CN102560622A

CN102560622A - 硅单晶锭的制造方法

Info

Publication number: CN102560622A
Application number: CN2011104612658A
Authority: CN
Inventors: 加藤英生; 村上英明
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-11
Also published as: KR20120075427A; EP2471980A1; SG182096A1; JP2012140285A; TW201226640A; US20120160154A1

Abstract

本发明的目的是提供能够大幅抑制及基本上避免形成小孔的制造锭的方法。在CZ法的装填多晶硅的步骤中，不将小尺寸的多晶硅块S1用作装入的多晶硅块S。仅使用中等尺寸的多晶硅块S2和大尺寸的多晶硅块S3。此外，在装填多晶硅的步骤中，将多晶硅块S随机地装入坩埚中。

Description

硅单晶锭的制造方法

技术领域

本发明涉及采用Czochralski法(下文中称作“CZ法”)制造硅单晶锭的方法(下文中称作“锭”)，具体而言涉及用原料多晶硅装填坩埚的方法。

背景技术

用于制造半导体元件的半导体基材是由单晶硅晶片制成的，CZ法广泛地用于锭的生长。根据CZ法，用多晶硅装填坩埚，使该多晶硅熔化以获得硅熔体。接着，使种晶与该硅熔体接触，并通过提拉种晶使锭生长。在该方法中，硅熔体中所含的气泡不会从硅熔体的表面逸出，而是残留在硅熔体中。然后，气泡可能会被锭带起。因此，在生长的锭中形成小孔，其是基于气泡的小洞。

通过切割锭制造硅晶片，存在无法由其中形成了小孔的晶片制造具有所期望的构造的半导体元件的问题。

为了减少在锭生长期间形成小孔，传统上建议了不同的方法。例如，公开了以5至60mbar的炉压力熔化多晶硅材料以减少小孔的产生的方法(参见例如第H5-9097号日本专利申请公开)。还公开了一种方法，其中将多晶硅材料块根据其尺寸划分成三级，大块沿坩埚的侧面放置，小块置于坩埚的中心，中等块置于这些小块上以减少小孔的产生(参见例如第2002-535223号日本专利申请公开)。此外，还公开了一种方法，其中在使多晶硅熔化以形成硅熔体的步骤与通过使种晶与硅熔体接触而使锭生长的步骤之间使支撑坩埚的坩埚轴振动，从而减少小孔的产生(参见例如第2007-210803号日本专利申请公开)。

近年来，半导体器件变得更加细小，其厚度变得更薄，在制造半导体器件的同时，在锭中形成的小孔会导致更加严重的问题。此外，需要许多工时用于检验小孔。出于这些原因，需要进一步减少小孔，但是上述的传统方法是不足的。

发明内容

本发明的目的是提供能够大幅抑制及基本上避免形成小孔的制造锭的方法。

为了实现上述目的，本发明的发明人针对能够大幅抑制及基本上避免形成小孔的制造锭的方法进行了大量的研究工作。本发明的发明人由此获得了以下的认识。

也就是说，本发明的发明人推定，产生小孔的原因在于残留在硅熔体中的最大为1mm的小气泡。具体而言，更大的气泡具有大的浮力，上升至硅熔体的表面，并立即消失。然而，因为小气泡具有小的浮力，并且是由硅熔体的流动产生的，这些气泡残留在熔体中，在锭生长期间这些残余的气泡被带入晶体中。也就是说，本发明的发明人认为原因在于：在使多晶硅原料熔化的过程中，小气泡残留在硅熔体中，这是因为在熔化过程中在多晶硅原料的表面上形成气泡，在这些气泡附着在多晶硅的表面上的情况下使多晶硅熔化，这些气泡在对流的硅熔体的流中被带走。基于对该原因的推定，本发明的发明人发现，减小装填在坩埚中的多晶硅块的表面积与重量之比，即多晶硅块的总表面积与总重量之比，从而可以大幅抑制并且基本上避免在生长的锭中产生小孔。本发明是以此方式实现的。

