使用连续柴可斯基(CZOCHRALSKI)方法生长单晶硅锭的方法技术

公开一种用于通过连续柴可斯基(Czochralski)方法生长单晶硅锭的方法。熔体深度及热条件在生长期间是恒定的，这是因为硅熔体在其被消耗时被连续补充，且坩埚位置是固定的。临界v/G由热区配置确定，且在生长期间连续补充硅到熔体实现在锭的主体的基本部分的生长期间锭以与所述临界v/G一致的恒定提拉速率生长。率生长。率生长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用连续柴可斯基(CZOCHRALSKI)方法生长单晶硅锭的方法
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]本申请案要求2019年4月18日申请的第62/835,735号美国临时申请案的优先权的权益，所述案的公开内容宛如全文陈述般以引用的方式并入。


[0003]本公开的领域涉及一种使用连续柴可斯基(Czochralski)方法生长单晶硅锭的方法。

技术介绍

[0004]单晶硅(其为用于制作半导体电子组件的大多数工艺的起始材料)通常通过柴可斯基(“Cz”)方法制备。在此方法中，将多晶硅(polycrystalline silicon)(“多晶硅(polysilicon)”)装填到坩埚且熔融，使晶种与熔融硅接触且通过缓慢抽取生长单晶体。在完成颈部的形成之后，通过(例如)降低提拉速率及/或熔体温度直到达到所要或目标直径而扩大晶体的直径。接着通过控制提拉速率及熔体温度同时补偿降低的熔体水平而生长具有近似恒定直径的晶体的圆柱形主体。在生长工艺快结束但在坩埚被排空熔融硅之前，通常逐渐减小晶体直径以形成呈端锥的形式的尾端。通常通过增加拉晶速率及供应到坩埚的热而形成端锥。当直径变得足够小时，晶体接着与熔体分离。
[0005]柴可斯基生长技术包含分批柴可斯基方法及连续柴可斯基方法。在分批CZ中，将单一多晶装料装载到坩埚中，单一装料足以生长单晶硅锭，在此之后坩埚基本上耗尽硅熔体。在连续柴可斯基(CCZ)生长中，可在生长工艺期间连续或周期性地将多晶硅添加到熔融硅以补充熔体且因此，可在生长工艺期间从单一坩埚提拉多个锭。
[0006]为了实行CCZ工艺，修改传统分批柴可斯基生长腔室及设备以包含用于以连续或半连续方式将额外多晶硅给料到熔体而未负面影响生长锭的性质的构件。由于晶种是从熔体连续生长，所以将固体多晶硅(例如粒状多晶硅)添加到熔体以补充熔体。通常控制添加到熔体的额外固体多晶硅的给料速率以维持工艺参数。为了降低此补充活动对同时晶体生长的负面效应，通常修改传统石英坩埚以提供经添加材料递送到其中的外部或环形熔体区以及从其提拉硅锭的内部生长区。这些区彼此流体流动连通。
[0007]现代微电子装置的持续收缩大小对硅衬底的质量(其基本上由内部生长微缺陷的大小及分布确定)提出挑战性限制。在由柴可斯基(CZ)工艺及浮动区(FZ)工艺生长的硅晶体中形成的大多数微缺陷是硅的本质点缺陷(空位及自间隙(或简称为间隙))的凝聚物。
[0008]一系列研究已证实间隙凝聚物以两种形式存在
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称为B旋涡缺陷(或B缺陷)的球状间隙集群及称为A旋涡缺陷(或A缺陷)的位错环。后来发现的空位凝聚物(称为D缺陷)已被识别为八面体空隙。沃龙科夫(Voronkov)对基于晶体生长条件在硅晶体中观察到的微缺陷分布提供广为接受的解释。根据Voronkov的模型或理论，在熔体/晶体界面附近的温度场驱动点缺陷的重组，从而为其从熔体/晶体界面(其中它们以其相应平衡浓度存在)扩散到晶体块体提供驱动力。通过扩散及对流两者的点缺陷的传输与它们重组之间的交互作用建立
