專利名稱：一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體和熔體界面處的溫度梯度及熱歷史的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體和熔體界面處的溫 度梯度及熱歷史的方法，特別是對硅單晶生長中微缺陷形成的控制方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體硅單晶大部分采用直拉法制造。在這種方法中，多晶硅被裝進(jìn) 石英坩堝內(nèi)，加熱熔化，然后將熔硅略作降溫，給予一定的過冷度，把一 支特定晶向的硅單晶體(稱作籽晶)與熔體硅接觸，通過調(diào)整熔體的溫度 和籽晶向上提升速度，使籽晶體長大至接近目標(biāo)直徑時(shí)，提高提升速度， 使單晶體接近恒定直徑生長。在生長過程的末期，此時(shí)柑堝內(nèi)的硅熔體尚
未完全消失，通過增加晶體的提升速度和調(diào)整向坩堝提供的熱量將晶體直 徑漸漸減小而形成一個(gè)尾形錐體，當(dāng)錐體的尖端足夠小時(shí)，晶體就會(huì)與熔 體脫離，從而完成晶體的生長過程。
集成電路制造對直拉硅單晶內(nèi)的缺陷分布和尺寸有很高要求， 一般來 說，這些缺陷是在晶體生長和冷卻過程中形成并長大的。微缺陷的形成階 段主要受晶體生長界面影響，晶體生長界面越平坦越不利于微缺陷的形 成，同時(shí)也提高了晶體內(nèi)缺陷、雜質(zhì)、電阻率等分布的徑向均勻性。
晶體生長過程溫度很高，固液界面處的溫度為硅的熔點(diǎn)1413°C，即
使在晶體生長后期晶體上方溫度較低的區(qū)域也有ioocrc，溫度梯度的存 在會(huì)在硅單晶內(nèi)造成很大的熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力升高到一定程度會(huì)誘生位錯(cuò) 等微缺陷的形成，而平坦的生長界面可以有效降低生長界面上方晶體內(nèi)的 熱應(yīng)力，減少微缺陷產(chǎn)生。
另一方面COPs等微缺陷的長大受晶體熱歷史的影響，當(dāng)COPs已經(jīng) 形核后在115(TC-108CrC這一溫度會(huì)迅速長大，所以減少晶體在這期間的
保溫時(shí)間會(huì)有效限制微缺陷的長大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體和熔體界 面形狀及熱歷史的方法，該方法使用方便，效果好。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案這種控制直拉硅單晶生長過程中晶體和熔體界面處的溫度梯度及熱歷史的方法
(1) 在單晶爐爐室的上方增加頂部加熱器，來控制直拉硅單晶生長 過程熱場分布，使晶體生長界面處徑向溫度梯度降低，即控制晶體生長過 程中界面形狀；
(2) 控制晶體在冷卻過程中不同溫度階段經(jīng)歷的時(shí)間(硅單晶的熱 歷史)，在晶體離開生長界面向上提拉的過程中，逐漸改變頂部加熱器的
功率，使晶體的熱歷史中停留在115crc-i08crc溫度區(qū)間的時(shí)間長度減少， 以控制"空位"或"間隙原子"的分布和數(shù)量，也可以限制其尺寸長大。 可以在晶體冷卻室下方到熱屏上方之間的爐室空間內(nèi)設(shè)置頂部加熱器。
當(dāng)晶體頂端上升到距離頂部加熱器10mm-20mm時(shí)開始加熱，在晶 體完全從熔體中提拉出來之前保持頂部加熱器上端面以下到熔體之間的 晶體溫度保持在120CTC以上。
當(dāng)晶體完全脫離溶液面以后，以200mm/hr-700mm/hr的速度上升
到冷卻室中冷卻，關(guān)閉頂部加熱器，使晶體溫度停留在115crc-i08crc區(qū)
段的時(shí)間很短，控制在10min-45min，隨晶體直徑增大時(shí)間會(huì)相應(yīng)加長。
晶體在冷卻室內(nèi)40crc-80crc冷卻時(shí)間要在3個(gè)小時(shí)以上。
晶體生長過程中，隨晶體長度增加，晶體的表面積增大，沿晶體表面 通過熱輻射或氣體對流散失的熱量逐漸增多，特別是在直徑較大的晶體生 長過程中表面散熱更顯著，這使得晶體內(nèi)溫度梯度增大，熱應(yīng)力升高，生 長界面向晶體方向的彎曲幅度增大。在頂部加熱器施加一定功率，提高熔 體上方熱場溫度，補(bǔ)充晶體表面熱量散失，使晶體生長界面凸出徑向溫度 梯度降低，當(dāng)頂部加熱器帶來的熱量大致可以補(bǔ)償晶體表面的熱量散失 時(shí)，可以使晶體生長界面變得相對更加平坦，抑制微缺陷的形成。同時(shí)在 晶體離開生長界面向上提拉的過程中，逐漸改變后繼頂部加熱器的功率， 使晶體的熱歷史中停留在115CrC-1080。C溫度區(qū)間的時(shí)間長度減少，抑制
