CN1069298A - 利用会切磁场和晶体及坩埚转速的组合控制硅晶体氧含量的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种生产硅棒的丘克拉斯基法，其中单晶 硅棒从盛在与之共轴的坩埚内的硅熔体中拉出，硅棒 和坩埚沿其轴以相反方向旋转，在硅棒生长期间其转 速大于坩埚转速，坩埚转速随棒长度的增加而增加； 在硅熔体上施加基本沿棒轴旋转对称的磁场，直到一 定比例的硅烷体固化为止，磁场具有垂直贯穿坩埚的 底和侧壁的分量和垂直贯穿硅熔体表面的分量，垂直 贯穿熔融硅表面的平均磁场分量约为0，而垂直贯穿 坩埚底和侧壁的磁场分量的强度随硅熔体固化比例 的增加而减小。

Description

本发明涉及通过改变会切磁场（cusp    magnetic    field）和改变晶体及坩埚转速相组合，控制丘克拉斯基法拉出的硅晶棒中氧的浓度和分布的方法。

从容器中盛放的熔融液体中生长晶体时，容器的构成材料部分地溶解在熔融液体中，进而迁移到产品晶体中成为杂质。在硅的熔化温度（大约1420℃）下，与熔体接触的二氧化硅（SiO₂）坩埚表面溶解。部分溶解的二氧化硅以SiO（一氧化硅）形式自熔体表面挥发，另一部分溶解的二氧化硅进入生长着的晶体中，其余的溶解二氧化硅滞留在熔融的硅中。因此，用来盛装硅熔体的二氧化硅坩埚就成为在用常规的丘克拉斯基法生长的硅晶体中发现的氧的来源。

硅晶体中的氧，可以有有利和不利的两方面作用。在制造各种电子器件过程中经历的各种热处理过程中，晶体中的氧会造成晶体缺陷，例如沉积物、位错环和堆垛层错等，也会造成电活性缺陷，导致器件的性能特性差。然而，氧在晶体中的固体溶液增加了硅片的机械强度，而且晶体缺陷由于截留重金属污染物可以改进合格产品的产率。因此，硅晶体中的氧含量是产品质量的重要因素，必须按硅片的最终使用要求加以小心控制。

在流行于八十年代早期工业中的丘克拉斯基条件下生长出的硅晶体中，氧浓度沿晶体的长度改变，例如氧浓度在晶体的种晶端高于中部和/或底（或尾）端。此外，沿着晶体横截片的半径也存在氧浓度上的变化。

Frederick等人在US4，436，577中，提出了一种控制在种晶对盛在二氧化硅坩埚中的硅熔体作用下拉出的硅晶棒中氧含量及其分布的方法。按照这种方法，当种晶棒从熔体中拉出时，使种晶棒沿与熔体坩埚旋转的旋转方向相反的方向以更高的速度旋转，同时随着坩埚中熔体的减少增加坩埚的旋转速度，从而控制氧的分布。

但是，最近几年硅半导体技术的进展，产出了与Frederick等人专利中所公开的相比直径更大的硅晶体。因此需要使用更大的熔融物装料量和更大直径的坩埚。此外，半导体制造技术已发展到一般要求从晶锭上切下的硅片中含氧量更低，控制更准确。所以，由于一些更大的物理参数所施加的物理限制，使得要使氧含量在一切所需的浓度范围内均匀变得越来越困难，因而限制了有可能实现晶体稳定生长的晶体和坩埚旋转速度范围。

近年来，有人尝试采用一种轴向对称、径向会切的磁场作为这种日益困难的氧控制问题的一种解决方案。在日本特开昭58（1983）-217493中提出了这种方法。按照此法，将其中沿相反方向通有环形电流的一对线圈设置在熔融液体的上方和下方。这样一来，在沿着熔融液体深度1/2位置上形成径向水平磁场。该申请人认为，这种径向会切磁场限制了熔融液体的流动，因而使熔体稳定化并防止了坩埚带来的污染。

