專利名稱：用于制造單晶的設(shè)備和方法、單晶及半導(dǎo)體晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造僅被鐵輕微污染的半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備。本發(fā)明還涉及用于制造該單晶的方法。此外，本發(fā)明還涉及根據(jù)該方法制造的半導(dǎo)體材料單晶以及從該單晶切下的半導(dǎo)體晶片。
背景技術(shù)：
一種合適的設(shè)備包括一個(gè)其中具有嵌入由含碳材料制成的支撐坩堝中的坩堝的室、用于加熱該坩堝的加熱器以及設(shè)置在該加熱器與該坩堝之間的用于保護(hù)該室的絕熱材料。通常還有包圍生長(zhǎng)著的晶體的輻射護(hù)板，其用于控制單晶的冷卻速率，并使得用于在制造單晶期間清洗該裝置的惰性氣體轉(zhuǎn)向。
根據(jù)JP-2000327485 A可制造其中鐵濃度低于2×109原子/cm3的硅單晶。為了制造該單晶，需要在復(fù)雜的方法中提純多晶中間產(chǎn)物。但是在本發(fā)明的僅被鐵輕微污染的意義上，所述濃度對(duì)于單晶仍是不足的。而重要的是，即使在單晶的邊緣區(qū)域內(nèi)也存在低的鐵濃度。例如Barraclough，K.G.及Ward，P.J.(Proc.Electrochem.Soc.，83-9，388-395(1983))觀察到，通過基于氣相傳輸?shù)脑?，鐵達(dá)到單晶邊緣，由此向單晶內(nèi)擴(kuò)散，單晶邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度明顯提高。為了抵消該現(xiàn)象，該文獻(xiàn)中特別建議用由鉬制成的支架代替由不銹鋼組成的晶種支架。
根據(jù)WO 02/057518 A2可制造其中邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度低于0.8ppta(3.99×1010原子/cm3)的硅單晶。為了達(dá)到該結(jié)果，由含碳材料組成的設(shè)備的所有裝置必須含有鐵含量特別低的材料，并且該材料必須由鐵含量同樣特別低的碳化硅層加以封裝。
WO 01/81661 A1建議使用經(jīng)涂覆的管以控制惰性氣體流，其中涂層應(yīng)含有最高0.5ppm的鐵。根據(jù)所述方法可制造其中鐵濃度不高于1×1010原子/cm3的單晶半導(dǎo)體硅晶片。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以經(jīng)濟(jì)地制造鐵濃度不超過1×109原子/cm3的半導(dǎo)體材料單晶的選擇，其鐵濃度即使在該單晶的邊緣區(qū)域內(nèi)以及在從該單晶切下的晶片的邊緣區(qū)域內(nèi)也不超過該濃度值。
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備，其包括一個(gè)室以及設(shè)置在該室內(nèi)的由坩堝加熱器包圍的坩堝，用于屏蔽生長(zhǎng)著的單晶的輻射護(hù)板以及在該坩堝加熱器與該室的內(nèi)壁之間的絕熱材料，其特征在于，該設(shè)備還包括用于密封該內(nèi)壁與該絕熱材料之間的縫隙并且形成氣態(tài)羰基鐵向該單晶傳輸?shù)恼系K的彈性密封材料。
本發(fā)明還涉及通過從設(shè)置在一個(gè)室內(nèi)并且被坩堝加熱器包圍的坩堝拉伸單晶以制造半導(dǎo)體材料單晶的方法，其特征在于，用彈性密封材料密封在絕熱材料與該室的內(nèi)壁之間的縫隙，該密封材料形成氣態(tài)羰基鐵向該單晶傳輸?shù)恼系K。
此外，本發(fā)明還涉及根據(jù)該方法制造的半導(dǎo)體材料單晶，其包括具有圓周、半徑R及邊緣區(qū)域的圓柱形區(qū)域，該邊緣區(qū)域從該圓周向該單晶內(nèi)徑向延伸至最多R-5毫米的距離并且具有一定的鐵濃度，其特征在于，該邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度低于1×109原子/cm3。
最后，本發(fā)明還涉及從該單晶切下的具有圓周、半徑R及邊緣區(qū)域的半導(dǎo)體晶片，該邊緣區(qū)域從該圓周向該半導(dǎo)體晶片內(nèi)徑向延伸至最多R-5毫米的距離并且具有一定的鐵濃度，其特征在于，該邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度低于1×109原子/cm3。