超出距界面的短距离的点缺陷浓度，称为重组长度。通常，空位浓度与超出重组长度的间隙浓度之间的差(称为过量点缺陷浓度)保持基本上远离晶体的横向表面固定。在经快速提拉晶体中，点缺陷通过其超出重组长度的扩散的空间重布通常不重要，只有接近晶体的横向表面的用作点缺陷的槽或源的区域除外。因此，如果超出重组长度的过量点缺陷浓度为正，那么空位保持过量，且在较低温度下凝聚以形成D缺陷。如果过量点缺陷浓度为负，那么间隙保持主导点缺陷，且凝聚以形成A缺陷及B缺陷。如果过量点缺陷浓度低于某一检测阈值，那么不形成可检测微缺陷。因此，通常，内部生长的微缺陷的类型仅由超出重组长度建立的过量点缺陷浓度确定。建立过量点缺陷浓度的过程被称为初始并入且主导点缺陷物种被称为经并入主导点缺陷。经并入点缺陷的类型由晶体提拉速率(v)对界面附近的轴向温度梯度(G)的量值的比率确定。在较高v/G下，点缺陷的对流主导其扩散，且空位保持经并入主导点缺陷，这是因为在界面处的空位浓度高于间隙浓度。在较低v/G下，扩散主导对流，从而容许快速扩散间隙作为主导点点并入。在接近其临界值的v/G下，两种点缺陷以非常低且相当的浓度并入，使彼此相互湮灭且因此抑制在较低温度下任何微缺陷的潜在形成。观察到的空间微缺陷分布可通常由v/G的变化(其由G的径向非均匀性及由v的轴向变化引起)来解释。径向微缺陷分布的显著特征是在相对较低的经并入空位浓度(在略高于临界v/G的小范围v/G下)的区域中通过氧与空位的相作用形成的氧化物粒子。这些粒子形成可由热氧化显露为OSF(氧化引发的堆叠层错)环的窄空间带。通常，OSF环标记空位主导及间隙主导的邻近晶体区域之间的边界(称为V/I边界)。
[0009]然而，在许多现代工艺中以较低速率生长的CZ晶体中的微缺陷分布受晶体块体中的点缺陷的扩散(包含由晶体的横向表面引发的扩散)影响。因此，CZ晶体中的微缺陷分布的准确量化优选并入二维点缺陷扩散(轴向及径向两者)。仅量化点缺陷浓度场可定性地捕获CZ晶体中的微缺陷分布，这是因为经形成微缺陷的类型由其直接确定。然而，为了微缺陷分布的更准确量化，捕获点缺陷的凝聚是必要的。传统上，微缺陷分布通过解耦合点缺陷的初始并入及微缺陷的后续形成而量化。此方法忽略成核区域附近的主导点缺陷从较高温度下的区域(其中微缺陷密度可忽略)到较低温度下的区域(其中微缺陷以较高密度存在且消耗点缺陷)的扩散。替代地，基于预测微缺陷群体在晶体中的每个位置处的大小分布的严格数值模拟在数值上是昂贵的。
[0010]空位与间隙主导材料之间的转变在v/G的临界值(其当前呈现为约2.5x10
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5 cm2/sK)下发生。如果v/G的值超过临界值，那么空位是主要本质点缺陷，其中其浓度随着v/G增加而增加。如果v/G的值小于临界值，那么硅自间隙是主要本质点缺陷，其中其浓度随着v/G减小而增加。因此，可控制工艺条件(例如生长速率(其影响v)以及热区配置(其影响G))以确定单晶硅内的本质点缺陷是否将主要是空位(其中v/G通常大于临界值)或自间隙(其中v/G通常小于临界值)。
[0011]经凝聚缺陷形成通常以两个步骤发生。第一，缺陷“成核”发生，其为本质点缺陷在给定温度下经过饱和的结果；高于此“成核阈值”温度，本质点缺陷保持可溶于硅晶格中。经凝聚本质点缺陷的成核温度大于约1000℃。
[0012]一旦达到此“成核阈值”温度，本质点缺陷便凝聚；也就是说，这些点缺陷从硅晶格的“固溶体”沉淀。本质点缺陷将继续通过硅晶格扩散，只要其存在于其中的锭的部分的温度保持高于第二阈值温度(即，“扩散率阈值”)。低于此“扩散率阈值”温度，本质点缺陷在商
业上实用的时间段内不再移动。
