CN1056135A - 单晶硅生产设备 - Google Patents

Abstract

一种大直径单晶硅生产设备，具有一旋转式石英 坩埚、一电阻式加热器、一具有连通孔的石英分隔件、 一保温盖等。

开在分隔件上的连通孔其横截面的总面积A， 当原料进料速度在30与50克/分子之间时在80 与100平方毫米之间，当原料进料速度在50至80 克/分的范围时不小于130平方毫米，但不大于 1200平方毫米，当原料进料速度在80至130克/分 的范围时不小于220平方毫米，但不大于1600平方 毫米。

Description

本发明涉及一种切克劳斯基法生产大直径单晶硅的设备。更具体地说，本发明涉及这样的一种单晶硅生产设备，该设备包括：一装熔融硅的旋转式石英坩埚;一电阻式加热器，用以从石英坩埚侧面加热石英坩埚;一石英分隔件，适宜将熔融硅分隔成单晶生长分区和原料熔融分区，且具有多个连通孔，供熔融硅单向通过其中;一保温盖，供覆盖分隔件和原料熔融分区之用;原料进料装置，用以将原料硅连续送到原料熔融分区中;以及掺杂物供料装置，用以将掺杂物供应到原料熔融分区中。

在大规模集成电路制造领域中，对单晶硅直径的要求年年增大。目前，最新的器件采用直径6英寸的单晶硅。现在有这样的说法，将来会需要直径10英寸或以上的单晶硅，例如，直径12英寸的单晶硅。

按照切克劳斯基法（CZ法），生成单晶硅的工艺方法有两种。一种方法的坩埚是转动的，另一种方法的坩埚不转动。今天所有用CZ法制造出来的供大规模集成电路用的单晶硅都是用这样一种方法制造的：其中坩埚的转向与单晶硅相反，而且用围绕坩埚侧面的电阻式加热器加热坩埚。尽管作了种种努力，但迄今用坩埚不转动的任何方法或上述以外的任何加热方法都未能制造出直径5英寸或以上单晶硅。原因在于，坩埚不转动，或采用上述那一种以外的任何其它加热方法（例如磁感应加热或电阻加热坩埚底部），都不可能确保温度的环形分布与生长中的单晶硅完全同心。单晶硅的生长对温度特别敏感。

在坩埚转动的那种CZ法（以上称普通CZ法）中，坩埚的转动和电阻侧面加热使熔融硅产生强烈的对流，从而将熔融硅剧烈搅拌。这种做法使熔融硅表面的温度形成有利于大直径单晶硅生长或均匀且完全与单晶硅同心的温度分布。

上面说过，普通CZ法和其它CZ法就熔融硅的流动来说是大不相同的。这个差别使单晶硅的生长条件大不相同。因此这两种方法在炉子内部各组成部分的作用方面也是大不相同的。两种方法在单晶硅的生长原理方面完全不同。

普通CZ法坩埚内的熔体量是随单晶硅的生长而减少的。这样，随着单晶硅的生长，单晶硅中掺杂物的浓度降低，同时氧的浓度也降低。换句话说，单晶硅的性能在其生长方向上是不同的。鉴于对单晶硅质量的要求随着大规模集成电路集成度日益增大的倾向而变得一年比一年严格，这个问题必须加以解决。

解决上述问题已知的方法有：将普通CZ法的石英坩埚内部用具有熔融硅连通孔的圆柱形石英分隔件分隔，且在圆柱形单晶硅在往分隔件内侧生长的同时往分隔件外侧供给原料硅（以下称CC-CZ法）（例如专利公报40-10184，第1页，第20-35行）。也正如公开专利62-241889（第2页，第12-16行）所指出的那样，这种方法具有这样一个严重的缺点，即熔融硅往往以分隔件为起点在分隔件内侧凝固;其原因如下。鉴于石英是用作光纤的，因而石英制成的分隔件辐射就象光那样通过分隔件向上传播，然后从分隔件暴露在熔融硅表面的部分散发开。于是分隔件附近熔融硅的温度下降。此外在普通CZ法中，由于熔融硅的强烈搅拌，熔融硅的表面温度不仅均匀，而且也正好高于凝固点。这两个因素加起来就足以使熔融硅与分隔件接触的表面处于极端容易引起凝固的倾向的状态。

