專利名稱：高質(zhì)量硅單晶的生長(zhǎng)方法和裝置、硅單晶結(jié)晶塊及硅晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有所需氧含量的高質(zhì)量硅(Si)單晶結(jié)晶塊，具體涉及這樣一種高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊和晶片及它們的生長(zhǎng)方法和裝置，其中，在用柴氏長(zhǎng)晶法(Czochralski method)生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊期間，獨(dú)立地控制硅熔體的溫度分布和氧含量分布，以便生產(chǎn)出已控制了生長(zhǎng)缺陷且氧含量符合客戶需要的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊和晶片。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的是，為了生長(zhǎng)出可以提高半導(dǎo)體器件成品率的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊，主要是對(duì)結(jié)晶后的單晶結(jié)晶塊的高溫分布進(jìn)行溫度控制。這樣做的目的是為了控制結(jié)晶后冷卻時(shí)所引起的收縮應(yīng)力等，或者在凝固過程中形成點(diǎn)缺陷的行為。
同時(shí)，為了滿足客戶所要求的各種氧含量規(guī)格(適于半導(dǎo)體器件)，投入了額外的資本。例如，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)、氬(Ar)流速等工藝參數(shù)，改變熱區(qū)域，引入水平強(qiáng)磁場(chǎng)等。
根據(jù)柴氏長(zhǎng)晶法這一生長(zhǎng)硅單晶的典型工藝，將多晶硅裝載入石英坩鍋中，用加熱器輻射的熱量使其熔化成硅熔體，然后，從該硅熔體的表面生長(zhǎng)出硅單晶結(jié)晶塊。在生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊時(shí)，通過支撐著坩鍋的軸的旋轉(zhuǎn)來使該坩鍋提升，以將固-液界面維持于恒定高度，而且，硅單晶結(jié)晶塊在與坩鍋同軸但反向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)被盤繞起來。在按照上述方法生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，將得到的硅單晶結(jié)晶塊制成硅單晶晶片(通過諸如切片、打磨、拋光和清潔等晶片加工過程)，然后用作半導(dǎo)體器件的基底。
另外，作為一種促進(jìn)硅單晶結(jié)晶塊生長(zhǎng)的典型技術(shù)，經(jīng)由結(jié)晶塊生長(zhǎng)裝置的上部向其內(nèi)引入氬等不活潑氣體，然后經(jīng)由該結(jié)晶塊生長(zhǎng)裝置的下部排出。
此外，為了穩(wěn)定單晶結(jié)晶塊的生產(chǎn)和有效調(diào)節(jié)氧含量，通常使用至少預(yù)定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，如尖端(CUSP)磁場(chǎng)、垂直磁場(chǎng)和水平磁場(chǎng)等。
如上所述用于生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的常規(guī)技術(shù)，使用了熱屏蔽來控制正在生長(zhǎng)的硅單晶的溫度梯度和從硅熔體蒸發(fā)出來的氧。這種常規(guī)技術(shù)的例子包括韓國(guó)專利No.374703、韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2000-0071000和美國(guó)專利No.6,527,859等。同時(shí)，根據(jù)Machita等人的報(bào)道“The effects of argon gas flow rate and furnacepressure on oxygen concentration in Czochralski-grown Si crystals(Journal of CrystalGrowth，186(1998)362-368)”以及韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2001-7011548，設(shè)置諸如氣流控制器這樣的熱區(qū)，調(diào)節(jié)壓強(qiáng)、氬流速和坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度，都被提出來作為控制氧含量的手段。此外，日本已經(jīng)公開的專利申請(qǐng)No.2000-247788和No.H10-130100，披露了使用一種調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度的裝置和一種產(chǎn)生多-尖端(multi-CUSP)磁場(chǎng)的部件來抑制氧溶出和熔體對(duì)流。
然而，調(diào)節(jié)現(xiàn)有技術(shù)的幾個(gè)工藝參數(shù)并不足以控制硅單晶結(jié)晶塊的溫度梯度或氧含量。所以，就不可能生產(chǎn)出點(diǎn)缺陷濃度低、氧含量符合客戶需求的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊和晶片。
獲得適合于制作器件的優(yōu)質(zhì)晶片基底的條件如下在從晶片表面到幾個(gè)微層的深度內(nèi)形成的器件活性區(qū)域中，最好能夠消除點(diǎn)缺陷之外的空位和自間隙(self-interstitial)等所有聚集缺陷。例如，晶體原生坑(COPCrystal Originated Pit)是一種含有聚集空位的點(diǎn)缺陷，它惡化了柵氧化物的完整性(GOIGate OxideIntegrity)，因而降低了器件的成品率。另外，如果依賴于氧含量和空位濃度的微析出(micro precipitate)出現(xiàn)在器件活性區(qū)域內(nèi)，也會(huì)惡化柵氧化物的完整性。另一方面，在比器件活性區(qū)域更深的體區(qū)域內(nèi)，必須有包含微析出的體微缺陷(BMDBulk Micro Defect)。在半導(dǎo)體器件熱處理過程中出現(xiàn)的BMD對(duì)于該器件活性區(qū)域是有害的，但它能通過吸收晶片表面和器件活性區(qū)域內(nèi)的金屬雜質(zhì)來提高器件的成品率。所以，優(yōu)質(zhì)晶片基底需要具有適當(dāng)?shù)目瘴粷舛群脱鹾俊?br> 同時(shí)，就如韓國(guó)專利申請(qǐng)No.1999-7009261、No.1999-7009307和No.1999-7009309所描述的，現(xiàn)有技術(shù)以G0＝c+ax2來表達(dá)晶體的垂直溫度梯度。所以，空位濃度從單晶結(jié)晶塊的外圍圓周到中心逐漸增加，而間隙濃度則是減少。如果在單晶結(jié)晶塊的外圍圓周附近沒有發(fā)生足夠程度的外擴(kuò)散(out-diffusion)，就會(huì)產(chǎn)生LDP等間隙晶體缺陷。這將導(dǎo)致以中心具有高空位濃度的狀態(tài)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)。因此，由于空位濃度遠(yuǎn)高于平衡濃度，晶片的中心容易出現(xiàn)空位晶體缺陷(如空穴(void)、氧化堆垛層錯(cuò)(OiSFoxidation induced stacking fault))。另一方面，為了間隙外擴(kuò)散的目的而降低晶體的冷卻速率，這又需設(shè)置額外的熱區(qū)。這樣就降低了單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)速率，從而降低了生產(chǎn)率。
