CN108166055A - 一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术，通过在坩埚内部熔体表面下10mm处添加一个整流涡轮，并使其随着坩埚同步旋转。坩埚壁处自然对流的上升液流就会沿涡轮叶片导向坩埚中心，不会在坩埚壁处形成紊流。因此整流涡轮可以有效地改变熔体流动方向，控制晶体生长过程中硅熔液的紊流，从而保持晶体稳定生长，同时排除熔体中的氧，达到获得高性能的大尺寸集成电路用单晶硅锭的目的。

Description

一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术

技术领域

本发明涉及集成电路用单晶硅生长技术领域，尤其是涉及大尺寸硅单晶的直拉法制造工艺中的液体流场控制。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。单晶硅可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

直拉法，也叫切克劳斯基（Czochralsik）方法，此法早在1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法，后来经过很多人的改进，成为现在制备单晶硅的主要方法。用直拉法制备硅单晶时，要把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。

CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。

在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微地旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅熔液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。

控制直径、保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1420℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。熔体的流动状态对直拉法的单晶硅的生长有着显著的影响。它影响着掺杂剂的分布、生长界面形状和直径的大小，更重要的是还影响着CZ-Si中的氧含量及其分布。氧是硅中含量高且行为复杂的杂质，它的含量及其分布影响着硅片的电阻率等。控制氧的含量及其成分分布成为提高硅单晶质量的有效途径，在相当程度上达到已经归结为了如何控制硅单晶的熔体流动的问题。

在实际的CZ工艺中，晶体生长系统不可能是等温系统，一般来说也不是等浓度系统，因此生长系统中存在沿着坩埚壁向上和沿着熔体上部向里的自然对流。在重力场中，流体由于温度差或者浓度差导致的浮力差，产生了轴向的自然对流。液体表面的温度差引起的表面张力差，从而也会产生径向的自然对流。另一个方面，生长系统中又存在轴向的强迫对流。由于晶体生长的需要，系统中存在压强差作用下气体的强迫对流，如熔体生长系统的保护气体流和气相生长系统中的原料气等构成的气体流。晶体生长系统中还往往存在晶体与坩埚的同时反向旋转，引起熔体的强迫对流。在晶体的生长过程中，晶体、坩埚的旋转可以适当使得温度对称，并且使得熔体起到搅拌的作用，减少紊流的程度，并且前者的速度一般是后者的2~4倍。这种反向转动使得坩埚中熔体的中心区域和外围区域产生相对运动，在固液界面下方形成泰勒柱区域，泰勒柱的形成阻碍了熔体杂质的扩散，但它在晶体生长区域的下方形成了一个相对稳定的区域，有利于晶体的生长。

在目前的硅单晶的生长工艺中，常常在坩埚的底部再加一个辅助加热器，形成一个从坩埚底部向上的热对流。这样对熔体的流动产生影响的主要有五个因素，一是主加热器在坩埚壁附近向上形成的热对流，二是辅助加热器坩埚底部向上的热对流，三是晶体生长形成的从晶体向外的热对流，四是晶体旋转产生的强制流动，五是坩埚旋转产生的强制流动。这些因素综合在一起形成的液体流动非常复杂，同时这些因素产生的流动作用却随着生长晶体直径越来越大，坩埚的尺寸也相应地加大，通常情况下坩埚的尺寸是晶体直径的3倍左右，此时这些因素对液流的控制不足。为了保证晶体生长的热量，工艺中要求提高坩埚壁的温度，这样就在坩埚壁附件形成了一个紊流，导致液体流动场不稳定。传统的方法解决这一问题是通过加大晶体和坩埚的旋转速度，但是这种方法具有很强的局限性，过大的旋转速度会导致晶体和坩埚的不稳定。另一种方法是加入强磁场，来抑制硅熔液的紊流，但强磁场成本非常高，能耗大，对环境的影响和要求都极为苛刻。

为解决大尺寸集成电路用单晶硅生长工艺中发生的液体紊流问题，有效地控制液熔体流动，抵制坩埚壁附件的紊流，使埚壁附件的高温液体平稳快速地向中心方向流动，加强熔体内部均匀性，保持晶体稳定生长，同时排除熔体中的氧，获得高性能的大尺寸集成电路用单晶硅锭。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术，控制晶体生长过程中硅熔液的紊流，保持晶体稳定生长，同时排除熔体中的氧，获得高性能的大尺寸集成电路用单晶硅锭。为达到上述的目的，本发明技术通过以下技术方案来实现：

