專利名稱：任意大直徑無缺陷硅晶體的生長方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及用來制造電子元件的半導體級單晶硅的制備。本發(fā)明具體涉及遍及整個晶體半徑和可用長度基本避免聚集本征點缺陷的單晶硅毛坯的制備方法。
單晶硅是大多用來加工制造半導體電子元件的起始材料，通常以所謂的引上法“CZ”制備。在該方法中，多晶硅(“多硅”)放入坩堝并熔化，讓籽晶接觸熔融硅并通過緩慢拉出而生長?？s頸完成之后，通過降低拉速和/或熔體溫度來放大直徑直至達到所要求的或目標直徑。然后通過控制拉速和熔體溫度來生長直徑大體恒定的圓柱狀主體晶體，同時補償熔體液面的降低。接近生長工藝后期而在坩堝熔體硅拉空之前，必須逐步減小晶體直徑形成尾錐。而尾錐一般通過增大拉速和供給坩堝的熱能來形成的。在直徑變得足夠小時，那么，晶體就脫離了熔體。
近幾年來，已認識到單晶硅中大量缺陷是在固化后冷卻時于晶體生長室內(nèi)形成的。這種缺陷的增加，部分由于晶格內(nèi)存在過量的(亦即濃度超過溶解度限制)本征點缺陷，它們是空位和自間隙子。自熔體生長的硅晶體一般都是帶有過量的一種或另一種類型的本征點缺陷來生長的，或者是晶格空位(“V”)，或者是硅的自間隙子(“I”)。有人建議在固化時測定硅內(nèi)這些缺陷的類型和起始濃度，如果這種濃度達到系統(tǒng)內(nèi)臨界過飽和程度并且點缺陷的遷移率足夠高，很可能會發(fā)生反應(yīng)或者聚集事件。在硅內(nèi)聚集的本征點缺陷對該材料制造復雜和高集成電路的潛能有嚴重影響。
認為空位型缺陷是這種可觀測晶體缺陷的起源，如D-缺陷，流動圖樣缺陷(FPDs)，柵氧化物綜合缺陷(GOI)，晶體原生顆粒缺陷(COP)，晶體原生(閃)光點缺陷(LPDs)，以及通過紅外掃描顯微鏡和激光掃描技術(shù)觀測到一些種類的體缺陷。在空位過量區(qū)域還存在起成核作用使氧化成環(huán)誘發(fā)堆垛層錯(OISF)的缺陷?？梢酝茰y，這種特殊缺陷是一種由于過量空位會催化聚集高溫成核的氧。
未仔細研究涉及自間隙子的缺陷。一般認為它們是低密度的內(nèi)在型位錯環(huán)或位錯網(wǎng)絡(luò)。這種缺陷與柵氧化物綜合缺陷無關(guān)，是一種重要的晶片性能判據(jù)，但普遍認為它們是有關(guān)漏電問題使器件失效的其他類型的原因。
在提拉硅中這種空位和自間隙子聚集缺陷的密度范圍一般是大約1×103/cm3-1×107/cm3。盡管這個值相當?shù)停奂谋菊鼽c缺陷具有迅速增強影響器件制造的重要性，實際上，現(xiàn)在看來是在器件制造工藝中產(chǎn)率的限制因素。
迄今為止，處理聚集本征點缺陷問題主要有三種手段。第一種手段包括集中在晶體提拉工藝中的方法，為的是降低毛坯中本征點缺陷聚集的密度值。這個手段進一步細分為令晶體提拉條件造成讓空位占優(yōu)勢材料生成的方法，和使晶體提拉條件造成讓自間隙子占優(yōu)勢材料生成的方法。例如有人建議，降低聚集本征點缺陷密度值是通過(ⅰ)控制v/G0生長晶體，使其中晶格空位是占優(yōu)勢的本征點缺陷，和(ⅱ)在晶體提拉工藝期間變換(一般是緩慢降低)硅毛坯從大約1100-1050℃的冷卻速度來影響聚集本征點缺陷的成核速度。這個手段能降低聚集缺陷密度值，但并不能阻止該缺陷的形成。而器件制造業(yè)提出的要求越來越嚴格，使這些缺陷的存在更成問題。
還有人建議在晶體生長期間降低拉速，讓它低于大約0.4mm/分鐘。然而這個建議不能令人滿意，因為這種慢拉速會讓每個晶體拉晶爐減少產(chǎn)率。更重要的是這種拉速導致形成自間隙子濃度高的單晶硅。反過來，這種高濃度會導致形成聚集的自間隙子缺陷以及有關(guān)這種缺陷而造成的所有問題。
處置聚集本征點缺陷問題的第二個手段包括致力于聚集本征點缺陷生成后將其溶解或湮滅的方法。一般使用高溫熱處理晶片形式的硅就能達到目的。例如Fusegawa等人在EP 503816 A1中提出以超過0.8mm/分鐘的生長速度生長硅毛坯，并且在1150℃-1280℃溫度范圍熱處理毛坯切成的晶片來降低晶片表面附近薄層區(qū)域的缺陷密度。特殊處理的需要取決于聚集本征點缺陷在晶片中的濃度和位置。從沒有該缺陷的均勻軸向濃度的晶體切出的不同晶片要求不同的生長后的加工條件。而且，這種晶片的熱處理也相當昂貴，還有金屬雜質(zhì)引入晶片的趨向，并且對涉及晶體所有類型的缺陷并非一致有效。
處置聚集本征點缺陷問題的第三種手段是在單晶硅晶片表面外延沉積一薄層硅結(jié)晶層。這種方法提供一種表面基本沒有聚集本征點缺陷的單晶硅晶片。然而外延沉積要明顯加大晶片的制造成本。
