CN101445954A - 一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面处的温度梯度及热历史的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面处的温度梯度及热历史的方法，通过在晶体冷却室下方到热屏上方之间的炉室空间内设置顶部加热器的方法来控制直拉硅单晶生长过程热场分布，改变后继顶部加热器的功率，控制生长界面向晶体弯曲幅度，控制晶体在冷却过程中不同温度阶段经历的时间，限制空位和间隙原子等缺陷的形核，从而在一定程度上限制COPs等微缺陷的长大，同时可以减缓晶体内温度梯度，降低热应力，抑制因热应力过高而诱生的微缺陷。本发明的优点是方法使用方便，效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面处的温度梯度及热历史的方法，特别是对硅单晶生长中微缺陷形成的控制方法。
背景技术
半导体硅单晶大部分采用直拉法制造。在这种方法中，多晶硅被装进石英坩埚内，加热熔化，然后将熔硅略作降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称作籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至接近目标直径时，提高提升速度，使单晶体接近恒定直径生长。在生长过程的末期，此时坩埚内的硅熔体尚未完全消失，通过增加晶体的提升速度和调整向坩埚提供的热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖端足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。
集成电路制造对直拉硅单晶内的缺陷分布和尺寸有很高要求，一般来说，这些缺陷是在晶体生长和冷却过程中形成并长大的。微缺陷的形成阶段主要受晶体生长界面影响，晶体生长界面越平坦越不利于微缺陷的形成，同时也提高了晶体内缺陷、杂质、电阻率等分布的径向均匀性。
晶体生长过程温度很高，固液界面处的温度为硅的熔点1413℃，即使在晶体生长后期晶体上方温度较低的区域也有1000℃，温度梯度的存在会在硅单晶内造成很大的热应力，当热应力升高到一定程度会诱生位错等微缺陷的形成，而平坦的生长界面可以有效降低生长界面上方晶体内的热应力，减少微缺陷产生。
另一方面COPs等微缺陷的长大受晶体热历史的影响，当COPs已经形核后在1150℃-1080℃这一温度会迅速长大，所以减少晶体在这期间的保温时间会有效限制微缺陷的长大。
发明内容
本发明的目的是提供一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面形状及热历史的方法，该方法使用方便，效果好。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：这种控制直拉硅单晶生长过程中晶体和熔体界面处的温度梯度及热历史的方法：
(1)在单晶炉炉室的上方增加顶部加热器，来控制直拉硅单晶生长过程热场分布，使晶体生长界面处径向温度梯度降低，即控制晶体生长过程中界面形状；
(2)控制晶体在冷却过程中不同温度阶段经历的时间(硅单晶的热历史)，在晶体离开生长界面向上提拉的过程中，逐渐改变顶部加热器的功率，使晶体的热历史中停留在1150℃-1080℃温度区间的时间长度减少，以控制“空位”或“间隙原子”的分布和数量，也可以限制其尺寸长大。
可以在晶体冷却室下方到热屏上方之间的炉室空间内设置顶部加热器。
当晶体顶端上升到距离顶部加热器10mm-20mm时开始加热，在晶体完全从熔体中提拉出来之前保持顶部加热器上端面以下到熔体之间的晶体温度保持在1200℃以上。
当晶体完全脱离溶液面以后，以200mm/hr-700mm/hr的速度上升到冷却室中冷却，关闭顶部加热器，使晶体温度停留在1150℃-1080℃区段的时间很短，控制在10min-45min，随晶体直径增大时间会相应加长。
晶体在冷却室内400℃-800℃冷却时间要在3个小时以上。
晶体生长过程中，随晶体长度增加，晶体的表面积增大，沿晶体表面通过热辐射或气体对流散失的热量逐渐增多，特别是在直径较大的晶体生长过程中表面散热更显著，这使得晶体内温度梯度增大，热应力升高，生长界面向晶体方向的弯曲幅度增大。在顶部加热器施加一定功率，提高熔体上方热场温度，补充晶体表面热量散失，使晶体生长界面凸出径向温度梯度降低，当顶部加热器带来的热量大致可以补偿晶体表面的热量散失时，可以使晶体生长界面变得相对更加平坦，抑制微缺陷的形成。同时在晶体离开生长界面向上提拉的过程中，逐渐改变后继顶部加热器的功率，使晶体的热历史中停留在1150℃-1080℃温度区间的时间长度减少，抑制微缺陷的长大。
所述的顶部加热器的加热功率可在2kw-10kw之间。顶部加热器的安装位置可采用其下缘距离热屏上端面的距离为10-30mm。
顶部加热器内直径可为所拉制硅单晶直径的115％-120％，顶部加热器高度H可为20mm-40mm，电极板厚度可为3mm-5mm。
本发明是控制直拉硅单晶生长过程热场分布，改变后继顶部加热器的功率，控制生长界面向晶体弯曲幅度，控制晶体在冷却过程中不同温度阶段经历的时间，限制空位和间隙原子等缺陷的形核，从而在一定程度上限制COPs等微缺陷的长大，同时可以减缓晶体内温度梯度，降低热应力，抑制因热应力过高而诱生的微缺陷。本发明的方法使用方便，效果好。
附图说明
图1：切克劳斯基(直拉)法制造硅单晶的单晶炉剖面图(显示的晶体处于等径阶段)
图2：顶部加热器的结构示意图
