CN105887188A - 单晶硅生长方法 - Google Patents

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刘浦锋
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Abstract

本发明是一种单晶硅生长方法，首先通过采用模拟单晶硅棒及热电偶检测单晶硅棒上的温度分布状态，确定单晶硅棒上920℃‑700℃温度区间的实际位置，并对这一位置区间设置冷却管，对晶棒进行冷却；使单晶硅棒在920℃‑700℃温度区间的停留时间小于180min，以确定单晶硅提拉速度，防止氧化堆垛缺陷（OSF）的形成。本发明在不降低生产效率的前提下，可生长长度大于1.0m的单晶硅棒，不形成OSF缺陷。

Description

单晶硅生长方法
技术领域
本发明涉及一种单晶硅生长方法，具体涉及直拉法单晶硅生长时控制热氧施主的形成和n型转变的方法。特别涉及直拉法单晶硅生长工艺中单晶硅棒的温度检测与在特定温度下停留时间的控制。
背景技术
在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法（Czochralski，缩写CZ），在直拉法中，将多晶硅填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，将籽晶浸入硅熔液中后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔液的界面处凝固结晶，形成单晶硅锭。
在单晶硅中可能存在多种缺陷，包括位错、空位、间隙原子、堆垛、掺杂元素分布不均等。众所周知，在这些缺陷中堆垛缺陷是在单晶硅氧化过程中形成的，被称为氧化诱导堆垛缺陷（Oxidation induced Stacking-Faults，简称OSF），OSF缺陷对电子器件的制造有害。OSF缺陷是在晶体提拉生长过程的特定条件下形成，非专利文献G. Rozgonyi, p149, Semiconductor Silicon 2002 vol1, Electrochemical Society proceeding volume 2002-2，对此做过详细的研究，OSF晶核在一些特定的V/G范围内形成（V是单晶硅棒的提拉速度，G是单晶硅棒生长界面处的温度梯度）。对于p型单晶硅，OSF成核主要与V/G值范围相关。但是对于n型单晶硅，OSF成核不仅与V/G值范围相关，还与单晶硅棒的热历史（即，降温工艺制度）以及单晶硅棒中的氧含量及其分布相关。因此，通常n型单晶硅中的OSF晶核，不仅可以在p型OSF晶核形成条件下形成，而且可以在比p型OSF晶核形成条件要宽松的多的条件下形成。
通常情况下，硅晶体中氧原子在450℃下形成氧施主，可称为热氧施主。最近工业上采用Czochralski 法生长单晶硅，所生长的单晶硅棒都非常长，通常超过1m以上。而这么长的单晶硅棒在450℃下停留的时间也很长，从而更容易形成热氧施主。而且一旦形成这种热氧施主，即使生长的是p型单晶硅棒，有些时候晶体也会转变成n型。这种现象被称为晶体生长过程中的n型转变。由于在n型晶体中，OSF缺陷形成条件更加宽松。因此一旦发生这种n型转换，在n型转换区域内更容易形成OSF缺陷，增加了控制晶体质量的难度。
抑制OSF缺陷形成最简单的方法是，减少单晶硅棒在450℃下保持的时间，从而抑制单晶硅的n型转变。但是对于长尺寸单晶硅棒而言，减少单晶硅棒在450℃下停留的时间是十分困难的。如果采用降低单晶硅棒长度的方法来减少单晶硅棒在450℃下停留的时间，将大大降低生产效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶硅生长方法，在不降低生产效率的前提下，抑制n型转变，防止OSF成核的发生，并具有所采用的测量方法简便直观、结果精确的优点。
我们发现，采用直拉法生长单晶硅时，将单晶硅棒在920℃-700℃温度区间的停留时间降低到180min以下时，没有OSF成核。对于电阻值在10-5Ω/cm范围的单晶硅，晶棒在920℃-700℃温度区间的停留时间最长可以到200min而不出现OSF成核。对于电阻率小于5Ω/cm的低电阻率的单晶硅棒，则很少发生n型转变，也没有OSF晶核形成。
为了达到以上的目的，本发明工艺技术通过以下方法实现：通过减少单晶硅棒在920℃-700℃温度区间的停留时间，控制n型转变，防止形成OSF晶核。
本发明的特征在于，减少单晶硅棒在920℃-700℃温度区间的停留时间通过在提拉腔体内设置冷却管的方法来实现，冷却管的长度覆盖单晶硅棒上920℃-700℃的实际位置。
单晶硅棒的温度不仅与提拉速度相关，而且更与单晶硅棒与熔体表面的距离相关。本发明专利的特征在于，单晶硅棒上920℃-700℃的实际位置可以通过采用模拟单晶硅棒及热电偶测量直接获得。
具体的，本发明提供一种单晶硅生长方法，其中采用直拉法单晶硅生长工艺，其特征在于，首先通过采用模拟单晶硅棒及热电偶检测单晶硅棒上的温度分布状态，确定单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，并在提拉腔体内对这一位置区间设置冷却管，对单晶硅棒进行冷却；使单晶硅棒在920℃-700℃温度区间的停留时间小于180min，以此确定单晶硅提拉速度V。
进一步的，本发明的特征在于，采用带有热电偶的模拟单晶硅棒测量单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，记录为P920和P700；其中P920为单晶硅棒上920℃位置到熔体表面的距离，P700为单晶硅棒上700℃位置到熔体表面的距离；热电偶采用R型（Pt/Pt-Rh 13%）热电偶。