該半導(dǎo)體材料優(yōu)選為硅，任選與鍺和/或光電半導(dǎo)體化合物、磁電半導(dǎo)體化合物相結(jié)合?？梢耘c所制單晶或所制半導(dǎo)體晶片的直徑無關(guān)地利用本發(fā)明。但直徑特別優(yōu)選為150毫米、200毫米及300毫米。
本發(fā)明的發(fā)明人將該室視為鐵污染該單晶的主要來源，該室通常由經(jīng)冷卻的容器形成，其壁由含鐵合金，特別是不銹鋼組成。有人推測(cè)由于熱輻射該室的含碳裝置，特別是支撐坩堝及絕熱材料而形成的一氧化碳經(jīng)惰性氣流并通過擴(kuò)散到達(dá)該室的內(nèi)壁。于仍超過100℃的熱內(nèi)壁處形成揮發(fā)性的羰基鐵，其可在絕熱材料與該室的內(nèi)壁之間的縫隙內(nèi)到達(dá)生長(zhǎng)著的單晶。在與數(shù)百攝氏度的熱單晶相接觸時(shí)，羰基鐵在其形成反應(yīng)的逆反應(yīng)中分解成元素鐵及一氧化碳。在主要的溫度下，鐵擴(kuò)散進(jìn)入單晶的邊緣區(qū)域內(nèi)，并使此處的鐵濃度提高。由該機(jī)理，鐵還分布在該設(shè)備的一些裝置上，這些裝置足夠熱以使羰基鐵分解。這些裝置例如包括支撐坩堝、用于保護(hù)該室的絕熱材料以及輻射護(hù)板。
以前建議的用于降低鐵對(duì)單晶的污染的措施并不將室壁視為污染源，這些措施無法在經(jīng)濟(jì)上令人滿意地解決問題。
根據(jù)本發(fā)明，在絕熱材料與該室的壁之間的縫隙在至少一個(gè)位置上由彈性密封材料密封，使得氣態(tài)羰基鐵必須越過該障礙，才能夠沿該室的內(nèi)壁向上并隨后到達(dá)單晶。即使緊密填充絕熱材料，由于制造誤差，在絕熱材料與該室的內(nèi)壁之間仍存在縫隙。但通常有意地設(shè)置縫隙，以允許絕熱材料及其固定裝置的熱膨脹所需的膨脹移動(dòng)的空間。
根據(jù)本發(fā)明的密封材料可以彈性變形，并可裝入縫隙內(nèi)，從而即使在考慮了熱膨脹的情況下仍使該縫隙保持封閉。該密封材料可以在整個(gè)縫隙內(nèi)延伸，即可以完全填充該縫隙。但是僅出于經(jīng)濟(jì)方面的原因，優(yōu)選節(jié)約密封材料從而保留部分縫隙。特別優(yōu)選形成環(huán)形密封材料，其優(yōu)選延伸50至200毫米，特別優(yōu)選約100毫米的軸向?qū)挾?，其中更多的環(huán)還可以上下重疊地排列。但原則上該密封材料足以形成以垂直單晶軸的方向延伸的障礙，其限制氣態(tài)羰基鐵沿該室的內(nèi)壁向該單晶傳輸。在利用該密封材料制造的單晶的邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度比在其他條件相同但不使用密封材料制造的單晶內(nèi)的鐵濃度至少低50％時(shí)，則認(rèn)為該傳輸受到限制。除了單晶邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度，還可以考慮從該單晶切下的半導(dǎo)體晶片的邊緣區(qū)域內(nèi)的濃度。所述邊緣區(qū)域是從單晶的圓周或由其切下的半導(dǎo)體晶片的圓周朝其內(nèi)部徑向延伸優(yōu)選直至5毫米距離的區(qū)域。優(yōu)選在從圓周的徑向距離為1、2、3、4或5毫米的位置處測(cè)量鐵濃度。
密封材料由彈性材料，優(yōu)選石墨氈組成，其包含碳化或石墨化的碳纖維。該材料的彈性優(yōu)選足以圍繞直徑為50至80毫米的測(cè)試棒無斷裂地以垂直或沿著材料幅面的纏繞方向單層纏繞。根據(jù)DIN 52143，該材料的斷裂伸長(zhǎng)率在沿著材料幅面方向上優(yōu)選為2至5％，在垂直材料幅面方向上優(yōu)選為13至20％。根據(jù)DIN 53887，該材料在300Pa的氮?dú)鈮毫Σ钕碌臍怏w滲透率優(yōu)選為25至50cm3/(cm2·s)。根據(jù)DIN ISO 8658，該材料的鐵含量?jī)?yōu)選小于0.3mg/kg。特別優(yōu)選為SGL Carbon制造商的Sigratherm牌GFA 10型的石墨氈。該材料是厚度為9至10毫米的幅面的形式。以多層或迷宮式密封的折疊狀態(tài)還適合于密封在該室的內(nèi)壁與絕熱材料之間的厚度大于幅面厚度的縫隙。
用于實(shí)現(xiàn)上述目的而建議的額外措施在于，該室的內(nèi)壁具有陶瓷涂層。特別優(yōu)選為氧化鋁涂層。該涂層阻止一氧化碳與該室的內(nèi)壁直接接觸，從而降低羰基鐵的形成。
可以與彈性密封材料及陶瓷涂層相結(jié)合或者僅與彈性密封材料相結(jié)合的另一個(gè)措施在于設(shè)計(jì)用于冷卻該單晶的活性冷卻系統(tǒng)。術(shù)語(yǔ)活性冷卻系統(tǒng)應(yīng)理解為利用輸入的能量帶走熱量的冷卻裝置，例如根據(jù)熱交換原理工作的裝置?；钚岳鋮s系統(tǒng)例如還用于控制硅單晶中缺陷的形成，并且可為圍繞著生長(zhǎng)著的單晶的通常存在的輻射護(hù)板的部件。它們用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的貢獻(xiàn)在于在生長(zhǎng)著的單晶的表面上以及在其周圍提供使羰基鐵不再熱分解的溫度。集成在輻射護(hù)板內(nèi)的合適的活性冷卻系統(tǒng)的實(shí)例如第5,567,399號(hào)美國(guó)專利所述。
作為另一個(gè)額外的措施，最后建議以規(guī)則的間隔替換位于該室內(nèi)并且在制造單晶期間被加熱至超過200℃的溫度的絕熱材料及由含碳材料制成的所有其他裝置。在從其表面上清除了沉積的鐵之后，這些裝置任選可以繼續(xù)使用。
下面參考附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案。


圖1所示為用于根據(jù)Czochralski法制造半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示為用于根據(jù)Czochralski法制造半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備的示意圖，其中該附圖局限于顯示有助于理解本發(fā)明的附圖標(biāo)記。加粗的實(shí)心箭頭表示通常用于清洗該室的惰性氣體流的主要方向。虛線箭頭表示，如果不根據(jù)本發(fā)明加以阻止則羰基鐵可到達(dá)單晶的途徑。該設(shè)備包括室1，其中設(shè)置有坩堝2及其他裝置，它們?cè)谥圃靻尉?時(shí)發(fā)揮作用。這些裝置包括用于從坩堝2內(nèi)所包含的熔融體5拉伸單晶3的機(jī)械裝置、設(shè)置在軸6上的用于支撐坩堝2的支撐坩堝7以及圍繞該坩堝的坩堝加熱器8。通過絕熱材料10保護(hù)該室的內(nèi)壁9不被坩堝加熱器8加熱。作為其他裝置，通常還在其他位置上設(shè)置有絕熱材料，例如在軸6及該室底部的范圍內(nèi)的絕熱材料。絕熱材料10與該室的內(nèi)壁9之間的縫隙11用彈性密封材料12加以密封。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案，密封材料12設(shè)計(jì)為環(huán)形。生長(zhǎng)著的單晶3由輻射護(hù)板13圍繞，其本身可包括絕熱元件，并且固定在支撐體16上。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案，除了輻射護(hù)板以外或者集成在其中，還存在用于冷卻該單晶的活性冷卻系統(tǒng)14。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的具體實(shí)施方案，該室的內(nèi)壁9還額外設(shè)置有陶瓷涂層15，其阻止一氧化碳與來自壁材料的鐵反應(yīng)生成羰基鐵。涂層15僅在圖中象征性地示出。
實(shí)施例在用于拉伸單晶的設(shè)備中，該設(shè)備包括于附圖中以標(biāo)記1所示的不具有內(nèi)壁9的涂層15但尤其具有軸向?qū)挾燃s為100毫米的環(huán)形彈性密封材料12的裝置，拉伸直徑為200毫米的棒狀硅單晶，并測(cè)定從該單晶切下的晶片的邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度。所測(cè)的晶片從棒的相同軸向位置上取下。A型晶片來自利用其中省略了本發(fā)明彈性密封材料的設(shè)備制造的單晶。提供B型晶片的單晶是在相同的設(shè)備中制成的，但區(qū)別在于該室內(nèi)壁與絕熱材料之間的縫隙由以垂直于單晶軸的方向延伸的由SigrathermGFA 10型石墨氈制成的環(huán)加以密封。除了彈性密封材料以外還使用集成在輻射護(hù)板內(nèi)的活性冷卻系統(tǒng)，以制造提供C型晶片的單晶。在距晶片的邊緣R為1毫米、3毫米及5毫米的徑向距離的三個(gè)位置上測(cè)定鐵濃度的結(jié)果匯總于下表中。邊緣區(qū)域以外的鐵濃度均不高于邊緣區(qū)域。根據(jù)ASTMF 391測(cè)量濃度。
表

結(jié)果表明，通過制備密封材料，鐵濃度可以至少降低50％。C型晶片內(nèi)的鐵濃度在測(cè)試位置上甚至低于1×109原子/cm03的測(cè)量極限(NWG)。
權(quán)利要求
1.用于制造半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備，其包括一個(gè)室以及設(shè)置在該室內(nèi)的由坩堝加熱器包圍的坩堝、用于屏蔽生長(zhǎng)著的單晶的輻射護(hù)板以及在該坩堝加熱器與該室的內(nèi)壁之間的絕熱材料，其特征在于，該設(shè)備還包括用于密封在該內(nèi)壁與該絕熱材料之間的縫隙并且形成氣態(tài)羰基鐵向該單晶傳輸?shù)恼系K的彈性密封材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述密封材料使羰基鐵向所述單晶的傳輸降低至少50％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述彈性密封材料被設(shè)計(jì)為環(huán)形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述彈性密封材料由含有碳化或石墨化的碳纖維的石墨氈組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用于冷卻所述生長(zhǎng)著的單晶的活性冷卻系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括涂覆在所述內(nèi)壁上的陶瓷涂層。
7.通過從設(shè)置在一個(gè)室內(nèi)并且被坩堝加熱器包圍的坩堝拉伸單晶以制造半導(dǎo)體材料單晶的方法，其特征在于，用彈性密封材料密封在絕熱材料與該室的內(nèi)壁之間的縫隙，該密封材料形成氣態(tài)羰基鐵向該單晶傳輸?shù)恼系K。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，羰基鐵向所述單晶的傳輸被降低至少50％。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述單晶被活性冷卻。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的方法，其特征在于，所述室的內(nèi)壁涂覆有陶瓷涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10之一所述的方法，其特征在于，以規(guī)則的間隔從所述室的含碳裝置的表面上清除沉積的鐵。
12.半導(dǎo)體材料單晶，其包括具有圓周、半徑R及邊緣區(qū)域的圓柱形區(qū)域，該邊緣區(qū)域從該圓周向該單晶內(nèi)徑向延伸至最多R-5毫米的距離并且具有一定的鐵濃度，其特征在于，所述鐵濃度低于1×109原子/cm3。
13.半導(dǎo)體晶片，其具有圓周、半徑R及邊緣區(qū)域，該邊緣區(qū)域從該圓周向該半導(dǎo)體晶片內(nèi)徑向延伸至最多R-5毫米的距離并且具有一定的鐵濃度，其特征在于，該邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度低于1×109原子/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制造半導(dǎo)體材料單晶的設(shè)備和方法。該設(shè)備包括一個(gè)室以及設(shè)置在該室內(nèi)的由坩堝加熱器包圍的坩堝、用于屏蔽生長(zhǎng)的單晶的輻射護(hù)板以及在該坩堝加熱器與該室的內(nèi)壁之間的絕熱材料。該設(shè)備的特征在于用于密封在該內(nèi)壁與該絕熱材料之間的縫隙并且形成氣態(tài)羰基鐵向該單晶傳輸?shù)恼系K的彈性密封材料。本發(fā)明還涉及使用該裝置、所制的單晶以及由此切下的半導(dǎo)體晶片制造半導(dǎo)體材料單晶的方法。該單晶及半導(dǎo)體晶片的特征在于邊緣區(qū)域，該邊緣區(qū)域從圓周向該單晶或該半導(dǎo)體晶片內(nèi)徑向延伸至最多R－5毫米的距離并且具有一定的鐵濃度，其中該邊緣區(qū)域內(nèi)的鐵濃度低于1×10
文檔編號(hào)C30B15/00GK101024894SQ20071000214
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者拉斯洛·法布里, 岡特·斯特雷貝爾, 漢斯·厄爾克魯格 申請(qǐng)人:硅電子股份公司