CN109154101B - 生产单晶硅半导体晶片的方法、生产单晶硅半导体晶片的设备和单晶硅半导体晶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产单晶硅半导体晶片的方法、用于进行该方法的设备以及包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片。所述方法包括在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；通过向具有初始高度hm的所述熔体的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体；使所述熔体经受磁场；用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和从所述单晶分离所述单晶硅半导体晶片。

Description

生产单晶硅半导体晶片的方法、生产单晶硅半导体晶片的设 备和单晶硅半导体晶片
本发明涉及用于生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法，其中氧浓度和氧浓度的径向变化相对较低。本发明还涉及适于生产半导体晶片的设备，并且还涉及具有上述性质且具有至少300mm的直径的半导体晶片。
现有技术/问题
具有上述性质的单晶硅半导体晶片是特别用于生产基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电子部件的衬底。衬底的氧浓度必须尽可能低，因为在电子部件的生产过程中，氧有助于热施主(donor)的形成，这可能改变电阻，从而损害部件的操作性能(serviceability)。衬底的氧浓度必须相对较低的要求是一种挑战，特别是当半导体晶片同时预期具有至少300mm的直径时。
在此类情况下，必须通过CZ法生长从中分离半导体晶片的单晶。通过CZ法生长硅单晶包括在石英坩埚中熔化多晶硅，将籽晶浸没在所得熔体中并向上拉制籽晶以起动材料在籽晶下侧上结晶，同时旋转石英坩埚和籽晶。该材料的一部分形成硅单晶，通常从该晶体分离硅单晶半导体晶片。
硅熔体将氧从坩埚材料中溶解出来，并且该氧部分地掺入生长的单晶中，且部分地以气态SiO形式从熔体中逸出。必须采取特殊措施来确保单晶中的氧浓度保持足够低，以使单晶材料适于生产IGBT。
另一方面，晶格中氧的存在通过热或机械引入的应力增强了单晶硅半导体晶片的抗滑移性。当单晶中的氧浓度相对较低时，所面临的问题是，从此类单晶分离的单晶硅半导体晶片展现出边缘区域中的氧浓度下降，并且边缘区域特别易发生滑移。
当用n型掺杂剂(例如用磷光体)掺杂熔体时，掺杂剂随着单晶结晶的增加而在熔体中累积。由于这种偏析效应，单晶中的比电阻在朝向单晶下端的方向上下降。从单晶分离并且适合作为用于生产IGBT的衬底的半导体晶片可在其电学性质方面仅略有不同。为了抵消单晶长度上比电阻的降低，可向熔体中添加p型掺杂剂，例如硼，以补偿电荷载流子的偏析诱导性增加。该措施被称为反掺杂，并且详细描述于例如US2015/0 349 066 A1中。
US2007/0 193 501 A1描述了具有不大于4.33×1017个原子/cm3的氧浓度的单晶硅半导体晶片的生产，报告值根据新的ASTM被转换。该文献中包含的实施例显示确实生产了转化浓度为2.6×1017原子/cm3的半导体晶片。该文献中所述的生产方法包括使用反掺杂的CZ法生长单晶硅以增强产率。
EP 0 926 270 A1公开了一种环形加热设备，该设备的使用有助于SiO经由熔体表面逸出。
本发明的目的是说明可如何提供具有甚至更低的氧浓度的单晶硅n型掺杂半导体晶片，特别是氧浓度的径向变化减小的晶片，以及可如何优化此类半导体晶片的产率。
本发明的目的通过用于生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法来实现，所述方法包括：
在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体具有初始高度hM；
通过向所述熔体的具有初始高度hm的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；
通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；
从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；
从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体；
使所述熔体经受磁场；
用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和
从所述单晶分离所述单晶硅半导体晶片。