就這些進展而言，仍繼續(xù)需要尋找一種單晶硅的制備方法，其中能通過抑制聚集反應(yīng)起到防止聚集本征點缺陷形成的作用。而不是簡單地限制這種缺陷的形成速度，或者在其形成后試圖湮沒一些缺陷，起抑制聚集反應(yīng)作用的方法應(yīng)當產(chǎn)生基本沒有聚集本征點缺陷的硅基體。這種方法還應(yīng)提供具有類似外延晶片的產(chǎn)率潛能(以每片晶片得到集成電路的數(shù)量計)的單晶硅晶片，而且并不牽扯外延工藝有關(guān)的高成本。
現(xiàn)已認可能夠生長實際上沒有本征點缺陷聚集而產(chǎn)生的缺陷的單晶硅毛坯(例如見PCT/US98/07356和PCT/US98/07304)。抑制聚集反應(yīng)的主要機理是徑向的向外擴散本征點缺陷。如果在晶體溫度超過發(fā)生聚集反應(yīng)的溫度TA時給出足夠的時間，自間隙子和空位彼此或者聯(lián)合并湮沒或者擴散到毛坯表面消失。
在溫度接近硅的固化溫度亦即大約1410℃時，硅自間隙子表現(xiàn)出特別容易遷移。然而這種遷移率隨單晶硅毛坯溫度的降低而減小。在商業(yè)化生產(chǎn)實際的時間周期中，溫度低于大約700℃，或許溫度如800℃、900、1000甚或1050℃之高，自間隙子的擴散速度一般緩慢到相當一種程度，它們基本上不遷移。
應(yīng)當注意，考慮到自間隙子發(fā)生聚集反應(yīng)的溫度盡管在理論上可在廣范圍變化，實際上在引上法生長硅時這個范圍表現(xiàn)出相當狹窄。這就導致在引上法生長硅中一般得到的自間隙子起始濃度有相當狹窄的范圍。因此，如果在大約1100-800℃范圍的所有溫度(TA)，通常是大約1050℃時，就能一般發(fā)生自間隙子的聚集反應(yīng)。
通過在自間隙子出現(xiàn)遷移的溫度范圍內(nèi)控制毛坯的冷卻速度，給自間隙子更多時間擴散到位于晶體表面處消失，或者擴散到空位占優(yōu)勢區(qū)域，就可將其湮沒。因此，可將這種間隙子濃度抑制到足夠低的程度，使得自間隙子的過飽和并不發(fā)生在自間隙子充分遷移而聚集的溫度(亦即濃度超過溶解度限制)。同樣原理可用于硅的空位。而且，空位的不遷移使它的向外擴散更加困難。
在目前現(xiàn)有的晶體提拉爐中生產(chǎn)沒有聚集微缺陷的單晶毛坯是能夠辦到的，但是在晶體提拉爐和毛坯的操作中存在許多相矛盾的條件。必須作出困難的折中方案，實質(zhì)上影響了制造無缺陷單晶毛坯的商業(yè)化實踐。圖1示意說明單晶硅毛坯的生長。在大約1410℃處硅從熔體固化成為毛坯，隨后被持續(xù)冷卻。在熔體表面以上沿著毛坯長度L(TA)的某些局部處毛坯將通過發(fā)生聚集反應(yīng)的等溫線TA(例如1050℃)。在毛坯生長的期間它將通過這個位點。
生長無缺陷毛坯的基本要求是應(yīng)當精心設(shè)計熱區(qū)的溫度分布，使得毛坯在溫度超過發(fā)生聚集反應(yīng)的溫度TA(如大約1050℃)之處產(chǎn)生足夠長的停留時間，以便讓本征點缺陷外擴散。在TA以上的毛坯軸向部分最大停留時間期間要求拉速緩慢。但緩慢的拉速嚴重降低晶體制造者的生產(chǎn)量。
通過生長晶體使得自間隙子本征點缺陷占優(yōu)勢多少可以減少毛坯每個軸向部分在超過溫度TA所需要的停留時間。自間隙子比空位缺陷明顯更容易遷移。讓缺陷的起始濃度最小化仍是必要的。然而為使缺陷數(shù)量最小化，還要在間隙子生長條件許可下讓拉速最大化。
為了制造遍及全長(整個長度)沒有聚集微缺陷的單晶毛坯，沿毛坯可用全長的每個軸向部分，僅在溫度超過TA停留一段令本征點缺陷外擴散所必須的時間之后才能通過TA溫區(qū)。因此，甚至在形成毛坯不能使用的尾錐時也必須保持同樣相對緩慢的拉速。還有，甚至在毛坯形成之后必須以同樣緩慢的速度提拉起毛坯，使得毛坯可用的等徑部分的較低尾端在溫度超過TA之處有充分停留時間。
當晶體生長的直徑增大時，拉速和本征點缺陷外擴散所必須的停留時間之間的緊張關(guān)系變得更尖銳。毛坯直徑增大時，缺陷數(shù)量增加，缺陷必須擴散到毛坯表面的徑向距離也加大。
再者，自間隙子外擴散時間的最小化使得間隙子起始濃度徑向變化最小化是可取的。這可通過讓軸向溫梯G0(r)的徑向變化降至最小來實現(xiàn)。為使軸向溫梯降至最小，讓毛坯在硅熔體表面處的軸向溫梯的平均值降至最小是可取的。然而為了使獲得間隙子生長條件的拉速降至最小，將G0的平均值降至最小是可取的。
實際上，在制造基本沒有聚集本征點缺陷單晶硅的晶體提拉爐的操作中，必須保持非常嚴苛的工藝控制。而且，對晶體提拉爐的生產(chǎn)量有個戲劇性的減少。因此，現(xiàn)在需要一種沒有聚集本征點缺陷單晶硅的生長工藝，該工藝使晶體提拉爐的操作與本征點缺陷外擴散的必要條件相脫離或基本脫離。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明若干目的和特點之中，值得注意的是提供一種單晶硅毛坯的制備方法，遍及該毛坯全長基本沒有聚集本征點缺陷；提供的這種方法基本不減少晶體提拉爐的生產(chǎn)量；提供的這種方法使晶體提拉爐的操作條件與制造無缺陷毛坯的條件相脫離；提供的這種方法基本減輕制造無缺陷毛坯的晶體提拉爐中對拉速的限制；以及提供的這種方法基本減輕晶體提拉爐中對平均軸向溫梯G0的限制。