Barraclough等人在WO89-08731（申请日：89.9.21）中提出了针对会切磁场法的改进方法;按照Barraclough等人的观点，这种磁场应当具有平行于晶体旋转轴的磁场分量，其强度在生长着的晶体和熔体之间的界面上小于500高斯，而在熔体的其它部分上大于500高斯，而且在晶体生长期间保持这种磁场分布。

Hirata等人在日本特开平1（1989）-282185中提出了一种不同的改进方法。Hirata等人控制氧之类迁移性杂质的方法是：在熔体上施加会切磁场，使坩埚和晶体沿相反方向旋转，并使坩埚的旋转速度高于晶体的旋转速度。

Hirata等人在日本特开平2（1990）-55284中又提出另一种改进方法。Hirata等人控制氧之类迁移性杂质的方法是：在熔体上施加会切磁场，改变垂直贯穿熔融液体表面的磁场分量的强度与垂直贯穿熔融液体底表面的磁场分量的强度之比。这个比例可以按下列方式改变：（1）相对坩埚移动线圈（同时使线圈间距离保持恒定）;（2）改变线圈之间的安匝比;或者（3）改变线圈之间的距离。

但是，迄今提出的这些会切磁场法都不能令人完全满意。在某些条件下，在会切磁场中生长的晶体，与采用轴向磁场时所观察到的类似，氧的轴向和径向均匀性均不好。往往是在固化过程的较后阶段遇到这个问题，其原因可能是由于氧或含氧化合物在靠近该区域中较强垂直向磁场附近的滞留区内积累。

因此，在本发明目的之中可以提到的是，提供一种控制由种晶对盛在二氧化硅坩埚中的硅熔体的作用而拉出的硅晶棒中的氧含量及其分布的方法;提供能使氧含量分布均匀而且处于所需水平的上述方法;提供适用于制备具有较大直径和较低氧含量的硅棒的上述方法。

所以，简言之，本发明涉及生产硅棒的丘克拉斯基法，其中从盛放在与硅棒同轴的坩埚中的硅熔体中拉制单晶硅棒。在该方法中，使硅棒与坩埚绕其轴以相反方向旋转，硅棒的转速在其生长过程中大于坩埚的转速;随着硅棒长度的增加，增大坩埚的转速;在硅熔体上施加一个沿硅棒轴基本上呈旋转对称的磁场，直到一定比例的硅熔体固化为止;所述磁场具有垂直贯穿坩埚底和侧壁的分量;随着硅熔体固化比例的增大，减小垂直贯穿坩埚底和侧壁的磁场分量的强度。

其它发明目的在以下说明中一部分将显而易见，一部分将要指出。

图1是本发明一种具体方案中丘克拉斯基晶体生长设备的断面视图;

图2是图1的部分放大视图，进一步说明在实施例中规定的一组条件（1500安培）下所产生的磁场;

图3是说明按实施例所述拉出的150mm硅晶棒中氧浓度线性数学模型的曲线图;

图4至图9图示了实施例的模型所预期的磁场电流和坩埚旋转速度的组合将使六个不同长度的150mm硅单晶具有四种不同的氧含量;