也就是说，为了实现上述目的，根据本发明制造锭的方法包括以下步骤：用多晶硅装填坩埚的装填步骤，使装填的多晶硅熔化以在坩埚中形成硅熔体的熔化步骤，及使种晶与硅熔体接触并提拉接触的种晶以使锭生长的提拉步骤，其中在装填步骤中，通过将多个多晶硅块随机地装入坩埚从而用多晶硅装填坩埚，所述多晶硅块是大尺寸的多晶硅块。

根据依照本发明制造锭的方法，大尺寸的多晶硅块由尺寸为至少20mm的多晶硅块组成，大尺寸的多晶硅块包括尺寸为大于50mm的多晶硅块和尺寸为20mm至50mm的多晶硅块中的至少一种多晶硅块。

根据依照本发明制造锭的方法，装入的多晶硅块至少包括尺寸为大于50mm的多晶硅块。

根据依照本发明制造锭的方法，装入的多晶硅块至少包括尺寸为20mm至50mm的多晶硅块。

根据依照本发明制造锭的方法，大尺寸的多晶硅块由尺寸为大于50mm的多晶硅块和尺寸为20mm至50mm的多晶硅块组成，尺寸为大于50mm的多晶硅块的含量为70重量％，而尺寸为20mm至50mm的多晶硅块的含量为30重量％。

根据依照本发明制造锭的方法，在用多晶硅装填坩埚的装填步骤中，因为将大尺寸的多晶硅块装入坩埚，所以与现有技术相比，可以减少待装填的多晶硅的表面积与重量之比，并且可以大幅抑制在装填的多晶硅熔化时气泡至多晶硅的附着。因此，与现有技术相比可以大幅抑制以下问题：气泡被带入硅熔体中及气泡残留在硅熔体中。因此，与现有技术相比可以大幅抑制及基本上避免在生长的锭中形成小孔。

以此方式，在用多晶硅装填坩埚的装填步骤中，虽然是以现有技术的方式使多晶硅块在坩埚中排列，但是可以随机地将多晶硅块装入坩埚。由此可以使装填步骤变得简单并且省去麻烦。

附图说明

图1为显示用于在CZ法中用多晶硅装填坩埚的传统方法的示意图。

图2为显示在根据本发明的一个实施方案制造锭的方法中用多晶硅装填坩埚的方法的示意图。

图3为显示作为原料的多晶硅块的种类的示意图。

图4为显示在根据本发明的实施例1、2与比较例1之间小孔产生率的相对比例的示意图。

具体实施方式

下面参考显示其优选的实施方案的附图详细地阐述本发明。

根据CZ法，用作为原料的多晶硅装填坩埚。然后，在惰性气体例如Ar气的气氛中，使在坩埚中装填的多晶硅熔化以形成硅熔体，使种晶与该硅熔体接触，并提拉与硅熔体接触的种晶，从而使锭生长。

图1为显示在CZ法的装填多晶硅的步骤中用作为原料的多晶硅装填坩埚的传统方法的示意图。如图1所示，用多个多晶硅块S装填坩埚1，该多晶硅块是用于传统方法中的多晶硅块。该多晶硅块包括具有小的块尺寸的小尺寸的多晶硅块S1和具有中等块尺寸的中等尺寸的多晶硅块S2。小尺寸的多晶硅块S1和中等尺寸的多晶硅块S2是通常用于CZ法中的多晶硅块S中所包含的尺寸的多晶硅块。

如图3所示，多晶硅块S的尺寸的定义是基于其最大宽度h。小尺寸的多晶硅块S1是最大宽度h小于20mm的多晶硅块，而中等尺寸的多晶硅块S2是最大宽度h为20mm至50mm的多晶硅块。