因此，本發(fā)明主要涉及一種單晶硅毛坯的制備方法，該毛坯有籽晶錐，尾錐和籽晶錐與尾錐之間的等徑部分。毛坯是按照引上法從硅熔體生長的。該方法一般包括從硅熔體生長毛坯和控制毛坯溫度，使得在毛坯生長的時間期間不讓毛坯部分的溫度低于毛坯中本征點缺陷發(fā)生聚集的溫度TA，造成至少等徑部分的毛坯基本沒有聚集本征點缺陷。
本發(fā)明進一步涉及一種有籽晶錐、尾錐和籽晶最與尾錐之間等徑部分單晶硅毛坯的制備方法。該毛坯是按照引上法在晶體提拉爐中從硅熔體生長的。晶體提拉爐包括較低一些(底部)的生長艙室和較高一些(上部)的提拉艙室，而方法包括降低籽晶使之接觸位于晶體提拉爐生長艙室的硅熔體并從熔體提拉籽晶，以便造成硅從熔體冷凝形成單晶硅毛坯。將完全形成的毛坯拉入提拉艙室，然后使提拉艙室與生長艙室隔離，同時保持提拉艙室的溫度超過毛坯內(nèi)本征點缺陷發(fā)生聚集的溫度TA。
本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點中，部分清晰可見且部分將在下文指出。


圖1示意圖說明目前單晶硅的生長，展現(xiàn)生長期間毛坯通過發(fā)生聚集反應(yīng)的等溫線情況；圖2曲線表明自間隙子[I]和空位[V]的起始濃度如何隨v/G0值而改變，其中v是拉速而G0是平均軸向溫梯；圖3是晶體提拉爐裝置的示意圖，其中允許拆卸晶體提拉爐的提拉艙室部分并用另一個提拉艙室替代；圖4是晶體提拉爐裝置的示意圖，其中允許毛坯從提拉艙室移到位于提拉艙室一側(cè)的儲存艙室；圖5是晶體提拉爐裝置的示意圖，其中允許毛坯從提拉艙室移到一般位于提拉艙室上方的儲存艙室；圖6A曲線是如實施例所述常規(guī)生長速度與晶體長度的函數(shù)關(guān)系；圖6B是沿毛坯段軸向切割的一系列照片，其范圍是從肩部到開始生長尾錐，隨后以銅綴飾并刻蝕缺陷輪廓(蝕坑)，如實施例所述；圖6C是沿毛坯段軸向切割的一系列照片，范圍從籽晶錐到尾錐，隨后以銅綴飾并刻蝕缺陷輪廓(蝕坑)，如實施例所述。
貫穿幾個圖和照片中相應(yīng)的參考字符代表相應(yīng)部件。
優(yōu)選實施方案詳述現(xiàn)參看附圖，具體是圖3，示意說明實施本發(fā)明方法的裝置，包括一般以10表示的晶體提拉爐。晶體提拉爐包括裝載含硅熔體M坩堝14的生長艙室12。坩堝14安裝成在生長艙室12中以常規(guī)方式旋轉(zhuǎn)。晶體提拉爐10還包括常規(guī)加熱器和保溫層(未畫出)以加熱坩堝內(nèi)的硅使之產(chǎn)生并保持其熔融狀態(tài)。晶體提拉爐10進一步包括位于生長艙室12頂部的提拉艙室16，并且能夠打開進入生長艙室接受從硅熔體M生長的單晶硅毛坯I。提拉艙室16有個曲柄機構(gòu)18來升高和降低其尾端有籽晶夾具22的提拉繩20。按照引上法，夾具22夾持用來初始形成毛坯I的籽晶(未畫出)。提拉艙室16配備閥門24用來將提拉艙室與生長艙室關(guān)斷。同樣，生長艙室12也有其自己的閥門26與提拉艙室16關(guān)斷。提拉艙室可拆卸式安裝在生長艙室12上方以便將整個提拉艙室從生長艙室拆除。該裝置進一步包括另一個提拉艙室16’(另一個提拉艙室的相應(yīng)部件以提拉艙室16所引用的相同字符后面加’來表示)。另一個提拉艙室16’可安裝在生長艙室12上方用來生長另一個毛坯I’。然而如圖3所示，在提拉艙室16中生長一個毛坯I的同時，另一個毛坯I’在遠離生長艙室12的另一位置的另一個提拉艙室16’內(nèi)保存。
現(xiàn)參看圖3敘述按照本發(fā)明原理進行的方法。應(yīng)當了解，其他裝置也能實施本方法(下文敘述一些實施例)。晶體提拉爐10開始制作時是按照常規(guī)方式，諸如將多晶硅放入坩堝14并啟動加熱器熔化硅形成硅熔體M。啟動曲柄機構(gòu)18讓提拉繩20出現(xiàn)并降低夾具22令籽晶接觸熔體表面。坩堝14和提拉繩20兩者皆繞縱軸旋轉(zhuǎn)。當籽晶開始到達熔體時，啟動曲柄機構(gòu)18緩慢卷繞提拉繩20，從熔體提升籽晶。來自熔體M的硅在籽晶上以單晶晶格冷凝，從而開始形成毛坯I。
毛坯開始有一個籽晶錐SC，它所具有的直徑逐漸增大到等于生長毛坯所要求的直徑(通常比毛坯最終形成半導體晶片所要求的直徑要大一些)?？刂泼鞯睦俨⒓訜嵘L等徑部分CD。形成尾錐EC’(僅在另一個毛坯I’中顯示)是為了在等徑部分CD達到所需長度時讓毛坯I與熔體M分離。這個長度受晶體提拉爐10的幾何尺寸制約。也是通過控制毛坯拉速(亦即一般增大)并通過施加熱來形成尾錐EC’。毛坯從熔體M分離后被完全拉入提拉艙室16。