公开专利1-153589就是提出采用这种分隔件适于防止分隔件上产生凝固现象的一个专利。这个公开专利提出了用保温件将分隔件完全覆盖住。用这个方法可以防止热量从分隔件散发掉，而且可以防止发生凝固现象。

该发明还提出了将熔融硅从原料熔融分区至晶体生长分区的连通化缩小，使得熔融硅基本上从原料熔融分区至晶体生长分区的一个方向上流动。由于这个过程的协合作用，再加上设置了保温件，原料熔融分区中熔融硅的温度可以维持在足以使原料稳定熔融的温度。

按照上述那种发明，可以在整个长度上生成组成均匀的单晶硅。发展CC-CZ法最重要的目的是在整个长度生产性能均匀的极长的单晶硅。此外，最近半导体器件的种类越来越多样化，因而单晶硅的品种也跟着日益多样化。单晶硅产品的倾向是朝较小批生产的方向发展。目前已要求能在单晶硅生长期间易于改变电阻值的CC-CZ法。然而各不同地区试验开发的CC-CZ法都没有考虑上述朝较小批生产的倾向。

本发明提出了这样一个解决上述问题的方法，即在具有如公开专利1-153589的情况一样的保温件的CC-CZ炉中，熔融硅从原料熔融分区至晶体生长分区的连通孔的横截面积系考虑到与原料进料速度的平衡问题而取适当的尺寸的。现在参照图4、5和6说明本发明掺杂物为磷时的工作情况。磷的分布数约为0.33。在单晶硅稳定状态提拉情况下，若熔融硅在原料熔融分区A与晶体生长分区B之间的混合是极其令人满意进行的话（混合系统），则两分区的磷的浓度相等。这种情况是当连通孔的横截面积大时发生的。假设加入单晶硅5中的磷的浓度为1，则B中的浓度为3，A中的浓度也是3。将原料21和含磷的辅助原料22以这样的比例进料，使得其浓度变为1。在这种情况下，熔融硅A和B的混合情况极佳，从而使两分区的液温大致相等。为使单晶硅生长，B中的液温必须大致上等于其凝固点。结果，A中的液温也大致上等于该凝固点。换句话说，CC-CZ法得不到实现。

为避免这个问题，只要缩小熔融硅连通孔的横截面积，使熔融硅完全只从A至B一个方向流动（非混合系统）;在这种情况下，掺杂物的浓度分布，在单晶硅中为1，在B中为3，在A中为1，在原料系统中为1。热量从A至B的传播系小到这样的程度，以致保温盖的设置起到了使A中的液温易升高到足以使原料熔融的温度的作用。然后，在这种情况下，考虑一下单晶硅中掺杂物的浓度在单晶硅成长期间增加两倍（阻值减少一半）的情况。图5示意示出了各部分中掺杂物浓度的变化情况。首先，在时间T₁处，辅助原料系以使B中的浓度达6、A中的浓度达2所需要的进料量进料的。结果A中的浓度迅速提高。然而，A含有高浓度掺杂物的熔融硅至B的转移受到了原料进料速度（晶体生长速度）的限制，因而掺杂物至B的转移非常慢。为使转移过程可以几乎全部完成，（浓度为2的）原料必须以A中熔融硅的量的10倍进料到A中。换句话说，为使B中的浓度变为6，因而晶体中的浓度达所要求的2，必须令晶体以大约A中熔融硅的量的10倍生长。在非混合系统中，在晶体生长期间要改变掺杂物的量实质上是不可能的。

本发明是以这样的一个发现为基础的，即是通过妥善调节连通孔的横截面积以平衡原料的进料速度，可以实现在掺杂物方面基本上构成混合系统、在热量方面基本上构成非混合系统的情况。在热量方面，这一点是可以实现的，因为不通过连通孔10的热量在分区1和B之间的流量是非常大的。现在说明实现上述情况的原理。