图10图示了实施例的模型所预期的磁场强度和坩埚转速的程序组合将使150mm硅单晶中具有13PPMA的恒定氧含量。

参看图1，其中图示说明的是本发明采用的一种丘克拉斯基晶体生长设备。由电阻加热器5包围的坩埚3处于真空室1内。坩埚驱动单元7驱动坩埚按箭头所示的顺时针方向旋转，在必要时使坩埚上升和下降。坩埚3中是硅熔体9，其熔体水平面为11，从连接在提拉轴或缆索17上的种晶15开始从熔体水平面11拉制单晶13。坩埚3和单晶13有共同的对称轴19。通过晶体驱动单元21使提拉轴或缆索17按逆时针方向旋转，在必要时使之上升或下降。加热器电源23给电阻加热器5提供电能，绝热层25衬在真空室内壁上。来自瓶27的氩气经由气体流量控制器29送入真空室1，同时用真空泵31从真空室中除去气体。真空室四周设真空室冷却夹套33，其中的冷却水由贮槽35供给，然后排到冷却水回流集流槽37之中。光电池39测量熔体表面温度，直径传感器41测量单晶13的直径。它们的信号由控制单元43处理。这种控制单元既可以是程控数字计算机，也可以是程控模拟计算机;它控制坩埚和单晶驱动单元7和21、加热器电源23、上下线圈电源49和51，泵31以及氩流量控制器29。

上螺线管45和下螺线管47处于真空室1四周，分别位于硅熔体表面11的上下，并具有对称轴19。上下螺线管各有单独的电源：上螺线管电源49和下螺线管电源51，它们都连接到控制单元43上。电流在此二螺线管中以相反方向流动产生会切磁场。从贮槽53向上下螺线管中供冷却水，然后排至冷却水返流集流槽37之中。在上下螺线管周围设铁屏蔽罩55，用以减小杂散磁场和提高所产生磁场的强度。

为生长硅单晶，在坩埚3中加入一定量多晶硅，在加热器5中通入电流以熔化装料。硅熔体中也可以含一些本领域已知的为改进硅的电学性能而加入的掺杂剂。在惰性气氛（如氩气）下，降低种晶15使之与熔体接触，然后缓缓从熔体中拉出，硅在种晶上固化而造成单晶的生长。拉单晶时使晶体以预定速度旋转，得到圆柱形单晶棒，以相似方式使坩埚以第二个预定速度相对于单晶棒反方向旋转。开始时控制提拉速度和供给加热器的能量，使晶体出现颈缩，然后再调节到使晶体的直径以锥形方式增加，直到达到预定的晶体直径为止。接着控制提拉速度和加热功率，以便在拉单晶过程终止之前使直径保持恒定。此时，提高提拉速度和加热功率使直径减小，在单晶棒的尾端形成一个锥形部分。

当单晶13达到预定的直径（例如150mm或200mm）后，控制单晶和坩埚的旋转速度以便调节其中的氧在轴向和径向上的浓度和分布。坩埚的旋转速度一般为1～10转/分，优选至少约为4转/分;而单晶的旋转速度比坩埚的旋转速度大得多，即一般比后者约大10～20转/分，至少约大5转/分。此外，为了避免在熔融硅中形成熔体波，控制坩埚和单晶的旋转速度，使其总和不超过预定值。该预定值对于每种体系依经验确定，它取决于单晶的直径、坩埚的直径和坩埚中加入硅的数量。例如，坩埚与结晶旋转速度之和（转/分），在150mm单晶棒、350mm坩埚和34千克硅加料量的情况下不应超过约32，在200mm单晶棒、450mm坩埚和60千克硅加料量的情况下不应超过约25。

以前曾发现，掺入单晶中的氧量不仅取决于坩埚与熔体接触的面积，而且还取决于坩埚的转速（参见US4，436，577，该专利列入本申请作为参考）。一般来说，单晶棒的氧含量在单晶棒和坩埚转速固定时随熔融料固化比例的增加沿轴向减小。因此，通过随固化比例的增加而增加坩埚转速的方法至少可以部分消除这种影响。然而，十分明显的是：对于具有较大直径和较低氧浓度[例如小于约15PPMA（ASTM标准F-121-83）]的单晶棒来说，用只控制转速的方法调节其中的氧含量变得越来越困难了。