按照本發(fā)明方法，毛坯生長期間要將毛坯溫度保持在TA以上，亦即本征點缺陷將變得過飽和并聚集的溫度。具體言之，在晶體生長期間，不讓毛坯I部分冷卻到溫度TA。因此，不像圖1所示的常規(guī)引上法實例，毛坯I在其生長時從不通過等溫線TA。本發(fā)明方法解除了以前由存在等溫線TA造成的對生產(chǎn)單晶硅的制約?？梢栽O(shè)想，通過熱屏蔽、施加熱或兩者的某種聯(lián)合就能獲得毛坯I的冷卻控制。在說明性實施方案中，提拉艙室16配備的加熱器30(圖3示意說明)用來在毛坯I接近和進入提拉艙室時向其施加熱量。
將毛坯I在TA以上溫度保持一段選定的時間，令本征點缺陷外擴散直至其在毛坯內(nèi)濃度低于本征點缺陷發(fā)生聚集所必須的溶解度限制。本征點缺陷外擴散所必須的這個時間(所討論的更完全地低于該限制)一般明顯長于晶體提拉爐10的常規(guī)作業(yè)時間。說到底，本發(fā)明方法進一步包括在半導體制造設(shè)施內(nèi)從晶體提拉爐10的位置移走毛坯I，允許晶體提拉爐獨立地再現(xiàn)毛坯熱條件。要在毛坯I從晶體提拉爐10移走期間和之后保持其溫度超過TA以上。
圖3所示的實施方案中，從晶體提拉爐10移走毛坯I包括將生長的晶體完全拉入提拉艙室16。關(guān)閉提拉艙室16上的閥門24和生長艙室12上的閥門26，將各艙室彼此之間和周圍環(huán)境隔開。然后讓提拉艙室16脫離并離開生長艙室，如圖3中另一個提拉艙室16’的位置所示。提拉艙室16保持毛坯I的溫度在TA以上直至這個時間讓本征點缺陷充分發(fā)生外擴散。然后使毛坯I冷卻到室溫并從提拉艙室16取出，進一步加工成半導體晶片。
不啟動生長艙室內(nèi)的加熱器以便生長艙室冷卻到室溫。然后打開生長艙室12移去坩堝并用另一個晶體(循環(huán)作業(yè))替換。在坩堝14內(nèi)放入多晶硅熔化形成新熔體。在移動提拉艙室之后的合適時間，將另一個提拉艙室16’(首先其內(nèi)業(yè)已移去盛有的毛坯I’)移入生長艙室12上方的位置。提拉艙室16’加裝到生長艙室12上方并打開提拉艙室和生長艙室的閥門24’及26，讓另一個單晶硅毛坯I’生長。
保持毛坯I在TA以上的總時間取決于本征點缺陷的起始濃度，在毛坯中占優(yōu)勢的本征點缺陷類型和生長毛坯的直徑?，F(xiàn)參看圖2，在瞬間平均軸向溫梯G0以上所繪制的曲線是熔體表面處毛坯I中兩種類型本征點缺陷的濃度對拉速v的比率。在v/G0比率較低時，自間隙子[I]本征點缺陷占優(yōu)勢，而較高比率時空位缺陷[V]占優(yōu)勢。然而可以看到，兩種類型的本征點缺陷的濃度可保持在臨界v/G0比率處。最近認為這個比率大約是2.1×10-5cm2/sK。將這個比率保持在臨界值處是合乎要求的，但是難就難在毛坯I的整個生長工藝過程中都能如此，特別是在籽晶錐和尾錐處。本發(fā)明的一個特征就是毛坯I的生長對V/G0比率依賴性低一些，因為本發(fā)明許可本征點缺陷外擴散但并不明顯影響晶體提拉爐10的作業(yè)時間。
按照本發(fā)明方法，優(yōu)選自間隙子本征點缺陷在生長的毛坯I中占優(yōu)勢。自間隙子缺陷[I]比空位缺陷[V]明顯更容易遷移。自間隙子比空位發(fā)生徑向外擴散要快十倍。換言之，在同樣濃度下，在空位占優(yōu)勢毛坯內(nèi)空位的外擴散比間隙子占優(yōu)勢毛坯內(nèi)間隙子的外擴散要多花十倍時間。結(jié)果，應(yīng)當優(yōu)選的是，遍及毛坯I生長的基本部分要將v/G0比率保持在臨界值以下，使得自間隙子缺陷占優(yōu)勢。當然，v/G0在毛坯I有徑向變化，使毛坯內(nèi)缺陷的濃度和類型也有個徑向變化。然而對毛坯I的部分允許它進入v/G0的空位占優(yōu)勢區(qū)域，只要在外擴散期間自間隙子缺陷占優(yōu)勢能充分與空位組合，從而就能湮滅兩類缺陷使它們的濃度低于溶解度限制。
但應(yīng)當了解，本發(fā)明方法也可以用于空位占優(yōu)勢的材料。作為一般規(guī)律，空位占優(yōu)勢材料(如果存在的話)將存在于毛坯的軸向中央，取決于晶體生長條件，可從毛坯中央擴展到邊緣。在空位占優(yōu)勢材料不從中央擴展到邊緣的某些情況下，空位占優(yōu)勢材料的芯部被間隙子占優(yōu)勢材料的一種圓環(huán)圍繞。由于空位在晶格內(nèi)緩慢的遷移率(同硅自間隙子原子對比)，通過外擴散到表面而獲得空位系統(tǒng)的釋放(亦即抑制空位濃度)所涉及的時間相當長。因此在本發(fā)明一個實施方案中，通過硅自間隙子原子注入毛坯使其擴散并與預(yù)先存在的空位組合直至其湮滅的方式，減少了抑制空位濃度所需要的時間。在這個實施方案中，硅自間隙子原子通過氧化毛坯表面而注入，與此同時保持其溫度超過發(fā)生聚集反應(yīng)的溫度。可以，例如在上述保持(溫度)期間將毛坯裸露在氧化氣氛下(例如包括氧氣或蒸汽的氣氛，如非全部，優(yōu)選基本上是氧氣或蒸汽)實現(xiàn)這個氧化。生長的氧化層厚度應(yīng)達到幾個微米數(shù)量級(例如3，4，或5)甚至10微米或更多。由于氧化層厚度會影響氧化速度(從而影響注入硅自間隙子原子的速度)，在該保持期間進行一次、兩次或多次剝除生長的氧化層(例如用氫氣或HF蒸汽)然后再氧化晶體表面的作業(yè)大為有益。