晶体生长过程中，在熔体表面下10mm处加一个整流涡轮。整流涡轮结构如图1所示，由涡轮外圆环101和涡轮叶片102构成。

整流涡轮的材质为石英玻璃或石英陶瓷。整流涡轮具有以下结构特征：整流涡轮为对称式结构。

涡轮外圆环101的外径与坩埚内径的关系为：

式中，为涡轮外圆环的外径，为坩埚内径。

涡轮外圆环的高度为

涡轮外圆环101的厚度为3mm。

涡轮叶片102与涡轮外圆环101垂直连接，与涡轮外圆环101上下两个平面在外圆环处形成一个外圆夹角α（如图1中103与104的夹角），α的特征为：

式中，为坩埚转速，为晶体转速。

涡轮叶片厚度为1mm，宽度为等宽结构：

涡轮叶片向圆环内均匀延伸，终止于涡轮内圆，其直径为：

式中，为晶体直径。

涡轮叶片与涡轮外圆环101上下两个平面在涡轮内圆处形成一个内圆夹角β，β的特征为：

涡轮叶片数N的特征为，使叶片在涡轮外圆环外的重叠率在40-60%，为加工方便，取重叠率最接近50%时的整数。即对下式取整数：

涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为5-8%。保证熔体中的氧扩散到熔体表面。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。坩埚壁处自然对流的上升液流会沿涡轮叶片导向坩埚中心，不会在坩埚壁处形成紊流。

附图说明

图1为本发明所述的硅单晶生长用多孔石英整流叶轮立体结构示意图。

具体实施例

实施例1

生长直径为300mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为5%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，未出现紊流，晶体生长宏观缺陷少，晶向稳定，晶体质量良好。

实施例2

生长直径为300mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为6%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，生长界面流场稳定，晶棒因机械振动等原因造成熔硅液面的抖动减少，晶体的外形完整，生长条纹少。

实施例3

生长直径为300mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为7%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体的氧含量以及碳含量较低，杂质分布更为均匀。

实施例4

生长直径为300mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为8%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，熔体的温度波动较少，可在较宽的范围内控制氧含量。

实施例5

生长直径为200mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为5%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。生长出的晶体外形完整，纯度高，均匀性良好，生长缺陷的浓度低。

实施例6

生长直径为200mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为6%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，未出现紊流，得到了电阻率较高、COP较低的晶体。

实施例7

生长直径为200mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为7%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，生长区的流场稳定，由热应力引起的翘曲小，晶体的外形较为美观与完整。

实施例8

生长直径为200mm的硅单晶棒，使用坩埚内径，坩埚转速及晶体转速见表1。采用整流涡轮的结构特征为：整流涡轮外圆环厚度为3mm，涡轮叶片厚度为1mm，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为8%。整流涡轮外圆外径、α角、涡轮内圆直径、叶片宽度、β角、涡轮叶片数N等参数见附表。

整流涡轮放置在熔体表面下10mm处，并随坩埚同步旋转。晶体生长过程中，生长液面的波动较小，有效地减少了杂质的不均匀分布，获得了纯度高、生长均匀的单晶硅棒。

Claims (9)

1.一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术，通过坩埚内部熔体表面下10mm处添加一个整流涡轮，并使其随着坩埚同步旋转，以控制晶体生长过程中硅熔液的紊流，保持晶体稳定生长，同时排除熔体中的氧，获得高性能的大尺寸集成电路用单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的大尺寸单晶硅生长液流控制技术，采用的整流涡轮的特征在于，其结构由涡轮外圆环、涡轮叶片构成，且为对称式结构，整流涡轮的材质为石英玻璃或石英陶瓷。

3.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，其特征在于，涡轮外圆环外径与坩埚内径的关系为：，其中，为涡轮外圆环的外径，为坩埚内径。

4.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，其特征在于，涡轮外圆环的高度为 ；涡轮外圆环的厚度为3mm。

5.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，涡轮叶片与涡轮外圆环垂直连接，与涡轮外圆环101上下两个平面在外圆环处形成一个外圆夹角α，α的特征为：，其中，为坩埚转速，为晶体转速。

6.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，其特征在于，涡轮叶片的厚度为1mm，宽度为等宽结构：，涡轮叶片向圆环内均匀延伸，终止于涡轮内圆，其直径满足关系：，其中，为晶体直径。

7.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，其特征在于，涡轮叶片与涡轮外圆环上下两个平面在涡轮内圆处形成一个内圆夹角β，β满足关系式：。

8.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，涡轮叶片数N的特征为：使叶片在涡轮外圆环外的重叠率在40-60%，为加工方便，取重叠率最接近50%时的整数，即对下式取整数： 。

9.根据权利要求2所述的整流涡轮结构，其特征在于，涡轮叶片上开孔，孔径为2.0mm，开孔率为5-8%。