針對(duì)用于控制硅單晶結(jié)晶塊的溫度分布以生產(chǎn)出高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的方法，已經(jīng)提出了如下一些常規(guī)技術(shù)。日本專利申請(qǐng)No.H02-119891提出通過在冷卻結(jié)晶塊的過程中采用熱區(qū)來控制硅單晶結(jié)晶塊的中心及周邊的溫度分布，以減少結(jié)晶塊中由于凝固應(yīng)變所引起的晶體缺陷。這份文獻(xiàn)特別揭露了使用冷卻套筒來增大單晶結(jié)晶塊生長(zhǎng)方向上的凝固速率從而減少晶格缺陷。另外，日本專利申請(qǐng)No.H07-158458提出控制單晶結(jié)晶塊的溫度分布和拉拔速率。日本專利申請(qǐng)No.H07-066074提出改善熱區(qū)并控制冷卻速率，利用點(diǎn)缺陷擴(kuò)散來抑制晶體缺陷的形成。韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2002-0021524聲稱改進(jìn)熱屏蔽和水冷管可以提高高質(zhì)量單晶結(jié)晶塊的成品率。日本專利申請(qǐng)No.H05-061924提出使硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)速率進(jìn)行周期性變化，利用氧致堆垛層錯(cuò)(OSF)和氧析出缺陷等晶體缺陷發(fā)生區(qū)域的滯后，防止單晶結(jié)晶塊內(nèi)產(chǎn)生晶體缺陷。
用于控制硅單晶結(jié)晶塊中氧含量的常規(guī)技術(shù)包括日本已經(jīng)公開的專利申請(qǐng)No.10-013010，韓國(guó)專利注冊(cè)No.10-0239864，韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2001-7011548，等等。然而，這些技術(shù)都有如下缺點(diǎn)或者是它們需要額外的投資，或者是高質(zhì)量單晶并不能被真正地生產(chǎn)出來。
此外，韓國(guó)專利注冊(cè)No.10-0271504披露了一種技術(shù)，用于將CUSP磁場(chǎng)的中心定位于硅熔體整個(gè)深度的至少1/3深度處，從而消除在生長(zhǎng)方向上形成的裂縫，并因此改善沿徑向的氧分布。韓國(guó)專利注冊(cè)No.10-0239864披露了一種技術(shù)，其通過使用超導(dǎo)水平磁場(chǎng)來確保均勻的磁場(chǎng)分布，從而抑制對(duì)流。韓國(guó)專利申請(qǐng)公開No.2002-0081470披露了一種用于調(diào)節(jié)固-液界面形態(tài)與結(jié)晶溫度之間關(guān)系的技術(shù)。然而，這些常規(guī)技術(shù)并沒有披露使用非平衡磁場(chǎng)來控制不含有聚集晶體缺陷的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊中的氧含量。
而且，根據(jù)前面所述的技術(shù)，廣受歡迎的高質(zhì)量單晶結(jié)晶塊只能以低的成品率生產(chǎn)出來。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題而提出的，而且，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種生長(zhǎng)方法，其能夠在將硅單晶結(jié)晶塊控制成具有各種氧含量的同時(shí)，以高的生產(chǎn)率生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊和晶片，它們具有按照客戶所需要的規(guī)格而分別控制的氧含量。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種生長(zhǎng)裝置，用于生長(zhǎng)分別控制了氧含量的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種以高生產(chǎn)率生長(zhǎng)高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的方法。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種以高成品率生長(zhǎng)高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的裝置。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提供一種用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，向硅熔體施加非平衡磁場(chǎng)。
優(yōu)選的是，所述非平衡磁場(chǎng)是通過控制上、下磁場(chǎng)使它們的強(qiáng)度互不相同而形成的。
優(yōu)選的是，所述上磁場(chǎng)形成于固-液界面區(qū)域，所述下磁場(chǎng)形成于坩鍋底部及圓形區(qū)域的周圍。
優(yōu)選的是，當(dāng)沿著平行于單晶結(jié)晶塊縱向的軸線、從硅熔體和單晶結(jié)晶塊之間的界面開始測(cè)量時(shí)，硅熔體的溫度按照與單晶結(jié)晶塊的距離成比例地逐漸升高直到最熱點(diǎn)，然后，從該最熱點(diǎn)逐漸下降，而且，采用非平衡磁場(chǎng)，使從坩鍋溶出的氧最少，并促進(jìn)從硅熔體最接近于加熱器的部分向界面中心或圍繞著最熱點(diǎn)的熱區(qū)域的熔體對(duì)流。
優(yōu)選的是，固-液界面區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0至150高斯，發(fā)生氧溶出的坩鍋底部處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為100至400高斯。
優(yōu)選的是，在固-液界面的邊緣，垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度之比為0.1至1.0。
優(yōu)選的是，所述磁場(chǎng)包括CUSP磁場(chǎng)，或者，所述磁場(chǎng)相對(duì)于單晶結(jié)晶塊的縱向呈垂直或水平方向。
優(yōu)選的是，硅單晶結(jié)晶塊在滿足方程3≤Ln[Vs/Vc]≤5的條件下生長(zhǎng)，其中，Vc表示盛有硅熔體的坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度，Vs表示硅單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明也提供一種用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，包括室；設(shè)置在所述室內(nèi)用于盛放硅熔體的坩鍋；設(shè)置在坩鍋旁邊用于加熱硅熔體的加熱器；拉拔裝置，用于拉拔從硅熔體生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊；以及設(shè)置在加熱器旁邊用于向硅熔體施加磁場(chǎng)的磁體。
優(yōu)選的是，所述磁體適用于引入磁場(chǎng)，以促進(jìn)硅熔體朝著硅單晶結(jié)晶塊中央的對(duì)流。
優(yōu)選的是，所述磁體適用于引入磁場(chǎng)，使從坩鍋溶出的氧最少。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明還提供由柴氏長(zhǎng)晶法所生長(zhǎng)的硅單晶制成的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域(self-interstitial dominant defect-free region)和無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域(vacancy dominant defect-free region)關(guān)于晶片中心非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
優(yōu)選的是，間隙氧含量低于9.5ppma。
優(yōu)選的是，間隙氧含量為9.5ppma至11.5ppma。