待生長毛坯I的直徑影響擴散本征點缺陷所需要的時間，簡單的解釋就是在毛坯直徑增大時，本征點缺陷必須行走更大的徑向距離。擴散必須的時間與毛坯I半徑的平方有比例關(guān)系。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在毛坯等徑部分的直徑大約150mm時，它在TA以上溫度(亦即大約1050℃，1000℃甚或900℃)停留的總時間至少大約10小時，優(yōu)選至少大約12小時，更優(yōu)選至少大約15小時。而在同樣系統(tǒng)中200mm毛坯于TA以上溫度停留的總時間至少大約22小時，優(yōu)選至少大約25小時，更優(yōu)選至少大約30小時，300mm毛坯于TA以上溫度停留的總時間至少大約48小時，優(yōu)選至少大約60小時，更優(yōu)選至少大約75小時。應(yīng)當了解，所敘述以外的外擴散的確切時間并不偏離本發(fā)明的精神范圍。
現(xiàn)參看圖4，說明本發(fā)明第二實施方案的方法。該方法與第一實施方案的方法相同，不同的是晶體提拉爐110的提拉艙室116不從生長艙室112拆除。第二實施方案中，提拉艙室116改良成打開進入鄰近提拉艙室的儲存艙室140?，F(xiàn)在敘述該方法的目的，盡管儲存艙室140物理式掛接晶體提拉爐，但它不形成晶體提拉爐110的一部分。毛坯I完全生長之后，打開隔離提拉艙室和儲存艙室140的門(未畫出)，并讓毛坯移入儲存艙室，在其內(nèi)于TA以上溫度保持一段合適的時間。軌跡142說明運載毛坯I進入儲存艙室140的情況。在說明性實施方案中，儲存艙室140有加熱器144。因此，可移走毛坯I進入熱閘(未畫出)以便讓毛坯冷卻并從儲存艙室移去而并不危害儲存艙室的熱環(huán)境。其間要關(guān)閉隔離提拉艙室116與儲存艙室140的門。另一個曲柄機構(gòu)和提拉繩被移入生長另一個單晶毛坯(未畫出)的提拉艙室內(nèi)入位。
圖5說明本發(fā)明方法的第三個實施方案。本方法特別接近圖4說明的方法，因為提拉艙室216不移動，而寧可是毛坯I移動到儲存艙室240。主要差別是儲存艙室240恰恰位于提拉艙室216之上。另外，單獨的曲柄機械218’和提拉繩220’被移動的位置使得在晶體提拉爐10中能發(fā)生另一個毛坯I’的生長但并不涉及已生長毛坯I的熱環(huán)境。
進而應(yīng)當注意，上述本方法的每個實施方案中，保持在提拉艙室內(nèi)生長的晶體要提供充分的時間來外擴散，有不均勻熱分布的提拉艙室是可取的。換言之，因為所生長毛坯的至少一部分被冷卻到形成聚集本征點缺陷的溫度(TA)以下，緊接著離開或分開生長艙室后沒有必要將這個部分保持在超過TA以上的溫度。事實上，對晶體的這個部分，溫度分布不超過TA是可取的，因為如果溫度太高(亦即高于1175℃，1200℃或更高)，擴散的結(jié)果使本征點缺陷的濃度會再次升高超過溶解度限制，或者超過臨界濃度。但是在這個區(qū)域的溫度不必過高的同時，毛坯停留部分的溫度必須保持足夠高，使得不發(fā)生聚集。
如果采用不均勻熱分布，優(yōu)選從籽晶末端到后部尾端逐漸增加溫度，其一般范圍是從大約1000℃到大約1200℃，優(yōu)選范圍從大約1050℃到大約1175℃。然后在具有超過TA溫度的毛坯內(nèi)的軸向位置按照本發(fā)明冷卻，優(yōu)選直至溫度分布變得均勻。然后將毛坯進一步冷卻，如本領(lǐng)域常規(guī)冷卻，并被取出進行另外的加工。
在優(yōu)選不均勻熱分布的同時，應(yīng)當注意，也可采用均勻的溫度分布。然而如果使用均勻熱分布，溫度必須足夠高于TA以防止發(fā)生聚集，但不能高到先前已被冷卻到低于TA的區(qū)段再次能夠變成臨界過飽和(如上面所討論)。因此，溫度范圍優(yōu)選大約1125-1200℃，更優(yōu)選大約1150-1175℃。一旦毛坯在艙室之內(nèi)，這個均勻分布的溫度將按照本發(fā)明被降低以使毛坯冷卻到低于TA。然后進一步冷卻毛坯，取出進行另外的加工。
下面的實施例僅供說明。
在按照圖6破折線繪制的生長速度(下文記作“無缺陷”生長速度)生長毛坯時，于能夠制造完全沒有聚集本征點缺陷材料的晶體提拉爐內(nèi)生長兩個200mm晶體毛坯。按照圖6連續(xù)線繪制的同樣指標的生長速度生長兩支晶體，生長速度是規(guī)一化生長速度(亦即相對臨界生長速度的實際生長速度，一般表達成實際生長速度與臨界生長速度的比率)。如其中所敘述，毛坯最初以超過“無缺陷”生長速度曲線的速度生長一段時間，然后以低于“無缺陷”生長速度曲線的速度生長一段時間，之后再以超過“無缺陷”生長速度曲線的速度生長一段時間。讓第一個毛坯(87GEX)緊接著毛坯生長完成后在晶體生長艙室內(nèi)自然冷卻。但不讓第二個毛坯(87GEW)在生長艙室內(nèi)自然冷卻，代之以緊接著毛坯生長完成后晶體提拉爐熱區(qū)內(nèi)的加熱器繼續(xù)保持(加熱)并讓毛坯在提拉艙室停留30小時；溫度分布是這樣的在這個時間期間自籽晶末端起多于大約400mm的毛坯段保持在超過大約1050℃的溫度，而自籽晶末端起少于400mm的毛坯段保持在低于大約1050℃的溫度。
毛坯沿平行于生長方向的中心軸縱向切片，然后進一步按區(qū)段部分區(qū)分，每個厚度大約2mm。使用銅綴飾技術(shù)，每個毛坯從籽晶到尾端切好的一套縱向區(qū)段切片有意用銅沾綴并加熱，加熱條件要適合將高濃度的銅溶入該區(qū)段。這個熱處理之后，將試樣快速冷卻，經(jīng)一段時間銅或者擴散出或者沉淀在存在氧化物簇或聚集本征點缺陷的位點處。標準缺陷刻蝕輪廓之后，肉眼檢查試樣存在的沉淀雜質(zhì)；沒有這種沉淀雜質(zhì)的區(qū)段就相當于沒有聚集間隙子缺陷的區(qū)段。然后將每個晶體的區(qū)段照相并匯集照片顯示每個晶體從籽晶到尾端的結(jié)果。圖6B表現(xiàn)第一個自然冷卻毛坯(B7GEX)的一套照片而圖6C表現(xiàn)第二個保持的毛坯(B7GEW)的一套照片。
現(xiàn)參看圖6A，6B和6C，可以看出，自然冷卻的毛坯(B7GEX)為從0到大約393mm含有聚集的空位缺陷，從大約393到大約435mm沒有聚集本征點缺陷，從大約435到大約513mm有聚集本征點缺陷，從大約513到大約557mm沒有聚集本征點缺陷，并且從大約557mm到晶體尾端有聚集空位缺陷。這些恰恰相當于這個熱區(qū)中無缺陷生長條件之上、之中和之下的區(qū)域。保持的毛坯(B7GEW)為從0到大約395mm含有聚集空位缺陷，從大約395到大約584mm沒有聚集本征點缺陷，從大約584到晶體尾端有聚集空位缺陷。因此，兩個毛坯之間相當明顯的差別出現(xiàn)在大約435到大約513mm的區(qū)段，其中自然冷卻的毛坯(87GEX)含有聚集本征點缺陷而保溫的毛坯(87GEW)則沒有。在保溫期間，保持的毛坯(87GEW)中自間隙硅原子的濃度通過自間隙硅原子另外擴散到毛坯表面和空位占優(yōu)勢區(qū)域而被抑制，因此在隨后的晶體固化中避免了間隙子的臨界過飽和以及聚集反應(yīng)。然而在自然冷卻的毛坯中，只有不充分的時間許可另外擴散到表面和空位占優(yōu)勢區(qū)域，結(jié)果，系統(tǒng)變成硅自間隙子原子的臨界過飽和以及出現(xiàn)聚集反應(yīng)。
所以，這些毛坯說明，給出充分時間和足夠的高溫時，事實上任何數(shù)量的硅自間隙子原子都能被外擴散到表面。
另外，圖6A繪制的“無缺陷”生長速度曲線落入了這樣一種晶體生長速度的范圍，其中在這個晶體提拉爐配置中自然冷卻條件下能提供完全沒有聚集內(nèi)在缺陷的材料。對這個熱區(qū)配置，甚至在自然冷卻條件下，也存在一個晶體生長速度的范圍位于聚集空位缺陷形成的生長速度(PV)和聚集本征點缺陷形成的生長速度(PI)之間；這個范圍是至少PV和PI平均值的±5％。當生長的晶體在超過大約1050℃的溫度停留時間增加時，這個范圍進一步增加，例如該范圍是PV和PI平均值的至少±7.5％、至少±10％、甚或至少±15％的(例如，對晶體87 GEW停留時間充分長使得不能達到PI，因而PI對這個晶體是低于所達到的最低拉速)。這些結(jié)果列于下面的表I。
表I

窗口尺寸的增加(或者許可拉速改變以便無缺陷生長)主要受較慢拉速的限制(亦即對空位到間隙子占優(yōu)勢材料(加上小的差值以考慮空位的間隙子湮滅)該數(shù)值低于臨界v/G)。這就是說，對間隙子占優(yōu)勢材料影響強烈，硅自間隙子原子是比空位能更快擴散的成員。換言之，窗口敞開更快地偏向較低的拉速。原則上，在溫度高于大約1050℃時，隨著增加停留時間，容許拉速改變朝向快拉速(大于臨界v/G加小的差值，進入空位占優(yōu)勢材料)的窗口敞開也應(yīng)偏向更快的拉速(空位占優(yōu)勢材料)-空位擴散朝向晶體表面-但是這將需要足夠長的時間。
晶體提拉爐和熱區(qū)給定時，可以假定，軸向溫梯G0可在相當短的距離上大約恒定，諸如出現(xiàn)在這里發(fā)生的轉(zhuǎn)換范圍。結(jié)果，在晶體生長速度中的改變會導致在v/G0中按比例的改變，并因而改變空位和自間隙子原子的初始濃度。但一般而言，在中央毛坯處的v/G0值是最關(guān)鍵的值，因為它距表面最遠。因此，這個實施例的結(jié)果說明，通過在高于1000℃處加長停留時間而獲得拉速變化的增加，意味著可在沿著晶體徑向上任一點發(fā)生相當大的v/G0變化。換言之，v/G0的徑向改變是不相干的，例如在毛坯中央處(任何徑向位置)的v/G0可超過10％，15％或更多。
綜上所述，可見到已達到本發(fā)明的幾個目的。
在上述組成和方法中可作各種改變而并不偏離本發(fā)明實質(zhì)范圍，值得注意的是包含在上面敘述中的所有內(nèi)容僅供解釋和說明，絕非限制之意。
權(quán)利要求
1.一種具有籽晶錐、尾錐以及籽晶錐和尾錐之間等徑部分單晶硅毛坯的制備方法，該毛坯是按照引上法從硅熔體生長的，該方法包括從硅熔體生長毛坯和控制毛坯溫度，使得在毛坯生長期間不讓毛坯部分的溫度低于毛坯中本征點缺陷發(fā)生聚集的溫度TA，造成至少等徑部分的毛坯基本沒有聚集的本征點缺陷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將毛坯在超過TA溫度保持選定的時間讓本征點缺陷向外擴散，以便使?jié)舛冗_到低于本征點缺陷出現(xiàn)聚集所要求的溶解度限制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在毛坯生長后令其在超過TA的溫度保持一段時間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中TA是低于硅的固化溫度且高于大約1050℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中TA是低于硅的固化溫度且高于大約900℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中控制生長速度v和平均軸向溫梯G0來生長毛坯，使毛坯中自間隙子本征點缺陷占優(yōu)勢。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中控制v/G0比率低于大約2.1×10-5cm2/s-K。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約150mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約12小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約200mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約22小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約300mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約48小時。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在半導體制造設(shè)施的特定區(qū)域的晶體提拉爐中進行，該方法進一步包括在保持毛坯超過TA溫度的同時從特定區(qū)域移走毛坯的步驟，以便讓晶體提拉爐冷卻并重新開始另一個單晶硅毛坯的生長。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中晶體提拉爐有較低一些的生長艙室和較高一些的提拉艙室，并且其中移走毛坯的步驟包括讓提拉艙室隔離生長艙室，從生長艙室卸下提拉艙室并移動提拉艙室遠離生長艙室。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進一步包括將另一個提拉艙室移到生長艙室上方的位置并將所述另一個提拉艙室加裝到生長艙室。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中晶體提拉爐有較低一些的生長艙室和較高一些的提拉艙室，并且其中移走毛坯的步驟包括將毛坯從提拉艙室移到鄰近它的儲存艙室，并且加熱提拉艙室、儲存艙室使毛坯保持在超過TA的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在保持毛坯超過毛坯本征點缺陷出現(xiàn)聚集的TA溫度時將毛坯裸露在氧化氣氛下。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在保持毛坯超過毛坯本征點缺陷出現(xiàn)聚集的TA溫度時將毛坯裸露至少一個循環(huán)作業(yè)，其中循環(huán)作業(yè)第一個階段是毛坯裸露在氧化氣氛下而循環(huán)作業(yè)第二個階段是毛坯裸露的氣氛要使毛坯表面的二氧化硅溶解或除去。