图3：使用和未使用顶部(后继)加热器后晶体生长界面形状变化曲线
图4a：使用顶部加热器前热场温度分布
图4b：使用顶部加热器后热场温度分布
图1、图2中，1为籽晶、2为硅单晶、3为硅熔体、4为石英坩埚、5为石墨制成的石英坩埚支撑器、6为石磨加热器、7为保温层筒、8为碳保温层、9为单晶炉外壁、10为上炉室、11为热屏、12为顶部加热器、13为下炉室、14上电极脚、15加热器电极脚、16为顶部加热器板。图3中，横座标为与中心的距离，纵座标为界面高度。■表示未使用顶部(后继)加热器的测定数据，◆表示使用顶部(后继)加热器的测定数据。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种直拉硅单晶炉内温度控制方法使用了顶部加热器，它包括：一个环形石墨电极，位于单晶炉炉室的上方，其直径约为单晶直径的1.1倍，轴向长度为20mm-40mm，采用热辐射方式加热。将顶部加热器安装在如图所示单晶炉上方，当晶体从熔体内提拉出来后可以从顶部加热器中心通过，顶部加热器由半导体级石墨材料制成，其上端距离单晶炉下炉室上壁10cm，防止晶体经加热过程进入上保温筒冷却速度过快造成内应力。
顶部加热器功率每增加0.5kw就会对热场分布造成很大影响，所以在晶体提拉过程中加热器功率变化幅度很小或晶体长度在某一区间变化时基本保持不变。在晶体等经生长过程中，顶部加热器功率约0kw-3kw，由于晶体上方的单晶炉内热场被顶部加热器加热，使得晶体温度升高，晶体内的轴向及径向温度梯度都得以减小。
以生长直径280mm，等径长度超过700mm，晶体平均生长速度大于30mm/hr，使用如图1中热屏蔽装置的直拉硅单晶生长过程为例。在晶体等径长度0—350mm阶段，晶体处于熔体上方高温区域，并且受热屏保温作用，沿晶体表面的热量散失量较小，顶部加热器施加较小的功率就可以起到调整晶体内温度梯度，降低晶体生长界面向晶体凸出幅度的作用。晶体长度0mm—200mm，顶部加热器功率0kw；晶体长度200mm—350mm，顶部加热器根据晶体长度线型增长到0.5kw。
本领域所属技术人员熟知，当晶体生长界面处的温度梯度降低时，生长界面将变得更加平坦。特别是径向温度梯度的减小有利于提高氧、碳含量和电阻率的均匀性，微缺陷的形核得到控制，也有利于降低晶体内的热应力。
图3所示为晶体长度等径长度350mm，顶部加热器功率分别为0kw和0.5kw时晶体体生长界面状况对比。可见在使用了顶部加热器后液面中心高度减低了约7mm，变得更加平坦。
实施例2
随晶体等径部分长度增加，晶体表面积增大，经晶体表面进行的热辐射和被气流传导走的热量增大。因此需要根据晶体长度变化逐渐调整顶部加热器功率，最大功率可以达到3kw。其作用包括维持熔体上方热场温度，使得各部分晶体沿轴向有一致的热历史；同时使晶体在进入上炉室(又称冷却室)冷却前在1150℃-1080℃的温度区间停留时间减少，从而抑制COPs的长大。
图4所示为通过计算机模拟得到的晶体长度等径长度700mm时，在相同的主加热器功率下，顶部加热器功率分别为0kw和6kw时的等温线图。任意相邻等温线温度差84k，图中标示出了1300k等温线，可见加顶部热器提高了热场温度，推迟晶体温度进入1150℃-1080℃区段的时间。
Claims (8)
1、一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体生长界面处的温度梯度和热历史的方法，其特征在于：通过在晶体冷却室下方到热屏上方之间的炉室空间内设置顶部加热器的方法来控制直拉硅单晶生长过程热场分布，改变后继顶部加热器的功率，控制生长界面向晶体弯曲幅度，控制晶体在冷却过程中不同温度阶段经历的时间。
2、根据权利要求1所述的一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体生长界面处的温度梯度和热历史的方法，其特征在于：当晶体顶端上升到距离顶部加热器10mm-20mm时开始加热，在晶体完全从熔体中提拉出来之前保持顶部加热器上端面以下到熔体之间的晶体温度保持在1200℃以上。
3、根据权利要求1或2所述的一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体生长界面处的温度梯度和热历史的方法，其特征在于：当晶体完全脱离熔液面以后以200mm/hr-700mm/hr的速度上升到冷却室中冷却，关闭顶部加热器，使晶体温度停留在1150℃-1080℃区段的时间很短，控制在10min-45min。
4、根据权利要求1或2或3所述的一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体生长界面处的温度梯度和热历史的方法，其特征在于：晶体在冷却室内400℃-800℃冷却时间要在3个小时以上。
5、根据权利要求1所述的一种控制直拉硅单晶生长过程中晶体生长界面处的温度梯度和热历史的方法，其特征在于：所述的顶部加热器的加热功率在2kw-10kw之间。
6、一种采用权利要求1或5所述方法，其特征在于：所述的顶部加热器由加热器电极和加热器板组成，呈环状分布。
7、根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述的顶部加热器的安装位置是其下缘距离热屏上端面的距离为10-30mm。
8、根据权利要求1和6所述的方法，其特征在于：顶部加热器内直径为所拉制硅单晶直径的115％-120％，顶部加热器高度H为20mm-40mm，电极板厚度为3mm-5mm。
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