優(yōu)選的是，間隙氧含量為11.5ppma至14ppma。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明進(jìn)一步提供用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域位于硅單晶結(jié)晶塊的中央部分。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域被第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域和所述第一、第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于晶片平面中心非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
為了實(shí)現(xiàn)這些目的，本發(fā)明更進(jìn)一步提供由用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)的硅單晶制成的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域位于晶片平面的中央部分。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域被第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
優(yōu)選的是，所述無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域和所述第一、第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于晶片平面中心非對(duì)稱地分布在晶片平面中。


本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，可從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中更容易地理解。
附圖中圖1是示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的工藝，其中硅熔體的溫度梯度分布是沿著平行于硅單晶結(jié)晶塊徑向的軸線測(cè)量的。
圖2是剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在引入CUSP磁場(chǎng)的情況下生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，從峰值溫度區(qū)域到熱區(qū)域形成了合適的熱傳遞隧道。
圖3a是剖視圖，顯示了通過調(diào)節(jié)具有基本上平衡的CUSP磁場(chǎng)的磁體位置，生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，畫出了磁通線分布圖的一半。
圖3b是用標(biāo)尺繪制的圖，顯示了圖3a所示的磁通線分布圖。
圖4a是剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在基本上不平衡的CUSP磁場(chǎng)中生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，畫出了磁通線分布圖的一半。
圖4b是用標(biāo)尺繪制的圖，顯示了圖4a所示的磁通線分布圖。
圖5a是現(xiàn)有技術(shù)中具有軸對(duì)稱分布的硅單晶結(jié)晶塊的示意性立體圖和晶片的剖面圖，其中，空位占優(yōu)勢(shì)區(qū)域形成于晶片的中央部分，間隙占優(yōu)勢(shì)區(qū)域形成于空位富集區(qū)域周圍。
圖5b是根據(jù)本發(fā)明具有非對(duì)稱分布的硅單晶結(jié)晶塊的示意性立體圖和晶片的剖面圖，其中，第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著位于結(jié)晶塊/晶片平面中央的無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
圖5c是根據(jù)本發(fā)明具有非對(duì)稱分布的硅單晶結(jié)晶塊的示意性立體圖和晶片的剖面圖，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
圖6中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖6還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖。
圖7中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖7還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖。
圖8中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖8還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖。
圖9中的照片顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖9還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)說明高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置和生產(chǎn)方法及由此生產(chǎn)的晶片。
本發(fā)明從這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)出發(fā)，即從硅熔體生長(zhǎng)固態(tài)的硅單晶時(shí)，要想生長(zhǎng)出具有最少點(diǎn)缺陷的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊，僅僅通過調(diào)節(jié)單晶溫度梯度和固-液界面形態(tài)是不夠的，對(duì)于高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)而言，可能存在更具決定性的因素。
為了克服結(jié)晶之后的固相反應(yīng)的限制，對(duì)凝固前的液態(tài)作了透徹的分析，結(jié)果，發(fā)現(xiàn)硅熔體的溫度分布是非常重要的。
晶體生長(zhǎng)通常是通過原子或分子形態(tài)的生長(zhǎng)單元向著晶體生長(zhǎng)界面或亞穩(wěn)區(qū)域遷移然后附著在那里而實(shí)現(xiàn)的，其中，硅熔體中的上升溫度梯度，使得流體狀態(tài)的生長(zhǎng)單元向著晶體生長(zhǎng)界面或亞穩(wěn)區(qū)域遷移的驅(qū)動(dòng)力增大。
這里，所述晶體生長(zhǎng)界面也稱為結(jié)晶界面或固-液界面，在該界面處，固態(tài)的硅單晶結(jié)晶塊與液態(tài)的硅熔體接觸。所述亞穩(wěn)區(qū)域表示一種準(zhǔn)備凝固的液態(tài)硅熔體的狀態(tài)，其具有不完全結(jié)晶性。
由于硅熔體中高的溫度梯度驅(qū)動(dòng)了更多的生長(zhǎng)單元參與晶體生長(zhǎng)，低的拉拔速率會(huì)使過剩的原子結(jié)晶，因此，硅單晶結(jié)晶塊具有自間隙富集(self-interstitialrich)的特性。反過來，硅熔體中低的溫度梯度不能使得足夠數(shù)目的原子參與結(jié)晶，所以，高的拉拔速率使得硅單晶結(jié)晶塊具有空位富集(vacancy rich)的特性。
圖1是示意圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶的工藝。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明用于生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的裝置包括室10，硅單晶結(jié)晶塊在該室中生長(zhǎng)。
