高来补偿。此外，从上方加热熔体，具体是在生长的单晶和熔体之间的相界区域和熔体表面区域，更特别是在围绕生长的单晶的热屏蔽体和石英坩埚壁之间的熔体表面区域发生。使用实际上彼此不受影响的两个加热构件实施两个区域的加热，因为热屏蔽体阻止了两个加热构件中的一个对各自的另一区域的额外加热。从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方加热熔体特别用于控制生长的单晶和熔体之间的相界处的轴向温度梯度G。已知拉制速度V和轴向温度梯度G的商V/G对内部点缺陷(硅间隙原子和空位)和其团聚物的形成具有决定性影响。轴向温度梯度G可通过模拟近似计算，并且通过构建生长的单晶即热区的直接环境而受到显著影响。通过CZ方法以拉制速度V拉制硅单晶，优选地以需要V/G的拉制速度V拉制硅单晶，使得在生长的单晶中，硅间隙原子不形成团聚物并且其存在促进热施主的形成的自由空位的浓度尽可能低，优选不大于3×1014/cm3。因此，特别优选控制商V/G，使得从单晶的中心到边缘，空位占优势而不形成可检测为COP缺陷(晶体原生粒子)的团聚物，和/或从单晶的中心到边缘，硅间隙原子占优势，而不形成可检测为Lpit缺陷(大蚀刻坑)的团聚物。从熔体表面区域的上方加热熔体有助于产生熔体中的流动条件和温度场，这是将硅单晶中的氧浓度限制为小于2.2×1017个原子/cm3所必需的。此外，向熔体施加磁场，优选CUSP磁场，即具有绕石英坩埚的旋转轴轴对称的场线结构的磁场。磁场优选具有700-1300高斯的最大通量密度。具有最低磁通量密度的磁场平面优选地在熔体表面上方80mm至160mm的距离处，或在熔体表面下方120mm至220mm的距离处。为了进一步削减热施主的形成，所述方法优选包括以不小于0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法，其包括：在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；通过向所述熔体的具有初始高度hm的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方加热熔体；从所述熔体的表面区域的上方加热熔体；使所述熔体经受磁场；用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和将单晶硅半导体晶片与单晶分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.24 DE 102016209008.91.生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法，其包括：在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；通过向所述熔体的具有初始高度hm的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方加热熔体；从所述熔体的表面区域的上方加热熔体；使所述熔体经受磁场；用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和将单晶硅半导体晶片与单晶分离。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用第一加热输出从下方加热所述熔体，所述第一加热输出占从侧面加热所述熔体的第二加热输出的比例不大于5％。3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其包括用第三加热输出从所述相界区域的上方加热所述熔体，所述第三加热输出占总加热输出的比例不小于5％且不大于15％。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其包括用第四加热输出从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体，所述第四加热输出占总加热输出的比例不小于5％且不大于15％。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在反掺杂期间，将包含p型掺杂剂的气体引入所述熔体上方距离所述熔体表面5mm至50mm处的气氛中。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其进一步包括在启动反掺杂之前，拉制至少20％的具有均匀直径的所述单晶的区段。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其包括控制所述拉制速度V，使得生长的单晶中的硅间隙原子不形成团聚物，并且自由空位的浓度不大于3×1014/cm3。8.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·霍维泽尔，D·克耐尔，W·沙兴格，大久保正道，
申请(专利权)人：硅电子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE