CN102146581A - 直径至少450mm的硅半导体晶片的制造方法及直径450mm的硅半导体晶片 - Google Patents

直径至少450mm的硅半导体晶片的制造方法及直径450mm的硅半导体晶片 Download PDF

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Abstract

由硅组成的半导体晶片的制造方法，其包括：从坩埚中所包含的熔体以一个拉伸速率拉伸具有直径增加的圆锥形区段及紧接着的直径至少为450mm且长度至少为800mm的圆柱形区段的单晶，在拉伸从圆锥形区段至圆柱形区段的过渡段时的拉伸速率比在拉伸圆柱形区段时的平均拉伸速率高至少1.8倍；以至少20kW的冷却功率冷却生长的单晶；从坩埚的侧壁向生长的单晶导入热量，其中在包围生长的单晶的挡热板与熔体表面之间存在高度至少为70mm的缝隙；及从圆柱形区段切割半导体晶片，其中多个半导体晶片包含从半导体晶片的中心向边缘延伸的具有v型缺陷的圆形区域。还涉及直径为450mm的由硅组成的半导体晶片，其包含从半导体晶片的中心向边缘延伸的具有v型缺陷的区域。

Description

直径至少450mm的硅半导体晶片的制造方法及直径450mm的硅半导体晶片
技术领域
本发明涉及直径至少为450mm的由硅组成的半导体晶片的制造方法，其缺陷特性使该半导体晶片适合于用作制造电子元件的基材。本发明还涉及直径为450mm的由硅组成的半导体晶片。
背景技术
目前正在开发名义直径为450mm的由硅组成的半导体晶片作为下一代的基材。因为从300mm至450mm的直径跳跃要求远不止于对已知制造方法的简单适应和优化，所以开发人员面临巨大的挑战。一个特别的挑战在于，尤其是在缺陷特性方面获得在直径为300mm时优选的品质。对于缺陷特性的兴趣尤其是在于，在通过下面称作v型缺陷的晶格空位的积累或者通过下面称作i型缺陷的间隙硅原子的积累而产生的缺陷方面以及在诸如BMD(“块体微缺陷”)和OSF(“氧化诱发的堆垛层错”)的缺陷方面，析出的氧的出现发挥重要作用。
WO 2009/104534A1是现有技术的代表，其表明已经实现了从300mm至450mm的直径跳跃。
Shiraishi等人的报告Journal of Crystal Growth 229(2001)17-21概括了在开发直径为400mm的硅单晶的制造方法的过程中获得的经验。这些经验包括无法制造不含缺陷或者具有在直径上一致的缺陷分布的半导体晶片。
发明内容
本发明的目的在于阐述所必须从事的工作，由此以高产率和经济的拉伸速率制造由硅组成的半导体晶片，该半导体晶片的直径至少为450mm并且具有在直径上一致的缺陷分布。
该目的是通过由硅组成的半导体晶片的制造方法实现的，其包括：
从坩埚中所包含的熔体以一个拉伸速率拉伸具有直径增加的圆锥形区段及紧接着的直径至少为450mm且长度至少为800mm的圆柱形区段的单晶，在拉伸从圆锥形区段至圆柱形区段的过渡段时的拉伸速率比在拉伸圆柱形区段时的平均拉伸速率高至少1.8倍；
以至少20kW的冷却功率冷却生长的单晶；
从坩埚的侧壁向生长的单晶导入热量，其中在包围生长的单晶的挡热板与熔体表面之间存在高度至少为70mm的缝隙；及
从圆柱形区段切割半导体晶片，其中多个半导体晶片包含从半导体晶片的中心向半导体晶片的边缘延伸的、具有v型缺陷的区域。
多个借助该方法制得的、直径至少为450mm的半导体晶片的特征在于从半导体晶片的中心向其边缘延伸的、具有v型缺陷的缺陷区域。对于这些半导体晶片，OSF缺陷的平均密度优选不大于6cm-2，更优选不大于2cm-2，特别优选不大于0.5cm-2。电阻率的径向变化优选不大于10％，更优选不大于5％，特别优选不大于2％。氧浓度的径向变化ROV优选不大于12％，更优选不大于8％，特别优选不大于4％。半导体晶片可以直接地或者在沉积外延层之后用作制造电子元件的基材。
附图说明
图1所示为适合于实施本发明方法的“热区”。
图2所示为冷却功率PowC取决于在单晶的圆柱形区段内的位置POS的关系图。
图3所示为拉伸速率KH取决于在单晶的圆柱形区段内的位置POS的关系图。
图4至图6所示为激光散射光测量的结果
图7所示为氧浓度ROV的径向改变取决于在单晶的圆柱形区段内的位置POS的关系图。
具体实施方式
为了可以高产率以至少为0.5mm/min的经济的拉伸速率制造对应的单晶，需要考虑关于炉体结构(“热区”)和关于一些工艺实施参数的一些前提条件。
图1所示为适合于实施该方法的“热区”。单晶1是由在坩埚3中所包含的熔体2拉伸的。围绕坩埚设置用于保持熔体为液态的电阻加热器4。可以对熔体2施加磁场，例如Cusp场或水平磁场。为此目的设置用于产生磁场的装置5。单晶1被冷却器6和挡热板7所包围。挡热板7具有向着单晶以圆锥形逐渐变细的末端区段。挡热板7的末端区段的下端处的底面与熔体2的表面具有距离D。因此，在挡热板7与熔体表面之间还存在具有对应于该距离D的高度的缝隙。