先假设熔融硅完全单向从A流至B的情况（非混合系统）。就热量而论，所有的热量实质上是通过坩埚底部和分隔件引入，并从熔融硅表面散发出去的。只有一小部分热量是通过从A通过连通孔流入B的熔融载送而引入的。若前者为100，则后者就小于0.5。至于掺杂物，当然全部是通过连通孔引入的。

其次再假设在非混合系统中加一些搅拌的情况。假设从A至B的输入流量增加10倍（90%的输入量从B流回到A）。这种情况是通过略微增加非混合系统的连通孔10的横截面积实现的。由于增加了这些搅拌作用，大大方便了馈送到A的掺杂物到B的转移。在此实例中，转移的方便程度大约提高了10倍。图5中，搅拌时间（T₂-T₁）或搅拌需用的晶体长度（阻值变化区）约为1/10。这种系统就以掺杂物而论大致上可以视为混合系统。

图4示出了会这种系统掺杂物的浓度提高两倍时掺杂物浓度在各部分的变化情况。由于进行了搅拌，在稳定状态下掺杂物在A中的浓度基本上与B中的相等。换句话说，在时间T₁之前掺杂物的浓度为3，时间T₂之后掺杂物的浓度为6。辅助原料在时间T₁的增量即为使整个熔融硅的浓度从3增加到6所需要的量。再考虑热量流动的方式。先谈结论，热量的流动情况大致上与非混合系统一样。先看看B。原料从A流到B所引入的热量因搅拌而增加10倍，其值最多仍然为5（从坩埚底部和分隔件引来的热量如上所述为100）。这最多仅为引入的整个热量的5%。在其它安排方式下，热平衡情况与非混合系统并无多大差别。不难推论上述论述也适用于A的情况。换句话说，流量通过连通孔所起的作用由于提高10倍，因而对热量因上述搅拌作用的存在而流动的影响不大。在这种搅拌程度不高的情况下，热量在A和B的流动情况大致上与非混合系统的情况一样。换句话说，和非混合系统的情况一样，原料能够稳定熔融，从而使CC-CZ法得到实现。

当连通孔10的横截面积从非常小的面积逐步增加到大面积时，逐步提高搅拌的程度。首先，（a）非混合系统在掺杂物方面转变成混合系统，在热量方面则大致上转变为非混合系统的情况;其次，（b）非混合系统就掺杂物和热量两方面转变为混合系统。在本发明范围内，连通孔横截面的下限为（a）的转折点。在稳定状态下，A和B在横截面积该点处的掺杂物浓度是没有差别的（小于1%）。上限则为（b）的转折点。在该横截面积的该点上，A和B之间的温差变得小于10℃。

从A至B的流量随原料进料速度的提高而增加。这时A中熔融硅与B中熔融硅之间的混合就往往困难。连通孔对应于（a）和（b）各转折点的横截面积增加。合适的横截面积是随原料进料速度的提高而增加的。图3示出了在考虑上述事实的情况下确定下来的连通孔的合适范围（本发明的范围）。

原料进料速度30克/分的下限是从实现单晶的观点确定的。虽然这个进料速度相当于直径5英寸的晶体以大约1毫米/分的提拉过程，但从生产率的观点考虑是不希望使结晶速度小于这个自由速度的。130克/分的上限相当于直径10英寸的晶体以1.1毫米/分的速度的提拉过程。确定该上限值的理由在于不可能以高于该值的任何结晶速度来使晶体生长。

图3的范围仅在分隔件处有用来防止出现凝固现象的金属保温件时才能存在。尽管可以设想陶瓷、碳、金属等作为保温件的材料，但本发明的目的只有用保温作用高的金属才能达到。连通孔横截面积的合适范围之所以要宽是因为有高保温效能的保温盖存在。具有这种保温盖具有使A中的温度保持比B中的温度高得多的作用，因而容许对A和B之间的熔融硅进行某种程度的搅拌。