在室10內(nèi)設(shè)置用于盛放硅熔體(以SM表示)的石英坩鍋20，由石墨制成的坩鍋支撐25設(shè)置得圍繞著石英坩鍋20。
坩鍋支撐25固定于旋轉(zhuǎn)軸30上，該旋轉(zhuǎn)軸通過驅(qū)動(dòng)裝置(未顯示)旋轉(zhuǎn)，使石英坩鍋20一邊旋轉(zhuǎn)一邊上升，從而把固-液界面維持在預(yù)定的高度。坩鍋支撐25由圓筒形加熱器40以預(yù)定的間隔圍繞著，該加熱器40由桶形恒溫器或絕熱體45圍繞著。
也就是說，加熱器40安裝于石英坩鍋20的旁邊，把裝載于石英坩鍋20內(nèi)的高純度多晶體硅塊加熱成硅熔體SM，而且，桶形恒溫器45防止從加熱器40輻射的熱量擴(kuò)散到室10的側(cè)壁，從而提高熱效率。
此外，圍繞著桶形恒溫器45的外部圓周設(shè)置磁體70。這就使得能將加熱器40用作穩(wěn)定的熱源從而防止硅熔體的過冷現(xiàn)象。優(yōu)選的是，這樣的設(shè)置也能通過磁體70對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制熱量使其經(jīng)由各種路徑從加熱器40傳遞到固-液界面。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)更有效的熱傳遞。
本發(fā)明中，磁體70用來向石英坩鍋20內(nèi)的氧溶出區(qū)域和固-液界面引入不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)。通常，使用CUSP磁場(chǎng)來抑制基于平衡磁場(chǎng)分布的硅熔體對(duì)流，從而控制穩(wěn)定的單晶生長(zhǎng)條件和氧含量，但是，控制氧含量的條件與制造高質(zhì)量硅單晶的條件相反。因此，本發(fā)明就是要克服這一問題。
在此情形中，上磁場(chǎng)控制與熱量流動(dòng)相關(guān)的溫度分布，下磁場(chǎng)控制單晶結(jié)晶塊中的氧含量，該氧含量與從坩鍋溶出的氧或已溶出氧的遷移相關(guān)。
可以垂直于或平行于硅單晶縱向?qū)枞垠w施加磁場(chǎng)，或者，可以向硅熔體施加CUSP磁場(chǎng)。當(dāng)磁通線在固-液界面和其下面的硅熔體中形成特定形狀時(shí)，就獲得了同樣的效果。
圖2是剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在施加CUSP磁場(chǎng)的情況下生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，從峰值溫度區(qū)域到熱區(qū)域形成了合適的熱傳遞隧道。圖3a是剖視圖，顯示了通過調(diào)節(jié)具有基本上平衡的CUSP磁場(chǎng)的磁體位置，生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，畫出了磁通線分布圖的一半。圖3b是用標(biāo)尺繪制的圖，顯示了圖3a所示的磁通線分布圖。圖4a是剖視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例在基本上不平衡的CUSP磁場(chǎng)中生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊，其中，畫出了磁通線分布圖的一半。圖4b是用標(biāo)尺繪制的圖，顯示了圖4a所示的磁通線分布圖。
磁場(chǎng)控制硅熔體的對(duì)流，具體地說，在垂直于磁通線的方向上抑制熔體流動(dòng)，從而甚至影響熱量流動(dòng)。也就是說，圖2至4b所示的磁通線分布，在垂直于磁通線的方向上抑制熔體對(duì)流，而在平行于磁通線的方向上促進(jìn)熔體流動(dòng)和熱量流動(dòng)。
于是，熱的硅生長(zhǎng)單元沿著最短路徑從最接近于加熱器的局域峰值溫度區(qū)域TP遷移到固-液界面，從而使得熱損失最小，又促進(jìn)了熱量朝著固-液界面中心或硅熔體的熱區(qū)域TH的流動(dòng)。
換句話說，磁場(chǎng)以最小的熱損失促進(jìn)了熱從峰值溫度區(qū)域TP到熱區(qū)域TH的熱傳遞，增加了固-液界面與熱區(qū)域TH之間的溫差或者硅熔體的上升溫度梯度。結(jié)果，增大了讓原子和分子形態(tài)的生長(zhǎng)單元朝著晶體生長(zhǎng)界面遷移的驅(qū)動(dòng)力，從而提高了高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)速率。
此外，圖4a至4b所示的非平衡磁通線分布使得石英坩鍋底部周圍的溫度相對(duì)較低，因而，使得從坩鍋底部溶出的氧以及已溶出氧的遷移達(dá)到最小。所以，為了抑制從坩鍋底部溶出的氧和已溶出氧的遷移，可以加強(qiáng)下磁場(chǎng)。
結(jié)果，可以通過調(diào)節(jié)上、下磁場(chǎng)的強(qiáng)度使它們彼此非對(duì)稱來形成非平衡磁場(chǎng)。優(yōu)選的是，上磁場(chǎng)形成于固-液界面附近，下磁場(chǎng)形成于從石英坩鍋溶出氧的部位附近。
另外，最好將固-液界面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度控制在0至150高斯之間，而發(fā)生最大量氧溶出的坩鍋底部及圓形區(qū)域附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度在100至400高斯之間。固-液界面部分可以是零高斯位置(ZGP)，在那里磁場(chǎng)強(qiáng)度變?yōu)?。如果固-液界面部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度為150高斯或更高，會(huì)損害向固-液界面的熱傳遞。另一方面，如果該部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度小于100高斯或超過400高斯，則坩鍋底部圓形區(qū)域附近不會(huì)形成合適的熱傳遞隧道。
優(yōu)選的是，在固-液界面(三相點(diǎn))的邊緣處，將垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度之比控制在0.1至1.0的范圍內(nèi)。如果垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度之比小于0.1或超過1.0，將不會(huì)形成合適的熱傳遞隧道。
圖3a和3b顯示了一種磁通線分布圖，其中，固-液界面中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是100高斯，發(fā)生最大量氧溶出的坩鍋底部圓形區(qū)域附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度是190高斯。另一方面，圖4a和4b顯示了一種磁通線分布圖，其中，固-液界面中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是20高斯，發(fā)生最大量氧溶出的坩鍋底部圓形區(qū)域附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度是340高斯。
如上面所提到的，通過調(diào)節(jié)上、下磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度或固-液界面處的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度之比，就能夠?qū)崿F(xiàn)硅單晶結(jié)晶塊和晶片的高成品率，這些硅單晶結(jié)晶塊和晶片具有客戶所需的各種氧含量，例如氧含量小于9.5ppma，等于9.5ppma或以上，等于11.5ppma或以下，大于11.5ppma以及等于14ppma或以下。
也就是說，本發(fā)明的目的在于，在生產(chǎn)無晶體缺陷的高質(zhì)量硅單晶的同時(shí)，把氧含量這個(gè)主要質(zhì)量指標(biāo)控制為所需的值。為此，向硅熔體施加非平衡磁場(chǎng)分布，以便控制石英坩鍋的氧溶出部位處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使其值與固-液界面處的磁場(chǎng)強(qiáng)度值不同。