据发现，如果按照规定程序控制转速并在硅熔体上施加径向会切磁场，对于直径较大，特别是氧浓度较低的单晶棒来说，可以在轴向和径向更精确地控制氧浓度。现在来看图1和2，以下将说明适于此目的的程序和设备。使电流按所示方向（“·”表示电流流出纸面，“×”表示电流流入纸面）通过上下螺线管45和47，从而使磁场施加在坩埚3和硅熔体9上。磁场的形状由具有所示数值（单位：高斯）的矢量57表征。该磁场具有垂直贯穿坩埚底和侧壁的水平分量和垂直分量，此外还可以有垂直贯穿硅熔体表面的垂直分量。但是，垂直贯穿熔融硅表面的平均磁场分量，优选小于垂直贯穿坩埚与熔融硅接触的底和侧壁的平均磁场分量，即，垂直贯穿熔融硅表面的平均磁场分量不大于垂直贯穿坩埚与熔融硅接触的底和侧壁的平均磁场分量的约十分之一。垂直贯穿熔融硅表面的平均磁场分量，最好等于或接近于零，即，磁场的零平面位于或靠近硅熔体表面。可以采用的二个螺线管45和47的垂直位置、匝数和相对电流值，应使零磁场位于或靠近熔体表面11的平面处。

开始晶体拉制过程时，在螺线管45、47中通入电流，使预定强度的磁场施加在硅熔体和坩埚上。预定的磁场强度依单晶棒直径、坩埚直径、加料量和所需的氧含量而变，但易于确定，无需过多的实验。磁场的最大预定强度，一般小于几千高斯，最好约为400～1000高斯。随着单晶长度增大，即随着熔化料固化比例的增大，利用减小流过螺线管的电流、相对于坩埚移动螺线管或者移动或撤去磁屏蔽等方法减小磁场强度。优选通过减小流过螺线管的电流量来降低磁场强度。

随着磁场强度减小，垂直贯穿坩埚底和侧壁的磁场分量减小。然而，由于磁场的零平面保持在位于或靠近硅熔体表面处，所以垂直贯穿硅熔体表面的平均磁场分量与垂直贯穿坩埚与熔融硅相接触的底和侧壁的平均磁场分量之间的比例不会有显著变化。

随着单晶棒长度增加和熔融料固化比例增加，虽然可以将磁场强度调节到低于其初始值的水平，但是在预定比例的熔融料固化后最好完全关闭磁场。一般在约50%-80%的熔融料固化后关闭磁场。此后，通过增加坩埚相对于单晶的旋转速度调节氧含量。

依照单晶公称直径、坩埚直径、加料量和磁场特性等参数，在操作中某一时刻增加加在熔体上的磁场强度和/或降低坩埚转速可能较为理想。在本发明范围内设想出这样一些方案，只要（a）将磁场减小到某个低于其初始值的水平和（b）在一定比例的熔融料固化之后相对于单晶转速增加坩埚的转速就可以了。

如以下实施例所详细说明的那样，可以使用本发明方法来精确控制具有较低氧浓度（即小于15PPMA氧）的单晶中的氧浓度。这些单晶棒中氧的浓度梯度，在径向优选小于5%，在轴向优选小于5～10%，最好为5%。实施例将提出可以用于获得所需结果的一组条件。对于其它单晶直径、磁场强度、坩埚转速、坩埚尺寸和硅加料量，可以产生与图3相似的数据。然后可以导出适于产生所需的轴向氧分布的、坩埚转速和场强递减程序，如图10所示。因此该实施例不应当在限制性意义上作出解释。

下列实施例详细说明本发明。

实施例

利用图1和2的设备（不同的是螺线管为串联并由同一电源供电），自盛有34kg多晶硅加料的350mm直径坩埚中拉制单晶硅棒（公称直径150mm）。晶体转速为12～24转/分，坩埚转速固定为4转/分。一组试验未加磁场。另一组试验施加了如图2所示的磁场，该磁场是由每个螺线管中通入1.5KA电流（电流方向相反）产生的，在硅-石英界面处平均场强约为400高斯。其它各组试验中改变坩埚转速和场强。

测定了单晶硅棒中氧的轴向分布，将测得的氧数据代入以氧为因变量的数学模型中，自变量是单晶长度、磁场强度（以螺线管激励电流表示）和坩埚转速。此模型是有如下六个系数的线性模型：