微缺陷的長大。
所述的頂部加熱器的加熱功率可在2kw-0kw之間。頂部加熱器的安 裝位置可采用其下緣距離熱屏上端面的距離為10-30mm。
頂部加熱器內(nèi)直徑可為所拉制硅單晶直徑的115%-120%，頂部加熱 器高度H可為20mm-40mm，電極板厚度可為3mm-5mm。本發(fā)明是控制直拉硅單晶生長過程熱場分布，改變后繼頂部加熱器的 功率，控制生長界面向晶體彎曲幅度，控制晶體在冷卻過程中不同溫度階 段經(jīng)歷的時(shí)間，限制空位和間隙原子等缺陷的形核，從而在一定程度上限 制COPS等微缺陷的長大，同時(shí)可以減緩晶體內(nèi)溫度梯度，降低熱應(yīng)力， 抑制因熱應(yīng)力過高而誘生的微缺陷。本發(fā)明的方法使用方便，效果好。


圖1:切克勞斯基(直拉)法制造硅單晶的單晶爐剖面圖(顯示的晶 體處于等徑階段)
圖2:頂部加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3:使用和未使用頂部(后繼)加熱器后晶體生長界面形狀變化曲
線
圖4。使用頂部加熱器前熱場溫度分布 圖4b:使用頂部加熱器后熱場溫度分布
圖l、圖2中，l為籽晶、2為硅單晶、3為硅熔體、4為石英坩堝、
5為石墨制成的石英坩堝支撐器、6為石磨加熱器、7為保溫層筒、8為 碳保溫層、9為單晶爐外壁、IO為上爐室、ll為熱屏、12為頂部加 熱器、13為下爐室、14上電極腳、15加熱器電極腳、16為頂部加 熱器板。圖3中，橫座標(biāo)為與中心的距離，縱座標(biāo)為界面高度。B表示 未使用頂部(后繼)加熱器的測定數(shù)據(jù)，令表示使用頂部(后繼)加熱器 的測定數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本發(fā)明的一種直拉硅單晶爐內(nèi)溫度控制方法使用了頂部加熱器，它包 括 一個(gè)環(huán)形石墨電極，位于單晶爐爐室的上方，其直徑約為單晶直徑的 1.1倍，軸向長度為20mm-40mm，采用熱輻射方式加熱。將頂部加熱器 安裝在如圖所示單晶爐上方，當(dāng)晶體從熔體內(nèi)提拉出來后可以從頂部加熱 器中心通過，頂部加熱器由半導(dǎo)體級石墨材料制成，其上端距離單晶爐下 爐室上壁10cm，防止晶體經(jīng)加熱過程進(jìn)入上保溫筒冷卻速度過快造成內(nèi) 應(yīng)力。
頂部加熱器功率每增加0.5kw就會(huì)對熱場分布造成很大影響，所以在晶體提拉過程中加熱器功率變化幅度很小或晶體長度在某一區(qū)間變化時(shí)
基本保持不變。在晶體等經(jīng)生長過程中，頂部加熱器功率約0kw-3kw，由 于晶體上方的單晶爐內(nèi)熱場被頂部加熱器加熱，使得晶體溫度升高，晶體 內(nèi)的軸向及徑向溫度梯度都得以減小。
以生長直徑280mm，等徑長度超過700mm，晶體平均生長速度大于 30mm/hr，使用如圖1中熱屏蔽裝置的直拉硅單晶生長過程為例。在晶體 等徑長度0—350mm階段，晶體處于熔體上方高溫區(qū)域，并且受熱屏保 溫作用，沿晶體表面的熱量散失量較小，頂部加熱器施加較小的功率就可 以起到調(diào)整晶體內(nèi)溫度梯度，降低晶體生長界面向晶體凸出幅度的作用。 晶體長度0mm—200mm，頂部加熱器功率Okw;晶體長度200mm — 350mm，頂部加熱器根據(jù)晶體長度線型增長到0.5kw。
本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員熟知，當(dāng)晶體生長界面處的溫度梯度降低時(shí)，生 長界面將變得更加平坦。特別是徑向溫度梯度的減小有利于提高氧、碳含 量和電阻率的均勻性，微缺陷的形核得到控制，也有利于降低晶體內(nèi)的熱 應(yīng)力。
圖3所示為晶體長度等徑長度350mm，頂部加熱器功率分別為Okw 和0.5kw時(shí)晶體體生長界面狀況對比?？梢娫谑褂昧隧敳考訜崞骱笠好嬷?心高度減低了約7mm，變得更加平坦。
實(shí)施例2