另外，在室10的上方安裝盤繞裝置(未示出)，以便盤繞繩索，晶種位于該繩索的末端并接觸石英坩鍋20內(nèi)的硅熔體SM，因此，在一邊盤繞繩索一邊使晶種上升的過程中，硅單晶結(jié)晶塊IG就相應(yīng)地生長(zhǎng)出來。在硅單晶結(jié)晶塊IG的生長(zhǎng)期間，盤繞裝置在盤繞繩索的同時(shí)還進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其中，在硅單晶結(jié)晶塊IG與坩鍋20的旋轉(zhuǎn)軸30同軸但反向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，將該硅單晶結(jié)晶塊IG提升起來。
經(jīng)由室10的頂部，向正在生長(zhǎng)的單晶結(jié)晶塊IG和硅熔體SM供給氬、氖(Ne)及氮等不活潑氣體，所使用的不活潑氣體經(jīng)由室10的下部排出。
優(yōu)選的是，在硅單晶結(jié)晶塊IG和坩鍋20之間設(shè)置熱屏蔽50，它圍繞著結(jié)晶塊IG，以便防止結(jié)晶塊IG的熱散逸。還優(yōu)選的是，在熱屏蔽50最接近于硅單晶結(jié)晶塊IG的部分上還安裝圓筒形熱罩60，以進(jìn)一步隔斷熱量流動(dòng)從而保存熱量。
下面參考圖1進(jìn)行更詳細(xì)的描述，圖1顯示了硅熔體的溫度梯度分布和等溫線，這是沿著平行于硅單晶結(jié)晶塊徑向的軸線測(cè)量的。
縱觀硅熔體SM的溫度，發(fā)現(xiàn)峰值溫度位于坩鍋20側(cè)邊最接近于熱源或加熱器40的一部分硅熔體SM中(圖1中以TP指示的區(qū)域)，而最低溫度，也就是凝固溫度，位于發(fā)生晶體生長(zhǎng)的固-液界面處。
沿著平行于單晶結(jié)晶塊IG徑向的軸線測(cè)量硅熔體SM的溫度梯度時(shí)，該溫度梯度變成垂直的瞬時(shí)梯度，最好在位于硅單晶結(jié)晶塊IG下方的硅熔體部分中測(cè)量這一瞬時(shí)梯度。
高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊優(yōu)選在測(cè)量的溫度梯度滿足下列方程1的條件下生長(zhǎng)(ΔTmax-ΔTmin)/ΔTmin)×100≤10............方程1其中，ΔTmax是測(cè)量的最大溫度梯度，ΔTmin是測(cè)量的最小溫度梯度(參考韓國(guó)專利申請(qǐng)公開No.2004-98530)。
另外，參考圖2，它顯示了沿著平行于單晶結(jié)晶塊縱向的軸線測(cè)量的硅熔體的溫度梯度分布，本發(fā)明的硅熔體中具有熱區(qū)域(圖1中以TH指示的區(qū)域)，該區(qū)域相對(duì)于周圍的區(qū)域來說更熱一些，且本發(fā)明特別控制從熱區(qū)域TH上方到它下方的區(qū)域內(nèi)的溫度梯度。
當(dāng)沿著平行于硅單晶結(jié)晶塊IG縱向的軸線X測(cè)量硅熔體SM的溫度時(shí)，該硅熔體SM的溫度，從固-液界面開始，按照與結(jié)晶塊IG的距離成比例地逐漸上升到峰值或最熱點(diǎn)H，然后，從該最熱點(diǎn)H開始，逐漸下降到與結(jié)晶塊IG距離最遠(yuǎn)的硅熔體SM底部。
這種情況下，硅單晶結(jié)晶塊IG優(yōu)選在維持ΔTi＞ΔTd的條件下生長(zhǎng)，其中，ΔTi表示硅熔體的從固-液界面上升到最熱點(diǎn)H的溫度梯度，ΔTd表示硅熔體的從最熱點(diǎn)H下降到熔體底部的溫度梯度。作為指示溫度測(cè)量位置的參考的軸線X，優(yōu)選是穿過硅單晶結(jié)晶塊IG中心的中心軸。
優(yōu)選的是，最熱點(diǎn)H存在于從硅熔體SM頂部算起、該硅熔體整個(gè)深度的大約1/5～2/3位置處(見韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2004-0098530)。
此外，隨著坩鍋旋轉(zhuǎn)速度的降低，硅熔體沿徑向的溫度梯度降低，這使硅熔體沿徑向的溫度分布變得均勻。因此，坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)盡可能地降低，以使硅熔體的溫度沿單晶結(jié)晶塊的徑向均勻分布(見韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2004-0098530)。
而且，為了以高的生產(chǎn)率生產(chǎn)高質(zhì)量單晶，單晶結(jié)晶塊IG的旋轉(zhuǎn)速度的操作范圍應(yīng)視坩鍋20的旋轉(zhuǎn)速度而定。
相對(duì)于坩鍋的慢速旋轉(zhuǎn)來說，如果硅單晶結(jié)晶塊旋轉(zhuǎn)太快，冷卻的硅熔體就會(huì)從坩鍋底部升起。結(jié)果，就降低了熱區(qū)域的溫度，因而使得硅熔體的垂直溫度梯度下降。
因此，優(yōu)選的是，硅單晶結(jié)晶塊在滿足下列方程2的條件下進(jìn)行生長(zhǎng)3≤Ln[Vs/Vc]≤5............方程2其中，Vc表示坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度，Vs表示硅單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度。
通過如上所述對(duì)硅熔體的溫度分布的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)能容易地得到無晶體缺陷的高質(zhì)量單晶，且生長(zhǎng)速率有了顯著的提高。
這個(gè)現(xiàn)象來源于以下事實(shí)隨著從固-液界面上升到最熱點(diǎn)的硅熔體溫度梯度的增大，使原子和分子形態(tài)的生長(zhǎng)單元向著晶體生長(zhǎng)界面遷移的驅(qū)動(dòng)力也增大。結(jié)果，能提高晶體的拉拔速率或高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)速率，這就使空位和間隙等點(diǎn)缺陷最少。
通過上面提及的加熱器的改進(jìn)、磁場(chǎng)的應(yīng)用以及坩鍋和單晶的旋轉(zhuǎn)速度的控制，借助于所謂的“隧道效應(yīng)(channel effect)”，就可以如上所述優(yōu)化硅熔體沿著單晶結(jié)晶塊徑向和縱向的溫度分布。
隧道效應(yīng)是指沿著圖4b所示的假想隧道100、從熔體的最熱區(qū)域到高溫區(qū)域的最小損失熱傳遞。這樣的隧道效應(yīng)能增大熔體的上升溫度梯度，即，從固-液界面到高溫區(qū)域范圍內(nèi)的熔體部分的溫度梯度。于是，坩鍋底部相對(duì)變涼，從而限制了那里的氧溶出。
利用上面提到的方法，本發(fā)明能控制空位和間隙等點(diǎn)缺陷，從而抑制位錯(cuò)生長(zhǎng)缺陷(例如刃型、螺型和環(huán)型位錯(cuò))、堆垛層錯(cuò)和空穴(聚集空位的形式)等各種缺陷。
近來，硅晶片制造技術(shù)的發(fā)展，使得不含有上述聚集點(diǎn)缺陷的無缺陷晶片得以實(shí)現(xiàn)。盡管濃度并沒有高到會(huì)發(fā)生聚集的程度，但是，在半導(dǎo)體器件的實(shí)際制造過程的熱處理期間，相對(duì)較高濃度的空位和氧會(huì)在器件活性區(qū)域附近產(chǎn)生微析出之類的二次缺陷。
然而，前面所述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的裝置和方法，能充分降低其生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊中的空位濃度，因此，微析出之類的缺陷就不會(huì)在器件活性區(qū)域附近形成。也就是說，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率的晶片，其含有的點(diǎn)缺陷濃度處于會(huì)在熱處理期間形成微析出的空位臨界飽和濃度以下。在這樣的情況下，韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2004-0098530報(bào)道了熱處理?xiàng)l件和結(jié)果。