本发明的发明人的实验表明，若在拉伸从单晶的圆锥形区段8至圆柱形区段9的过渡段时的拉伸速率并不明显高于在单晶1的圆柱形区段9生长时的平均拉伸速率，则不含位错的单晶的产率明显下降。为了基本上避免由于形成位错而导致的产率损失，在拉伸从单晶的圆锥形区段8至圆柱形区段9的过渡段时的拉伸速率，即从圆锥形区段达到圆柱形区段的预期直径的约30％的时刻直至达到该预期直径的时刻的拉伸速率，应当比在拉伸单晶的圆柱形区段时的平均拉伸速率高至少1.8倍，优选1.8至3倍。
在拉伸单晶的圆柱形区段时的平均拉伸速率优选为不小于0.5mm/min，更优选为不小于0.65mm/min。
为了可以不小于0.5mm/min的拉伸速率拉伸直径至少为450mm的硅单晶，必须有效地散逸所产生的结晶热。已确定冷却器6所需的冷却功率必须至少为20kW。有利的是，冷却器6面向单晶的内表面的热辐 射系数尽可能高，从而有效地吸收来自单晶的热辐射。因此，冷却器的内表面涂覆有吸热层，优选为石墨层。冷却器6面向外部的表面优选是经抛光的，从而有效地反射在此入射的热辐射，并且不会加重冷却器的负担。
此外，应当注意确保生长的单晶由于冷却所承受的热负荷不会导致其特征在于破坏单晶的热应力。本发明的发明人的实验表明，应当避免热负荷产生大于35MPa的van Mises应力。使用以下参数以计算vanMises应力：弹性模量＝150GPa，在室温下的伸长系数为2.6e-61/K，而泊松比为0.25。已发现若在挡热板7的末端区段的下端处的底面与熔体2的表面之间的距离D不小于70mm，则所产生的热负荷保持为非临界的。
不小于70mm的距离D也是必需的，从而在熔体2与生长的单晶1之间的相界面处的轴向温度梯度G在单晶的中心和边缘处几乎相等。单晶的生长速率v和轴向温度梯度G是以比例v/G的形式作为是在单晶内产生过量空位还是产生过量间隙硅原子的关键性参数。若例如应当避免空位在单晶的中心占主要地位及间隙硅原子在单晶边缘占主要地位，则必须针对通常发生的轴向温度梯度从单晶中心向着单晶边缘明显增加的情况采取措施。在具有较大直径的单晶的情况下，因为从单晶的边缘散逸热量，所以在中心处的轴向温度梯度Gc通常明显小于在单晶的边缘处的轴向温度梯度Ge。若在挡热板7的末端区段的下端处的底面与熔体2的表面之间的距离D不小于70mm，则可以使足够多的热量从坩埚3的侧壁到达相界面的边缘，从而使Ge与Gc相适应。
实施例：
采用所述方法拉伸在圆柱形区段中的直径为450mm的单晶。圆柱形区段的长度为800mm。所述“热区”具有如图1所示的特征。在拉伸单晶期间，在2800Pa(28mbar)的压力下以165l/min的速率引导氩气通过所述“热区”。对熔体施加通量密度为270mT的水平磁场。在挡热 板7的末端区段的下端处的底面与熔体2的表面之间的距离D为70mm。冷却器6具有用石墨涂黑的内表面及经抛光的外表面。冷却功率平均在24kW的范围内。图2所示为冷却功率PowC取决于在单晶的圆柱形区段内的、以长度单位给出的位置POS的关系图。在拉伸圆柱形区段期间的平均拉伸速率为0.65mm/min。图3所示为拉伸速率KH取决于在单晶的圆柱形区段内的位置POS的关系图。在拉伸从单晶的圆锥形区段至圆柱形区段的过渡段时的拉伸速率比0.65mm/min的平均拉伸速率高1.8倍。单晶和坩埚分别以7rpm和0.3rpm的转速方向相反地旋转。
下面将单晶的圆柱形区段加工成由硅组成的半导体晶片，并检测半导体晶片的重要特性。
图4至图6所示为激光散射光测量的结果，其是利用Mitsui Mining&Smelting的MO-4型测量装置基于来自圆柱形区段的第1个、第2个和第3个三分之一处(POS 23cm、POS 41cm和POS 67cm)的3个半导体晶片的实例进行的。散射光测量显示了v型缺陷的密度DD取决于半导体晶片半径R的关系。可以看出，半导体晶片与圆柱形区段中的位置无关地包含从半导体晶片的中心向边缘延伸的、具有v型缺陷的区域。
下表列出半导体晶片的OSF缺陷的平均密度，其是在湿法氧化及在1100℃下热处理120min之后计数的，以及在单晶的圆柱形区段中的半导体晶片的位置。
表：
  位置[cm]   OSF[cm-2]
  12.0   5.3
  23.0   0.5
  30.0   0.5
  41.0   1
  51.0   0.5
  67.0   0
电阻率的径向变化平均小于2％。电阻率由于偏析从圆柱形区段开始处的约17.2Ω·cm减少至圆柱形区段结束处的约13.9Ω·cm。
图7所示为根据新版ASTM测得的氧浓度ROV的径向改变取决于在单晶的圆柱形区段内的位置POS的关系图。氧浓度沿轴向从圆柱形区段开始处的约9.5×1017个原子/cm3减少至圆柱形区段结束处的约5.3×1017个原子/cm3。
在形成氧析出物的热处理之后，使在单晶与熔体之间的相界面的曲率可见的载流子寿命测量显示，在圆柱形区段的210mm位置处的相界面相对于单晶以凸面弯曲，在相界面的中心处的曲率(半径)为27mm。