如图1所示，在用于装填多晶硅的传统方法中，由于它们的尺寸，小尺寸的多晶硅块S1堆积在坩埚1的下部，而中等尺寸的多晶硅块S2堆积在这些小尺寸的多晶硅块S1上。出于降低成本的观点，由于增大的锭的尺寸，要求以高的装填率用多晶硅块装填坩埚。在用于装填多晶硅的传统方法中，从未积极地装填大尺寸的多晶硅块。

坩埚1例如是由石英制成的石英坩埚，并且安装在图中未示出的炉中。用多晶硅块S装填的坩埚1暴露在惰性气体气氛如Ar(氩)气氛中。

如图2所示，在CZ法的装填多晶硅的步骤中，在本发明的实施方案中用于装填多晶硅的方法中，不将小尺寸的多晶硅块S1用作装入的多晶硅块S。仅使用中等尺寸的多晶硅块S2和大尺寸的多晶硅块S3。如图3所示，大尺寸的多晶硅块S3是最大宽度h大于50mm的多晶硅块。

在本发明的实施方案中用于装填多晶硅的步骤中，多晶硅块S被随机地装入坩埚1中。换而言之，在无需考虑多晶硅块S的排列以及中等尺寸的多晶硅块S2和大尺寸的多晶硅块S3的排列和分布等的情况下，将多晶硅块S装入坩埚1中。例如，通过倾倒其中多晶硅块S随机地堆积的容器，将多晶硅块S随机地装入坩埚1中。

如图2所示，在本发明的实施方案中用于装填多晶硅块S的方法中，待装填的多晶硅块S的尺寸大于在图1中所示的用于装填多晶硅块S的传统方法的情况。因此，在本发明的实施方案中的装填方法中，待装填的多晶硅块S的总表面积与待装填的多晶硅块S的总重量之比可以小于图1中的传统装填方法的情况。因此，如上所述，与现有技术相比，可以大幅抑制及基本上避免在待生长的锭中形成小孔。

在根据本发明的实施方案制造锭的方法中，在坩埚1中装填的多晶硅块S由大尺寸的多晶硅块S3和中等尺寸的多晶硅块S2组成。然而，所述多晶硅块S并不限制于此。所述多晶硅块S仅是必须由至少具有中等尺寸的多晶硅块S2的尺寸的多晶硅块组成。此外，如上所述，待装填的多晶硅块S优选具有大的尺寸，并且优选在有待在坩埚1中装填的多晶硅块S中大尺寸的多晶硅块S3与中等尺寸的多晶硅块S2的比例高。然而，大尺寸的多晶硅块S3的最大尺寸是这些块仍然可以被装填至坩埚中的尺寸。

实施例

下面描述本发明的实施例。

通过采用根据本发明的实施方案制造锭的方法，由两种多晶硅块S作为原料实施锭的生长(实施例1和2)。

在实施例1中，将以下多晶硅块S用作原料：中等尺寸的多晶硅块S2与大尺寸的多晶硅块S3的含量比例(重量分布)为中等尺寸的多晶硅块S2：100重量％，而大尺寸的多晶硅块S3：0重量％。

在实施例2中，将以下多晶硅块S用作原料：中等尺寸的多晶硅块S2与大尺寸的多晶硅块S3的含量比例为中等尺寸的多晶硅块S2：30重量％，而大尺寸的多晶硅块S3：70重量％。

作为比较例，通过采用如图1所示的用于装填多晶硅的传统方法，制造锭(比较例1)。在比较例1中，将以下多晶硅块S用作原料：小尺寸的多晶硅块S1与中等尺寸的多晶硅块S2的含量比例为小尺寸的多晶硅块S 1：30重量％，而中等尺寸的多晶硅块S2：70重量％。

在以上的实施例1、2和比较例1中，作为原料的多晶硅块S的总重量彼此相等，均为130kg。此外，在相同的生产条件下，通过CZ法实施锭的生长。此外，在石英坩埚中包含在制造石英坩埚时混入的气泡，然后在锭生长时，这些气泡可能会从石英坩埚散发出而进入硅熔体中。因此，这会导致小孔的产生。在本实施例和比较例1中，使用均具有相同的品质水平的石英坩埚，因此可以认为石英坩埚的差异不会导致小孔产生率的不同。