本发明进一步提供一种单晶硅半导体晶片，其包含氧、热施主和至少一种n型掺杂剂，并且具有不小于300mm的直径。半导体晶片的氧浓度小于2.2×1017个原子/cm3，优选小于2.0×1017个原子/cm3，并且在径向方向上与平均值偏差不大于5％。半导体晶片中的热施主的密度不大于3×1013/cm3。
当包括130mm至150mm的径向位置的边缘区域中的氧浓度与平均值的偏差不大于10％时，是优选的。
本发明人已发现必须采取一系列措施来实现该目的。产生熔体中的流动条件和温度场，其阻碍氧从坩埚材料中溶解并促进SiO通过熔体表面从熔体逸出，并且有助于氧被吸收在生长的单晶中且从单晶的中心至边缘均匀分布。此外，在拉制单晶期间，控制单晶的拉制速度和冷却速率，以保持单晶中热施主的浓度较低。
包含n型掺杂剂的硅熔体优选通过在石英坩埚中熔化多晶硅和n型掺杂剂(例如磷)来提供。
在拉制单晶期间，从至少三个位置向熔体供应热。即从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方、从熔体表面区域的上方以及选择性地从熔体的侧面向上半部分供应热。此外，还可从下方加热熔体，以减轻例如所述至少三个位置中的至少一个位置处的加热输出，同时确保维持总加热输出。例如，可能有利的是，减少来自侧面的热供应，以便保护石英坩埚，并且防止坩埚壁的上部变形以及倾翻至熔体中。
优选实施向熔体的热供应，使得各种情况下加热输出占总加热输出的比例如下：在从相界区域的上方加热熔体的情况下不小于5％且不大于15％，并且在从表面区域的上方加热熔体的情况下不小于5％且不大于15％。如果从下方另外加热熔体，则为此所耗用的加热输出占从侧面加热熔体所耗用的加热输出的比例优选不大于5％。
从侧面供应热必须选择性地朝向熔体体积的上部。换句话说，从熔体体积的较低部分的侧面有意加热不会在晶体生长程序开始时发生，并且优选直至70％的初始熔体体积已成为单晶组分时才开始发生。否则不能产生熔体中期望的流动条件和期望的温度场。因此，所述方法包括向熔体的具有初始高度hm的熔体上部体积选择性地供应热，其中所述高度hm小于所述熔体的初始高度hM。比率hm:hM优选不大于0.75。
由单晶结晶引起的熔体的下降通过石英坩埚的升高来补偿。
此外，从上方加热熔体，具体是在生长的单晶和熔体之间的相界区域和熔体表面区域，更特别是在围绕生长的单晶的热屏蔽体和石英坩埚壁之间的熔体表面区域发生。使用实际上彼此不受影响的两个加热构件实施两个区域的加热，因为热屏蔽体阻止了两个加热构件中的一个对各自的另一区域的额外加热。
从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方加热熔体特别用于控制生长的单晶和熔体之间的相界处的轴向温度梯度G。已知拉制速度V和轴向温度梯度G的商V/G对内部点缺陷(硅间隙原子和空位)和其团聚物的形成具有决定性影响。轴向温度梯度G可通过模拟近似计算，并且通过构建生长的单晶即热区的直接环境而受到显著影响。通过CZ方法以拉制速度V拉制硅单晶，优选地以需要V/G的拉制速度V拉制硅单晶，使得在生长的单晶中，硅间隙原子不形成团聚物并且其存在促进热施主的形成的自由空位的浓度尽可能低，优选不大于3×1014/cm3。因此，特别优选控制商V/G，使得从单晶的中心到边缘，空位占优势而不形成可检测为COP缺陷(晶体原生粒子)的团聚物，和/或从单晶的中心到边缘，硅间隙原子占优势，而不形成可检测为Lpit缺陷(大蚀刻坑)的团聚物。
从熔体表面区域的上方加热熔体有助于产生熔体中的流动条件和温度场，这是将硅单晶中的氧浓度限制为小于2.2×1017个原子/cm3所必需的。
此外，向熔体施加磁场，优选CUSP磁场，即具有绕石英坩埚的旋转轴轴对称的场线结构的磁场。磁场优选具有700-1300高斯的最大通量密度。具有最低磁通量密度的磁场平面优选地在熔体表面上方80mm至160mm的距离处，或在熔体表面下方120mm至220mm的距离处。
为了进一步削减热施主的形成，所述方法优选包括以不小于0.15℃/min且不大于0.6℃/min、优选不大于0.25℃/min的冷却速率，在500℃至400℃的温度范围内冷却生长的硅单晶。发现热施主的浓度随着冷却速率的增加而降低。然而，不应寻求大于0.6℃/min的冷却速率，因为这不利于在径向方向上空位浓度的均匀性。因此，应当考虑到冷却速率通常随着拉制速度的增加而增加的事实。
为了削减进一步加工成单晶硅半导体晶片的单晶区段中比电阻的变化，优选通过将包含p型掺杂剂的气体(例如二硼烷和氩气的混合物)通到熔体表面来用p型掺杂剂反掺杂熔体。然后将该气体引入熔体上方优选离熔体的表面5mm至50mm距离处的气氛中。
为了提高单晶硅半导体晶片的产率，有利的且因此优选的是，只有当由于均匀的直径而适于生产半导体晶片的单晶区段的至少20％、特别优选至少30％结晶时，才起始反掺杂。假设尚未起始反掺杂，则在单晶中形成位错的情况下，可能会使直至此刻结晶的材料再熔化，并且再熔化的材料可共同用于新的晶体生长尝试，因为随后得到的熔体具有与晶体生长程序开始时最初采用的熔体相同的组成。如果重熔材料已经含有两种类型的掺杂剂，则不再是这种情况。位错形成的相对频率在晶体生长程序开始时最大，因此在反掺杂之前等待尽可能长的时间是有利的。