過去，晶片的中央部分是無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域，它的周圍是無間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域(見圖5a)。然而，由于晶片制造技術(shù)的發(fā)展，它們的分布現(xiàn)在被顛倒過來了。因此，如同本發(fā)明，無間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域可以形成于硅結(jié)晶塊和晶片的中央部分，無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域可以形成于周邊部分(見圖5b和5c)。而且，甚至可以獲得具有平衡的間隙-空位濃度而沒有任何間隙富集區(qū)或空位富集區(qū)的平衡區(qū)域。
此外，由于本發(fā)明基于流體機(jī)制，即，單晶生長(zhǎng)時(shí)，硅熔體的溫度分布關(guān)于中心是非對(duì)稱的，因此，總會(huì)發(fā)現(xiàn)間隙和空位占優(yōu)勢(shì)區(qū)域關(guān)于結(jié)晶塊縱向的中心軸是基本非對(duì)稱的。然而，這并沒有在獲得高質(zhì)量單晶結(jié)晶塊和晶片方面帶來任何問題。也就是說，按照本發(fā)明制造的硅晶片中，間隙占優(yōu)勢(shì)區(qū)域與空位占優(yōu)勢(shì)區(qū)域關(guān)于晶片中心可以是非對(duì)稱的。
通常，硅熔體中存在兩種對(duì)流體(convection cell)，即，硅熔體SM的對(duì)流分布分為外區(qū)域?qū)α骱蛢?nèi)部對(duì)流，所述外區(qū)域?qū)α餮刂徨伒撞亢蛡?cè)壁上升到硅熔體SM的頂部，然后沿著硅熔體SM的頂部向單晶結(jié)晶塊循環(huán)，所述內(nèi)部對(duì)流沿著周邊的內(nèi)斜面在鄰近于單晶結(jié)晶塊底部處循環(huán)。
本發(fā)明優(yōu)選的熔體對(duì)流的例子在韓國(guó)專利申請(qǐng)No.2000-0071000和No.2003-0080998中有詳細(xì)的描述，這樣做能使單晶質(zhì)量在其徑向上更加均勻。
本發(fā)明將通過下面的例子進(jìn)行更詳盡的描述，在這些例子中生長(zhǎng)了200mm的硅單晶結(jié)晶塊。然而，應(yīng)該理解的是，下面的例子僅僅用于解釋的目的，而不是限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
例1具有非對(duì)稱點(diǎn)缺陷濃度分布的硅單晶結(jié)晶塊，其中，間隙在結(jié)晶塊中央占優(yōu)勢(shì)，空位在外圍圓周占優(yōu)勢(shì)。
通過調(diào)節(jié)單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度和坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度，控制硅熔體的溫度分布。單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度為13轉(zhuǎn)/分鐘到17轉(zhuǎn)/分鐘，坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度為0.3轉(zhuǎn)/分鐘到0.8轉(zhuǎn)/分鐘。為了有效地控制硅單晶結(jié)晶塊中的點(diǎn)缺陷濃度，控制硅熔體而不是硅單晶結(jié)晶塊的溫度分布。
通過增大硅熔體的從硅單晶結(jié)晶塊生長(zhǎng)界面到10mm至100mm深度部分的垂直溫度梯度，結(jié)晶塊中央處間隙-空位轉(zhuǎn)變的極限拉拔速率有了大幅提高。
選擇一個(gè)已生長(zhǎng)的單晶結(jié)晶塊的垂直剖面樣品，測(cè)量該樣品的缺陷等質(zhì)量分布。因?yàn)橹赜诳刂乒枞垠w(而不是單晶結(jié)晶塊)的溫度分布，因此，質(zhì)量區(qū)域分布關(guān)于中心是非對(duì)稱的，且間隙-空位轉(zhuǎn)變的極限拉拔速率是0.56mm/min。所得到的氧含量是限制在12.5ppma到13.5ppma范圍之內(nèi)的值。測(cè)試結(jié)果列于下面的表1中。
圖6中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖6還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖。可以看出，結(jié)晶塊中央就是該結(jié)晶塊的450mm長(zhǎng)度位置處的V/I界面，當(dāng)拉拔速率為V＝V*時(shí)，在結(jié)晶塊邊緣發(fā)現(xiàn)了與空位關(guān)聯(lián)的氧致堆垛層錯(cuò)環(huán)(OSF ring)缺陷。
例2具有非對(duì)稱點(diǎn)缺陷濃度分布的硅單晶結(jié)晶塊，其中的點(diǎn)缺陷被最大限度地控制。
除了單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度和坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度以外，還通過調(diào)節(jié)CUSP磁場(chǎng)的中心位置和磁場(chǎng)強(qiáng)度來改善硅熔體的溫度分布。單晶結(jié)晶塊和坩鍋具有與例1一樣的旋轉(zhuǎn)速度。固-液界面中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是100高斯，坩鍋底部圓形區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是190高斯。
為了最大限度地控制點(diǎn)缺陷的濃度，調(diào)節(jié)硅熔體而不是硅單晶結(jié)晶塊的溫度分布。也就是，通過增大硅熔體的從硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)界面到硅熔體30mm深度位置的垂直溫度梯度，顯著地提高單晶結(jié)晶塊的拉拔速率，因此，空位和間隙濃度都能被恰當(dāng)控制。同時(shí)，可以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的水平/垂直分量的分布，以使熱量經(jīng)由最短路徑從加熱器傳遞到熔體中心軸上的熱區(qū)域和固-液界面。
選擇一個(gè)已生長(zhǎng)的單晶結(jié)晶塊的垂直剖面樣品，測(cè)量該樣品的缺陷等質(zhì)量分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量區(qū)域分布關(guān)于中心是非對(duì)稱的，間隙-空位轉(zhuǎn)變的極限拉拔速率是0.63mm/min，而且，得到的氧含量是13ppma或更高。測(cè)試結(jié)果列于下面的表1中。
圖7中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖7還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖?？梢钥闯觯?dāng)拉拔速率為V＝V*時(shí)，在結(jié)晶塊的580mm長(zhǎng)度位置附近，沒有發(fā)現(xiàn)徑向的缺陷。
例3具有非對(duì)稱點(diǎn)缺陷濃度分布的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊，其氧含量受到控制。
除了單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度和坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度之外，還通過設(shè)置非平衡的CUSP上、下磁場(chǎng)強(qiáng)度，使熱量更有效地傳遞，并降低氧含量。單晶結(jié)晶塊和坩鍋具有與例1一樣的旋轉(zhuǎn)速度。固-液界面中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是20高斯，坩鍋底部圓形區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度是340高斯。