隨晶體等徑部分長度增加，晶體表面積增大，經(jīng)晶體表面進(jìn)行的熱輻 射和被氣流傳導(dǎo)走的熱量增大。因此需要根據(jù)晶體長度變化逐漸調(diào)整頂部 加熱器功率，最大功率可以達(dá)到3kw。其作用包括維持熔體上方熱場溫度， 使得各部分晶體沿軸向有一致的熱歷史；同時(shí)使晶體在進(jìn)入上爐室(又稱
冷卻室)冷卻前在H5crc-i08crc的溫度區(qū)間停留時(shí)間減少，從而抑制
COPs的長大。
圖4所示為通過計(jì)算機(jī)模擬得到的晶體長度等徑長度700mm時(shí)，在 相同的主加熱器功率下，頂部加熱器功率分別為Okw和6kw時(shí)的等溫線 圖。任意相鄰等溫線溫度差84k，圖中標(biāo)示出了 1300k等溫線，可見加頂 部熱器提高了熱場溫度，推遲晶體溫度進(jìn)入1150°C-1080°C區(qū)段的時(shí)間。
權(quán)利要求
1、一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體生長界面處的溫度梯度和熱歷史的方法，其特征在于通過在晶體冷卻室下方到熱屏上方之間的爐室空間內(nèi)設(shè)置頂部加熱器的方法來控制直拉硅單晶生長過程熱場分布，改變后繼頂部加熱器的功率，控制生長界面向晶體彎曲幅度，控制晶體在冷卻過程中不同溫度階段經(jīng)歷的時(shí)間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體生長 界面處的溫度梯度和熱歷史的方法，其特征在于當(dāng)晶體頂端上升到距離頂部加熱器10mm-20mm時(shí)開始加熱，在晶體完全從熔體中提拉出來之 前保持頂部加熱器上端面以下到熔體之間的晶體溫度保持在1200r以上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體 生長界面處的溫度梯度和熱歷史的方法，其特征在于當(dāng)晶體完全脫離熔 液面以后以200mm/hr-700mm/hr的速度上升到冷卻室中冷卻，關(guān)閉頂部加熱器，使晶體溫度停留在H5crc-io8crc區(qū)段的時(shí)間很短，控制在10min-45min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l或2或3所述的一種控制直拉硅單晶生長過程中 晶體生長界面處的溫度梯度和熱歷史的方法，其特征在于晶體在冷卻室內(nèi)40crc-80crc冷卻時(shí)間要在3個(gè)小時(shí)以上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體生長 界面處的溫度梯度和熱歷史的方法，其特征在于所述的頂部加熱器的加 熱功率在2kw-10kw之間。
6、 一種采用權(quán)利要求1或5所述方法，其特征在于所述的頂部加 熱器由加熱器電極和加熱器板組成，呈環(huán)狀分布。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其特征在于所述的頂部加熱 器的安裝位置是其下緣距離熱屏上端面的距離為10-30mm。
8、根據(jù)權(quán)利要求l和6所述的方法，其特征在于頂部加熱器內(nèi)直 徑為所拉制硅單晶直徑的T15%-120%，頂部加熱器高度H為 20mm-40mm，電極板厚度為3mm-5mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制直拉硅單晶生長過程中晶體和熔體界面處的溫度梯度及熱歷史的方法，通過在晶體冷卻室下方到熱屏上方之間的爐室空間內(nèi)設(shè)置頂部加熱器的方法來控制直拉硅單晶生長過程熱場分布，改變后繼頂部加熱器的功率，控制生長界面向晶體彎曲幅度，控制晶體在冷卻過程中不同溫度階段經(jīng)歷的時(shí)間，限制空位和間隙原子等缺陷的形核，從而在一定程度上限制COPs等微缺陷的長大，同時(shí)可以減緩晶體內(nèi)溫度梯度，降低熱應(yīng)力，抑制因熱應(yīng)力過高而誘生的微缺陷。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是方法使用方便，效果好。
文檔編號C30B15/20GK101445954SQ20071017809
公開日2009年6月3日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者吳志強(qiáng), 周旗鋼, 屠海令, 張果虎, 戴小林, 肖清華, 宇 高 申請人:北京有色金屬研究總院;有研半導(dǎo)體材料股份有限公司