[0013]虽然锭保持高于“扩散率阈值”温度，但空位或间隙本质点缺陷扩散通过硅晶格到其中分别已经存在经凝聚空位缺陷或间隙缺陷的位点，从而引起给定经凝聚缺陷的大小增长。发生生长，这是因为这些经凝聚缺陷位点基本上用作“槽”，从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过连续柴可斯基方法制备单晶硅锭的方法，所述方法包括：将多晶硅的初始装料添加到坩埚；加热包括多晶硅的所述初始装料的所述坩埚以引起在所述坩埚中形成硅熔体，所述硅熔体包括熔融硅的初始体积且具有初始熔体高度水平；使硅晶种与硅熔体接触；抽出所述硅晶种以生长颈部部分，其中在所述颈部部分的生长期间以颈部部分提拉速率抽出所述硅晶种；抽出所述硅晶种以生长邻近所述颈部部分的向外张开晶种锥，其中所述硅晶种在所述向外张开晶种锥的生长期间以晶种锥提拉速率抽出；及抽出所述硅晶种以生长邻近所述向外张开晶种锥的所述单晶硅锭的主体，其中所述硅熔体包括所述单晶硅锭的所述主体的生长期间的熔融硅的体积及熔体高度水平；其中所述单晶硅锭的所述主体以初始可变主体提拉速率及恒定主体提拉速率生长，其中所述单晶硅锭的所述主体针对所述单晶硅锭的所述主体的长度的小于约20％以所述初始可变主体提拉速率生长且在针对所述单晶硅锭的所述主体的所述长度的小于约30％的生长期间以所述恒定主体提拉速率生长；且进一步其中将多晶硅连续给料到所述坩埚以借此在所述单晶硅锭的所述主体的生长期间补充所述坩埚中的熔融硅的体积及熔体高度水平。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述单晶硅锭的所述主体的生长期间将磁场施加到所述硅熔体。3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述单晶硅锭的所述主体的生长期间将水平磁场施加到所述硅熔体。4.根据权利要求2所述的方法，其中在所述单晶硅锭的所述主体的生长期间将尖点磁场施加到所述硅熔体。5.根据权利要求2所述的方法，其中所述经施加磁场在所述单晶硅锭的所述主体的所述生长的至少约70％期间维持大体上恒定熔体/固体界面轮廓。6.根据权利要求2所述的方法，其中所述经施加磁场在所述单晶硅锭的所述主体的所述生长的约70％与约90％之间期间维持大体上恒定熔体/固体界面轮廓。7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法，其中所述单晶硅锭的所述主体为至少约1000毫米长、至少1400毫米长、或至少1500毫米长。8.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法，其中所述单晶硅锭的所述主体为至少2000毫米长、至少2200毫米长、至少约3000毫米长或至少约4000毫米长。9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述单晶硅锭的所述主体具有至少约150毫米、或至少约200毫米的直径。10.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的方法，其中所述单晶硅锭的所述主体具有至少约300毫米、或至少约450毫米的直径。11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的方法，其中所述恒定主体提拉速率在约0.4mm/分钟与约0.8mm/分钟之间、在约0.4mm/分钟与约0.7mm/分钟之间、或在约0....

【专利技术属性】
技术研发人员：卡瑞喜玛，
申请(专利权)人：环球晶圆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：