Claims (7)

1.由硅组成的半导体晶片的制造方法，其包括：
从坩埚中所包含的熔体以一个拉伸速率拉伸具有直径增加的圆锥形区段及紧接着的直径至少为450mm且长度至少为800mm的圆柱形区段的单晶，在拉伸从圆锥形区段至圆柱形区段的过渡段时的拉伸速率比在拉伸圆柱形区段时的平均拉伸速率高至少1.8倍；
以至少20kW的冷却功率冷却生长的单晶；
从坩埚的侧壁向生长的单晶导入热量，其中在包围生长的单晶的挡热板与熔体表面之间存在高度至少为70mm的缝隙；及
从圆柱形区段切割半导体晶片，其中多个半导体晶片包含从半导体晶片的中心向半导体晶片的边缘延伸的、具有v型缺陷的区域。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在拉伸圆柱形区段期间以不小于0.5mm/min的平均拉伸速率拉伸单晶。
3.直径为450mm的由硅组成的半导体晶片，其包含从半导体晶片的中心向半导体晶片的边缘延伸的、具有v型缺陷的区域。
4.根据权利要求3的半导体晶片，其特征在于，OSF缺陷的平均密度不大于6cm-2。
5.根据权利要求3或4的半导体晶片，其特征在于，电阻率的径向变化不大于10％。
6.根据权利要求3至5之一的半导体晶片，其特征在于，氧浓度的径向变化不大于12％。
7.根据权利要求3至6之一的半导体晶片，其特征在于外延涂层。
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