将在实施例1、2和比较例1中生长的长度约为1500mm的锭切割成硅晶片。对于根据实施例1、2和比较例1制造的每个硅晶片，均实施小孔检查。小孔检查是通过视觉观察进行的全量检查。检查结果如图4所示。

图4显示了相对于比较例1的小孔产生率的相对比例。如图4所示，在实施例1中可以看出，与比较例1相比，小孔产生率可以被抑制了77％。在实施例2中，没有观察到小孔，小孔产生率为0％。

实施例2具有在坩埚1中装填的所有多晶硅块S中所包含的最大百分比的大尺寸多晶硅块S，而实施例1具有第二大百分比的大尺寸多晶硅块S。比较例1具有在坩埚1中装填的所有多晶硅块S中所包含的最小百分比的大尺寸多晶硅块S。换而言之，实施例2具有在坩埚1中装填的多晶硅块S的总面积与在坩埚1中装填的多晶硅块S的总重量的最小的比例(重量与表面积之比)，实施例1具有第二小的重量与表面积之比，而比较例1具有最大的重量与表面积之比。如上所述，图4表明，在装填步骤中，在坩埚1中装填的多晶硅块包含的大尺寸多晶硅块越多，则小孔产生率变得越低。

如上所述，在根据本发明的实施方案制造锭的方法中，有待在坩埚1中装填的多晶硅块S的尺寸大，并且通过根据本发明的实施方案的装填方法，可以使待装填的多晶硅块S的总表面积与有待在坩埚1中装填的多晶硅块S的总重量的比例变得更小。因此，与现有技术相比，能够大幅抑制在制得的锭中形成的小孔的数量，并基本上加以避免。

通过增大有待在坩埚1中装填的多晶硅块S的尺寸，根据本发明的实施方案制造锭的方法能够在装填步骤中将多晶硅块S随机地装入坩埚1中。因此，可以实现简单并且省去麻烦的装填步骤。因此，可以实现相对于现有技术简单并且省去麻烦的制造锭的方法，并且可以降低制造成本。

应当注意，本发明并不限制于上述的实施方案。上述的实施方案和实施例是本发明中所包含的实施例。例如，作为原料在坩埚1中装填的多晶硅块S的尺寸分布并不限制于以上所述。此外，制造锭的方法并不限制于上述方法，还可以应用于利用磁场的MCZ法以及除硅以外的材料。

Claims

1.用于制造硅单晶锭的方法，其包括以下步骤：用多晶硅装填坩埚的装填步骤，使装填的多晶硅熔化以在坩埚中形成硅熔体的熔化步骤，及使种晶与硅熔体接触并提拉接触的种晶以使锭生长的提拉步骤，其中在装填步骤中，通过将多个多晶硅块随机地装入坩埚从而用多晶硅装填坩埚，所述多晶硅块是大尺寸的多晶硅块。

2.根据权利要求1的用于制造硅单晶锭的方法，其中大尺寸的多晶硅块由尺寸为至少20mm的多晶硅块组成，而且大尺寸的多晶硅块包括尺寸为大于50mm的多晶硅块和尺寸为20mm至50mm的多晶硅块中的至少一种多晶硅块。

3.根据权利要求2的用于制造硅单晶锭的方法，其中装入的多晶硅块至少包括尺寸为大于50mm的多晶硅块。

4.根据权利要求2的用于制造硅单晶锭的方法，其中装入的多晶硅块至少包括尺寸为20mm至50mm的多晶硅块。

5.根据权利要求2的用于制造硅单晶锭的方法，其中大尺寸的多晶硅块由尺寸为大于50mm的多晶硅块和尺寸为20mm至50mm的多晶硅块组成，尺寸为大于50mm的多晶硅块的含量为70重量％，而尺寸为20mm至50mm的多晶硅块的含量为30重量％。