17.一種具有籽晶錐、尾錐以及籽晶錐和尾錐之間等徑部分單晶硅毛坯的制備方法，該毛坯是按照引上法在提拉爐內(nèi)從硅熔體生長的，晶體提拉爐包括較低一些的生長艙室和較高一些的提拉艙室，該方法包括降低籽晶接觸位于晶體提拉爐生長艙室的硅熔體；從熔體提拉籽晶以便造成硅自熔體冷凝形成單晶硅毛坯；提拉完全形成的毛坯進入提拉艙室；將提拉艙室與生長艙室隔離；保持提拉艙室內(nèi)的溫度超過毛坯中本征點缺陷發(fā)生聚集的溫度TA。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中將毛坯在超過TA溫度保持選定的時間讓本征點缺陷向外擴散，以便使?jié)舛冗_到低于本征點缺陷出現(xiàn)聚集所要求的溶解度限制。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中TA是低于硅的固化溫度且高于大約1050℃。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中TA是低于硅的固化溫度且高于大約900℃。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中控制生長速度v和平均軸向溫梯G0來生長毛坯，使毛坯中自間隙子本征點缺陷占優(yōu)勢。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中控制v/G0比率低于大約2.1×10-5cm2/s-K。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約150mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約12小時。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約200mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約22小時。
25.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中毛坯等徑部分的直徑大約300mm且毛坯在超過TA溫度保持的時間從毛坯生長時起算至少大約48小時。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中晶體提拉爐位于半導體制造設(shè)施的特定區(qū)域，該方法進一步包括在保持毛坯超過TA溫度的同時從特定區(qū)域移走毛坯的步驟，以便讓晶體提拉爐冷卻并重新開始另一個單晶硅毛坯的生長。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中移走毛坯的步驟包括從生長艙室卸下提拉艙室并移動提拉艙室遠離生長艙室。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，進一步包括將另一個提拉艙室移到生長艙室上方的位置并將所述另一個提拉艙室加裝到生長艙室。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中移走毛坯的步驟包括將毛坯從提拉艙室移到鄰近它的儲存艙室，并且加熱提拉艙室、儲存艙室使毛坯保持在超過TA的溫度。
30.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在保持毛坯超過毛坯本征點缺陷出現(xiàn)聚集的TA溫度時將毛坯裸露在氧化氣氛下。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中在保持毛坯超過毛坯本征點缺陷出現(xiàn)聚集的TA溫度時將毛坯裸露至少一個循環(huán)作業(yè)，其中循環(huán)作業(yè)第一個階段是毛坯裸露在氧化氣氛下，而循環(huán)作業(yè)第二個階段是毛坯裸露的氣氛要使毛坯表面的二氧化硅溶解或除去。
全文摘要
一種基本沒有聚集本征點缺陷單晶硅毛坯的制備方法。毛坯一般按照引上法生長。在毛坯生長期間不讓毛坯部分的溫度低于毛坯中本征點缺陷發(fā)生聚集的溫度T
文檔編號C30B15/00GK1326518SQ99805555
公開日2001年12月12日 申請日期1999年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者R·J·弗萊斯特 申請人:Memc電子材料有限公司