也就是說，提高下磁場(chǎng)強(qiáng)度來降低氧含量，將上磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)調(diào)弱，從而使熱量經(jīng)由最短路徑從加熱器傳遞到固-液界面。在這種情況下，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)以維持熱隧道的形狀一致。
選擇一個(gè)已生長(zhǎng)的單晶結(jié)晶塊的垂直剖面樣品，測(cè)量該樣品的缺陷等質(zhì)量分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量區(qū)域分布關(guān)于中心是非對(duì)稱的，間隙-空位轉(zhuǎn)變的極限拉拔速率是0.64mm/min，而且，氧含量是11ppma或更少。測(cè)試結(jié)果列于下面的表1中。
圖8中的照片顯示了根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖8還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖?？梢钥闯觯?dāng)拉拔速率為V＝V*時(shí)，在結(jié)晶塊的465mm長(zhǎng)度位置附近，沒有發(fā)現(xiàn)徑向的缺陷。
對(duì)比例如韓國(guó)專利申請(qǐng)No.1998-0026790所披露的，設(shè)置熱區(qū)以控制單晶結(jié)晶塊的溫度分布，而且，按照現(xiàn)有技術(shù)，通過引入水平強(qiáng)磁場(chǎng)來控制固-液界面形態(tài)使其朝著結(jié)晶塊凸起，從而改變結(jié)晶塊的拉拔速率，以此方式生長(zhǎng)出單晶結(jié)晶塊。
選擇一個(gè)已生長(zhǎng)的單晶結(jié)晶塊的垂直剖面樣品，測(cè)量該樣品的缺陷等質(zhì)量分布。結(jié)果觀察到，質(zhì)量區(qū)域分布關(guān)于中心是非對(duì)稱的，間隙-空位轉(zhuǎn)變的極限拉拔速率相對(duì)較低，是0.48mm/min。氧含量是限制在大約12ppma到13ppma之間的值。測(cè)試結(jié)果列于下面的表1中。
圖9中的照片顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊的軸向剖視圖，它是在氧析出熱處理后以少數(shù)載流子壽命掃描的，圖9還顯示了拉拔速率隨晶體長(zhǎng)度變化的曲線圖?？梢钥闯觯?dāng)拉拔速率為V＝V*時(shí)，在結(jié)晶塊的490mm長(zhǎng)度位置附近，沒有發(fā)現(xiàn)徑向的缺陷。
表1

R*生長(zhǎng)界面中心/坩鍋圓形區(qū)域G*生長(zhǎng)界面邊緣根據(jù)上面的描述，本發(fā)明有以下效果首先，通過將硅熔體的溫度分布控制在本發(fā)明提出的特定條件下，能夠生長(zhǎng)出具有各種氧含量的高質(zhì)量硅單晶。
此外，本發(fā)明能向硅熔體提供非平衡磁場(chǎng)，因此，從石英坩鍋溶出氧的區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同于固-液界面區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
另外，本發(fā)明能調(diào)節(jié)上、下磁場(chǎng)的強(qiáng)度和固-液界面處的垂直/水平磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，能夠以高生產(chǎn)率生長(zhǎng)單晶結(jié)晶塊，同時(shí)，結(jié)晶塊中具有滿足客戶所需規(guī)格的各種氧含量。
而且，本發(fā)明能向硅熔體引入具有強(qiáng)的下磁場(chǎng)的非平衡磁場(chǎng)，以便抑制從坩鍋底部或圓形區(qū)域溶出的氧，并使已溶出氧的遷移最小，從而降低硅單晶結(jié)晶塊中的氧含量。
除此之外，本發(fā)明能將上磁場(chǎng)強(qiáng)度與下磁場(chǎng)強(qiáng)度之比調(diào)節(jié)成適當(dāng)值，以增大固-液界面與熱區(qū)域TH之間的溫差或者上升溫度梯度，從而提高單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)速率。
結(jié)果，高的生長(zhǎng)速率就能提高高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的成品率。
進(jìn)一步地，本發(fā)明能提供點(diǎn)缺陷濃度基本上呈非對(duì)稱分布而不是常規(guī)對(duì)稱分布的硅晶片，也能提供點(diǎn)缺陷濃度低的高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊和硅晶片，它們具有的點(diǎn)缺陷濃度處于這樣一個(gè)水平熱處理不會(huì)在器件活性區(qū)域附近產(chǎn)生微析出之類的二次缺陷。
而且，通過使用從高質(zhì)量單晶結(jié)晶塊加工而成的晶片作為基底，本發(fā)明能提高電子器件的成品率。
盡管為了解釋的目的而描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但可以理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改、添加和替換，而并沒有脫離本發(fā)明在所附權(quán)利要求書中披露的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，向硅熔體施加非平衡磁場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述非平衡磁場(chǎng)是通過控制上、下磁場(chǎng)使它們具有互不相同的強(qiáng)度來形成的。
3.如權(quán)利要求2所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述上磁場(chǎng)形成于固-液界面區(qū)域，所述下磁場(chǎng)形成于坩鍋底部圓形區(qū)域的周圍。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，當(dāng)沿著平行于所述單晶結(jié)晶塊縱向的軸線、從所述硅熔體與所述單晶結(jié)晶塊之間的界面開始測(cè)量時(shí)，所述硅熔體的溫度按照與所述單晶結(jié)晶塊的距離成比例地逐漸升高直到最熱點(diǎn)，然后從該最熱點(diǎn)逐漸下降，并且采用非平衡磁場(chǎng)，使從所述坩鍋溶出的氧最少，并促進(jìn)從硅熔體最接近于加熱器的部分向界面中心或圍繞著最熱點(diǎn)的熱區(qū)域的熔體對(duì)流。
5.如權(quán)利要求2或3所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，固-液界面區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0至150高斯，發(fā)生氧溶出的坩鍋底部處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為100至400高斯。
6.如權(quán)利要求2或3所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，在所述固-液界面的邊緣，垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度與水平磁場(chǎng)強(qiáng)度之比為0.1至1.0。
7.如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述磁場(chǎng)包括CUSP磁場(chǎng)。
8.如權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述磁場(chǎng)的方向相對(duì)于所述單晶結(jié)晶塊的縱向呈垂直或水平方向。