进一步的，本发明的特征在于，在提拉腔体内设置冷却管，冷却管的长度覆盖单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，冷却管的长度至少为L= P920- P700。
进一步的，本发明的特征在于，单晶硅棒920℃的位置到熔体表面的距离P920为250mm，单晶硅棒700℃的位置到熔体表面的距离P700为450mm，冷却管的位置为熔体表面以上250mm至450mm。
进一步的，本发明的特征在于，单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间小于180min，提拉速度V≥L/180。
进一步的，本发明的特征在于，本专利中采用的冷却管可以是普通冷却管，例如，专利CN1406291A提供的水冷却管；水冷却管中冷却水的入口温度为23℃，出口温度低于28℃。
进一步的，本发明的特征在于，冷却管也可以采用无水的碳冷却管，如果采用碳冷却管，冷却管内壁与晶棒表面的距离就成为非常重要的参数，其适当的距离是20mm。
进一步的，本发明的特征在于，采用无水的碳冷却管时，要求在碳管内采用氩气冷却，其适合的流量是大于200L/min 且小于 400L/min。当大于200L/min时，可以充分冷却。但是当流量大于400L/min时，将产生振动，影响晶体生长。
本发明工艺的优点在于：所采用的测量方法简便直观、结果精确，可直接测量获得单晶硅棒上的温度分布状态，进而确定单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置；可在不降低生产效率的前提下，抑制n型转变，防止OSF成核的发生。
附图说明
图1为本发明单晶硅生长冷却管位置图。
具体实施方式
实施例1
生长直径为8英吋的单晶硅棒的方法，其中，采用28英吋石英坩埚，熔化140kg多晶硅；采用不锈钢制备的水冷却管，冷却管的位置为熔体表面以上250-450mm，冷却管的内径为260mm。
在生长晶体之前，晶体的温度状态采用模拟单晶硅棒和R型热电偶进行测量，模拟单晶硅棒920℃的位置距离熔体表面为268mm，模拟单晶硅棒700℃的位置距离熔体表面为416mm，模拟单晶硅棒在920℃-700℃之间的距离L=416-268=148mm。这说明要使单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间小于180min，提拉速度至少为V=148/180=0.823mm/min。
利用以上信息，生长电阻率为10-15Ω/cm的单晶硅时，控制提拉速度为0.9mm/min，冷却水的入口温度为23℃，出口温度低于28℃，单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间为165min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为n型，电阻为15Ω，形成了热氧施主，但未观察到OSF缺陷。
实施例2
利用以上信息，生长电阻率为10-15Ω/cm的单晶硅时，控制提拉速度为1.2mm/min，冷却水的入口温度为23℃，出口温度低于28℃，单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间为123min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为p型，电阻为15Ω，未形成热氧施主，未观察到OSF缺陷。
对比例1
采用与实施例1相同的方法，生产10-15Ω/cm的p型单晶硅时，控制提拉速度为0.7mm/min，单晶硅棒在920℃- 700℃的停留时间为211min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为n型，电阻为12Ω，形成了热氧施主，在晶片边缘观察到OSF缺陷形成。
实施例3
生长直径为8英吋的单晶硅棒的方法，其中，采用28英吋石英坩埚，熔化140kg多晶硅；采用碳制备的冷却管，冷却管的位置为熔体表面以上250-450mm，冷却管的内径为238mm。
在生长晶体之前，晶体的温度状态采用模拟单晶硅棒和R型热电偶进行测量，模拟单晶硅棒920℃的位置距离熔体表面为272mm，模拟单晶硅棒700℃的位置距离熔体表面为431mm，说明要使单晶硅棒在920℃-700℃的位置包含在碳冷却管的范围内，碳冷却管的长度至少为L=431-272=159mm；要使单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间小于180min，提拉速度至少为V=159/180=0.883mm/min。
利用以上信息，生长电阻率为10-15Ω/cm的单晶硅时，控制提拉速度为0.9mm/min，氩气的流量大于220 L/min，单晶硅棒在920℃- 700℃的停留时间为178min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为n型，电阻为11Ω，形成了热氧施主，但未观察到OSF缺陷。
实施例4
利用以上信息，生长电阻率为10-15Ω/cm的单晶硅时，控制提拉速度为1.3mm/min，氩气的流量大于380 L/min，单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间为123min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为P型，电阻为13Ω，未形成热氧施主，未观察到OSF缺陷。
对比例2
采用与实施例3相同的方法，生产电阻率为10-15Ω/cm的p型单晶硅时，控制提拉速度为0.8mm/min，单晶硅棒在920℃-700℃的停留时间为200min。晶体生长后，在头部取晶片分析，电学特征为n型，电阻为9Ω，形成了热氧施主，在晶片边缘观察到OSF缺陷形成。