最近许多地区已尝试使用施加磁场的CZ法。不用说本发明在施加磁场的情况下仍然可行。

图1是用于一个实施例中设备的剖视图。

图2的曲线示出了实施例中晶体纵向与电阻值之间的关系。

图3是本发明原料进料速度与连通孔横截面积的总和之间的关系曲线。

图4是说明本发明原理的示意图。

图5是一般非混合系统中掺杂物浓度比与时间的关系曲线。

图6是本发明的混合系统中掺杂物浓度比与时间的关系曲线。

附图中：

编号1表示石英坩埚，2为石墨坩埚，3为电阻式加热器，4为轴架，5为单晶硅，6为炉子隔热件，7为熔融硅，8为分隔件，9为保温盖，10为连通孔，12为保温盖下端，14为原料进料装置，15为保温盖上的进料口，16为炉腔上盖，20为提拉腔，21为原料，22为辅助原料，A为原料熔融分区，B为晶体生长分区。

实施例1

本实施例在提拉过程中改变掺杂物的加入量（电阻值）的情况下证实了本发明的效果。进行了这样的试验：即在提拉的过程中令电阻值从20欧·厘米改变到10欧·厘米，再进一步从10欧·厘米改变到5欧·厘米。掺杂物为磷，晶体直径为6英寸。进行晶体生长用的连通孔横截面积分下列四级：

（a）100平方毫米（8个直径为4毫米的连通孔;在本发明的范围内）;

（b）262平方毫米（8个直径为6毫米的连通孔;在本发明范围内）;

（c）942平方毫米（12个直径为10毫米的连通孔;在本发明范围内）;

（d）3142平方毫米（10个直径为20毫米的连通孔;不在本发明范围内）。

现在简单介绍实施本实施例的设备和实验条件。编号1表示直径为20英寸的石英坩埚，该坩埚装在石墨坩埚2中。石墨坩埚2支撑在轴架4上。轴架4连接到炉外的电动机上，它将转动运动（10转/分）传给石墨坩埚2。编号7表示装在坩埚1中的熔融硅。圆柱形的单晶硅5边转动（20转/分）边从熔融硅7以1.4毫米/分的提拉速度提拉。编号3表示围绕着石墨坩埚的电阻式加热器。炉内压力（在炉腔16内）为0.01至0.03个大气压。上述情况基本上与普通切克劳斯基法的单晶硅生产设备的情况相同。

编号8表示以高纯度二氧化硅玻璃制成、装在坩埚1中使其与坩埚1同心的分隔件。坩埚1的直径为40厘米。分隔件8上开有连通孔10，原料熔融分区中的熔融原料即通过该连通孔流入单晶生长分区中。在本实施例中，有关连通孔方面是令晶体以上述四种条件进行生长的。分隔件的下边缘部分是预先熔合到坩埚1上或借助于熔化硅原料时产生的热量熔合到坩埚1上的。

开始时，熔融硅的给定条件如下。熔融硅的总量为20公斤，即在原料熔融分区中的为5公斤，在晶体生长分区的为15公斤。该两分区掺杂物各个的加入量应使晶体的电阻值开始时为20欧·厘米（4.5ppba）。即使在（a）的情况下，由于掺杂物通过连通孔扩散，因而该两区的掺杂物含量不可避免地变得彼此相等。

编号14表示原料进料装置，该装置的原料熔融分区上方有一个进料口，粒状的硅原料即通过原料进料装置送进原料熔融分区中。进料速度和结晶速度相等，即为6.5克/分。原料进料装置14连接到原料储存腔（图中未示出），原料储存腔设在炉腔上盖16之外，从而可以连续进料。辅助原料的进料速度是根据所要求的阻值和原料的进料速度计算的。按照本实施例，为了使阻值如上述那样变化，在提拉的过程中令辅助原料的进料速度改变两次。

编号9表示0.2毫米厚的钽板制成的保温盖。保温盖9具有减少热量从分隔件8和原料熔融分区散失掉的作用。按照本发明，连通孔横截面积之所以能处在合适的范围是因为设置了分隔件所致。编号15表示开在保温件9上部的进料口。该进料口的面积为100平方厘米，开在各四个位置上。通入提拉腔20的氩气先通过进料口15，然后通过阻式加热器3与炉隔热件6之间的空间，最后从炉底排出。