9.如權(quán)利要求2所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述硅單晶結(jié)晶塊在以下條件中生長(zhǎng)當(dāng)沿著平行于所述單晶結(jié)晶塊縱向的軸線、從所述硅熔體與所述單晶結(jié)晶塊之間的界面開始測(cè)量時(shí)，所述硅熔體的溫度按照與所述單晶結(jié)晶塊的距離成比例地逐漸升高直到最熱點(diǎn)，然后從該最熱點(diǎn)逐漸下降，且所述硅熔體的上升溫度梯度大于它的下降溫度梯度。
10.如權(quán)利要求9所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述最熱點(diǎn)位于從所述硅熔體頂部算起、所述硅熔體整個(gè)深度的1/5～2/3位置處。
11.如權(quán)利要求1所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)方法，其中，所述硅單晶結(jié)晶塊在滿足方程3≤Ln[Vs/Vc]≤5的條件下進(jìn)行生長(zhǎng)，其中的Vc表示盛有所述硅熔體的坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度，Vs表示所述硅單晶結(jié)晶塊的旋轉(zhuǎn)速度。
12.一種對(duì)按照權(quán)利要求1～11中任何一項(xiàng)生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊進(jìn)行晶片加工來制造硅晶片的方法。
13.一種用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，包括室；設(shè)置在所述室內(nèi)用于盛放硅熔體的坩鍋；設(shè)置在所述坩鍋旁邊用于加熱所述硅熔體的加熱器；盤繞裝置，用于盤繞從所述硅熔體生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊；以及設(shè)置在所述加熱器旁邊用于向所述硅熔體引入磁場(chǎng)的磁體。
14.如權(quán)利要求13所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，其中，所述磁體適用于引入磁場(chǎng)以促進(jìn)所述硅熔體朝著所述硅單晶結(jié)晶塊中央的對(duì)流。
15.如權(quán)利要求13所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，其中，所述磁體適用于引入磁場(chǎng)，使從所述坩鍋溶出的氧最少。
16.如權(quán)利要求13所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，還包括設(shè)置在所述硅單晶結(jié)晶塊與所述坩鍋之間的熱屏蔽，該熱屏蔽圍繞著所述硅單晶結(jié)晶塊，用于屏蔽從所述硅單晶結(jié)晶塊輻射的熱量。
17.如權(quán)利要求16所述的硅單晶結(jié)晶塊的生長(zhǎng)裝置，還包括圓筒形熱掩體，其設(shè)置在所述熱屏蔽最接近于硅單晶結(jié)晶塊的部分上，該熱掩體圍繞著所述硅單晶結(jié)晶塊。
18.一種由柴氏長(zhǎng)晶法所生長(zhǎng)的硅單晶制成的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域和無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于晶片中心基本上非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
19.如權(quán)利要求18所述的硅晶片，其中，間隙氧含量低于9.5ppma。
20.如權(quán)利要求18所述的硅晶片，其中，間隙氧含量為9.5ppma至11.5ppma。
21.如權(quán)利要求18所述的硅晶片，其中，間隙氧含量為11.5ppma至14ppma。
22.一種用柴氏長(zhǎng)晶法生長(zhǎng)的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域位于所述硅單晶結(jié)晶塊的中央部分。
23.如權(quán)利要求22所述的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域被第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著。
24.如權(quán)利要求22或23所述的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
25.如權(quán)利要求22或23所述的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域和第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于所述結(jié)晶塊的中心軸基本上非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
26.如權(quán)利要求24所述的硅單晶結(jié)晶塊，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域以及第一和第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于所述晶片平面中心非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
27.一種由柴氏長(zhǎng)晶法所生長(zhǎng)的硅單晶制成的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域位于晶片平面的中央部分。
28.如權(quán)利要求27所述的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域被第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著。
29.如權(quán)利要求27或28所述的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域包圍著第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域。
30.如權(quán)利要求27或28所述的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域和第一無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于晶片平面中心非對(duì)稱地分布在該晶片平面中。
31.如權(quán)利要求29所述的硅晶片，其中，無自間隙占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域以及第一和第二無空位占優(yōu)勢(shì)缺陷區(qū)域關(guān)于晶片平面中心非對(duì)稱地分布在晶片平面中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用柴氏長(zhǎng)晶法、以高生產(chǎn)率生產(chǎn)高質(zhì)量硅單晶結(jié)晶塊的技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)能控制氧溶出區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使其不同于固－液界面區(qū)域處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而將氧含量控制為所需值。
文檔編號(hào)C30B29/06GK1904147SQ20061005825
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2006年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者趙鉉鼎 申請(qǐng)人:希特隆股份有限公司