Claims (11)

1.单晶硅生长方法，采用直拉法单晶硅生长工艺，其特征在于，首先通过采用模拟单晶硅棒及热电偶检测单晶硅棒上的温度分布状态，确定单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，并在提拉腔体内对这一位置区间设置冷却管，对单晶硅棒进行冷却；使单晶硅棒在920℃-700℃温度区间的停留时间小于180min，以此确定单晶硅提拉速度V。
2.根据权利要求1所述的单晶硅生长方法，其特征在于，采用带有热电偶的模拟单晶硅棒测量单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，记录为P920和P700；其中P920为单晶硅棒上920℃位置到熔体表面的距离，P700为单晶硅棒上700℃位置到熔体表面的距离；热电偶采用R型热电偶，R型热电偶为Pt/Pt-Rh 13%热电偶。
3.根据权利要求2所述的单晶硅生长方法，其特征在于，在提拉腔体内设置冷却管，冷却管的长度覆盖单晶硅棒上920℃-700℃温度区间的实际位置，冷却管的长度至少为L= P920- P700。
4.根据权利要求3所述的单晶硅生长方法，其特征在于，单晶硅的提拉速度V≥L/180。
5.根据权利要求3所述的单晶硅生长方法，其特征在于，所采用的冷却管为水冷却管，水冷却管中冷却水的入口温度为23℃，出口温度低于28℃。
6.根据权利要求3所述的单晶硅生长方法，其特征在于，所采用的冷却管为无水的碳冷却管，冷却管内壁与晶棒表面的距离是20mm。
7.根据权利要求6所述的单晶硅生长方法，其特征在于，在碳冷却管内采用氩气冷却，氩气流量范围为大于200 L/min且小于400 L/min。
8.根据权利要求3所述的单晶硅生长方法，其特征在于，单晶硅棒920℃的位置到熔体表面的距离P920为250mm，单晶硅棒700℃的位置到熔体表面的距离P700为450mm，冷却管的位置为熔体表面以上250mm至450mm。
9.根据权利要求8所述的单晶硅生长方法，其特征在于，所采用的冷却管为水冷却管，水冷却管中冷却水的入口温度为23℃，出口温度低于28℃。
10.根据权利要求8所述的单晶硅生长方法，其特征在于，所采用的冷却管为无水的碳冷却管，冷却管内壁与晶棒表面的距离是20mm。
11.根据权利要求10所述的单晶硅生长方法，其特征在于，在碳冷却管内采用氩气冷却，氩气流量范围为大于200L/min且小于400L/min。
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