由于有这些进料口存在，因而大大减少了从保温盖9下端12通过的气流，从而消除了熔融硅表面附近出现SiO细粒子的现象，而使单晶的生长过程稳定。但这些进料口的存在增加了热量从原料熔融分区A的散失量，因而保温盖9不可避免地要采用金属保温盖。

图2示出了在连通孔的上述四种情况下经提拉的晶体在长度方向上阻值的变化情况。（a）示出了连通孔横截面积小于本发明下限的情况。首先，在提拉初期，阻值变化着，且还变得低于所要求的值。在其它分别在60厘米和140厘米的中间各点，掺杂物量变化方面的响应特性极差。实际上，整个长度的任何点上都达不到所要求的阻值。原因在于，为了使本系统可以达到稳定状态，需要使原料的供料量至少为原料熔分区中熔融硅量（5公斤）的起码10倍，即必须提拉大约108厘米长的晶体。相反，在处于本发明范围内的（b）和（c）的情况下，在掺杂物量变化方面的响应特性是相当优异的。阻值在晶体长度方面的变化区小于10厘米。CC-CZ法特别适宜生长组成无变化的长晶体，而且应用本发明还可以使CC-CZ法变成适宜适应小批量生产的晶体生长方法。在（d）的情况下，原料的熔融过程不能令人满意，不可能进行CC-CZ操作。

实施例2

本实施例证实了本发明在保温盖材料方面的影响。在保温盖分别为钨板（本发明）、石墨（非本发明）和铝（非本发明）的情况下，用实施例1同样的设备提拉晶体。至于提拉条件方面，和实施例1的情况一样，只是晶体直径为8英寸，提拉速度为0.8毫米/分（原料进料速度为58克/分），连通孔的横截面积为314平方毫米（4个10毫米直径的连通孔）。

采用钨盖时，原料能稳定熔融，晶体能稳定生长，而且能在阻值的变化方面达到实施例中（b）和（c）的情况时的同样效果。在石墨盖和铝盖的情况下，就在开始供应原料之后产生原料不熔融的情况，从而在CC-CZ操作再也无法进行。

通过使用本发明，大大简化了CC-CZ法中阻值的任何调节过程。因此可以在提拉过程中改变电阻值，同时尽量利用CC-CZ法能制造在生长方向上阻值的变化极小的极长单晶硅的优点。

如上所述，本发明不仅适宜用作生产直径10英寸或以上单晶硅的设备，而且也适宜用作生产单晶硅以外的任何其它材料的单晶，同时使单晶的组成和质量保持稳定。

Claims (3)

1、一种单晶硅生产设备，该设备包括：一装熔融硅的旋转式石英钳埚；一电阻式加热器，用以从石英坩埚侧面加热石英坩埚；一石英分隔件，用以将熔融硅分隔成单晶生长分区和原料熔融分区，所述分隔件具有多个连通孔，供熔融硅单向通过其中；一保温盖，供覆盖分隔件和原料熔融分区之用；原料进料装置，用以将原料连续送进原料熔融分区中；以及掺杂物进料装置，用以将掺杂物供应到原料熔融分区中；其特征在于，所述保温盖由金属材料制成，且开在所述分隔件上的连通孔其横截面的总面积由一个其值根据其与所述原料进料速度的相互关系确定的横截面积组成。

2、如权利要求1所述的单晶硅生产设备，其特征在于，所述原料进料速度在30与130克/分之间时，开在所述分隔件上的连通孔的横截面总面积A不小于80平方毫米，但不大于1600平方毫米。

3、如权利要求1所述的单晶硅生产设备，其特征在于，开在所述分隔件上的连通孔的横截面总面积A，当所述原料进料速度在30与50克/分之间时不小于80平方毫米，但不大于1000平方毫米，当所述原料进料速度在50至80克/分的范围时不小于130平方毫米，但不大于1200平方毫米，当所述原料的进料速度在80至130克/分的范围时不小于220平方毫，但不大于1600平方毫米。

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