项    系数    变量(线性)    系数单位

1    15.573    常数    PPMA(ASTM  F121-83)

2    -0.118    长度    PPMA/CM

3    0.286    坩埚转速    PPMA/RPM

4    -2.153    场强    PPMA/KA

5    0.063    长度/坩埚转速    PPMA×RPM/CM

6    0.037    长度×场强    PPMA/CM/KA

所有系数的有效位数均达到0.0001或更小，均方根误差为0.44PPMA。图3表明此模型与试验吻合。

图4-图9表明，所述模型所预期的磁场激励电流和坩埚转速的组合，将使六个不同长度的晶体具有四个不同的氧浓度。除非另外指明，否则全部氧含量数据均是按ASTM标准F121-83测定的，长度单位是厘米。

图10表明：所述模型所预期的场强和坩埚转速的组合将产生恒定的氧含量13PPMA。此程序规定，坩埚转速起初定在5转/分，开始时施加的磁场是由按相反方向通入每个螺线管各约2千安电流产生的;在晶体分别拉出10、20、30和40厘米之后，按指出的方式降低场强;拉出40厘米时，场强降低到零。减小场强的同时，拉出40厘米之后坩埚转速从5转/分增加到6转/分，拉出50厘米后增加到10转/分。

对于其它晶体直径、场强、坩埚转速、坩埚尽寸和硅装料量，可以产生与图10相似的数据。然后可以推导出形成所需的氧轴向分布所应采用的坩埚转速和场强递减程序。

鉴于上述看出，本发明的诸目的得以达到并获得了其它有益结果。

上述方法在不超出本发明范围的条件下可以作各种更改，所以上述说明中所包含的全部内容应当视为说明性而非限制性的。

Claims (10)

1、一种生产预定直径单晶硅棒的丘克拉斯基法，其中单晶硅棒从盛在坩埚中的硅熔体中拉出，单晶硅棒与坩埚同轴，该方法包括如下步骤：

使晶棒与坩埚沿其轴以相反方向旋转，晶棒的转速大于坩埚转速；

在硅熔体上施加沿棒轴基本上呈轴对称的磁场，直到一定比例的硅熔体固化为止；所述磁场具有垂直贯穿坩埚底和侧壁的分量和垂直贯穿熔融硅表面的分量，垂直贯穿底和侧壁的平均磁场分量大于垂直贯穿熔融硅表面的平均磁场分量；

其特征在于，在达到预定的单晶棒直径后，随着硅熔体固化比例的增加而增大坩埚的转速并降低磁场强度。

2、按照权利要求1所述的方法，其中在硅熔体固化比例超过约0.5之后将垂直贯穿坩埚底和侧壁的磁场分量减小到零。

3、按照权利要求2所述的方法，其中在拉制晶棒期间使晶棒转速高于坩埚转速至少约5转/分。

4、按照权利要求1所述的方法，其中在硅熔体固化比例超过约0.8之后将垂直贯穿坩埚底和侧壁的磁场分量减小到零。

5、按照权利要求1所述的方法，其中在垂直贯穿坩埚与硅熔体相接触的底和侧壁的磁场分量平均值，起初至少约为500高斯。

6、按照权利要求5所述的方法，其中在硅熔体固化比例超过约0.5之后，将垂直贯穿坩埚底和侧壁的磁场分量减小到零。

7、按照权利要求5所述的方法，其中在拉制晶棒期间使晶棒转速超过坩埚转速至少约5转/分。

8、按照权利要求1所述的方法，其中晶棒直径约为200mm，坩埚与晶棒转速之和不超过约27转/分。

9、按照权利要求1所述的方法，其中晶棒直径约为150mm，坩埚与晶棒转速之和不超过约32转/分。

10、按照权利要求1所述的方法，其中晶棒的轴向氧浓度梯度不超过约5%。

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