本发明还提供用于通过CZ法生产单晶硅半导体晶片的设备，其包括：
用于接收硅熔体的石英坩埚，其中所述熔体具有初始高度hM；
用于使所述熔体经受磁场的装置；
用于屏蔽生长的硅单晶的热屏蔽体；
第一加热构件，用于从具有下边界的一侧加热所述熔体，所述下边界与所述熔体的表面的距离hs小于所述熔体的所述初始高度hM；
第二加热构件，用于从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；和
第三加热构件，用于从上方加热所述熔体，所述加热构件围绕所述热屏蔽体布置在所述坩埚的壁和所述热屏蔽体之间。
用于使熔体经受磁场的装置优选是用于使熔体经受CUSP型磁场的装置。
熔体的高度hM是指熔体的最大初始高度。如果石英坩埚具有向下凸出的弯曲底部，则熔体的初始高度hM是指石英坩埚中间的熔体的初始高度。
用于从侧面加热熔体的第一加热构件优选电阻加热构件并且具有下边界。第一加热构件的下边界和熔体表面之间的初始距离hs具有大约等于熔体上部体积的初始高度hm的长度，并且小于熔体的初始高度hM。比率hs:hM优选不大于0.75。
用于从上方加热熔体的第二加热构件和第三加热构件优选包括具有环形加热元件的电阻加热构件。在第三加热构件的情况下，所述环的横截面纵横比(高度与宽度)优选不大于0.35，以便能够将最大可能比例的热量释放至熔体表面。第三加热构件的环和石英坩埚的壁之间的距离以及所述环与热屏蔽体的距离各自优选不小于10mm。第三加热构件可从上方热绝缘，优选地通过布置在其上方的绝热盖而热绝缘。
优选地，根据本发明的设备的组成部分是玻璃管，其朝向熔体表面取向，并且其下端在离熔体的表面5mm至50mm距离处。在反掺杂期间，包含p型掺杂剂的气体通过玻璃管。
根据本发明的设备可进一步包括围绕生长的单晶的冷却设备。
结合根据本发明的方法的上述实施方案所引述的特征可相应地被应用于根据本发明的装置。反之，结合根据本发明的装置的上述实施方案所引述的特征可相应地被应用于根据本发明的方法。在附图描述和权利要求书中阐明了根据本发明的实施方案的这些和其它特征。各单个特征可作为本发明的实施方案单独地或组合地实现。所述特征可进一步描述适于其本身的保护的有利实施方式。
下文参照附图更具体地阐明本发明。
图1是在拉制单晶之前通过具有本发明特征的CZ法生产单晶硅半导体晶片的设备的示意图。
图2显示了在拉制单晶期间根据图1的设备。
图3显示了用于从熔体表面区域的上方加热熔体的加热构件的可能配置。
根据图1的设备包括壳体1，石英坩埚2容纳在壳体1中。石英坩埚2可被旋转、升高和降低。位于石英坩埚2中的是硅熔体3，其从上方、从侧面以及在所示的工作实施例中还从下方被加热。在壳体1的外部设置有用于使熔体3经受磁场的装置9。围绕石英坩埚2布置的第一加热构件4可用于从侧面加热熔体3。用于从生长的单晶6和熔体3之间的相界区域的上方加热熔体3的第二加热构件5布置在离熔体3的表面7很短的距离处，如同被提供用于从熔体3的表面7的区域的上方加热熔体3的第三加热构件8一样。位于第二加热构件和第三加热构件之间的是热屏蔽体10，热屏蔽体10围绕生长的单晶6，该单晶6被向上拉离熔体3的表面7。在单晶6生长期间，热屏蔽体10的下端11与熔体3的表面7之间的距离基本保持不变，因为尽管单晶6生长，但石英坩埚2被升高而使得熔体3的表面7既不会下降，也不会上升。与热屏蔽体10同心地布置并由其围绕的是冷却设备15。位于石英坩埚2下方的是用于从下方加热熔体的第四加热构件12。
如图2中所示，在拉制单晶6期间，热屏蔽体的下端11之间的距离基本上不变。这不适用于第一加热构件4的下边界与熔体的表面7之间的距离hs，该距离hs由于石英坩埚2在单晶6的生长过程中升高而下降。
第三加热构件8可如图3中所示配置。所述加热构件基本上包括用作加热元件的环13和电源14，所述电源14用于将电功率供应至所述环中，并用于将所述环保持在所述熔体的表面7上。
所用的附图标记列表
1 壳体
2 石英坩埚
3 熔体
4 第一加热构件
5 第二加热构件
6 单晶
7 熔体的表面
8 第三加热构件
9 用于使熔体经受磁场的装置
10 热屏蔽体
11 热屏蔽体的下端
12 第四加热构件
13 环
14 电源
15 冷却设备
本发明工作实施例的详细描述
在具有根据本发明的特征的设备中通过CZ法拉制硅单晶，并将其加工成具有300mm直径的n掺杂半导体晶片。
大部分半导体晶片的氧浓度小于2.2×1017个原子/cm3(新ASTM)，并且氧浓度的径向分布直至边缘区域非常均匀。
图4显示了此类半导体晶片的间隙氧浓度[Oi]随径向位置r而变化的典型分布，且图5以更高的分辨率显示了包含径向位置130mm至150mm的边缘区域中的相应浓度分布。
这些半导体晶片中热施主的密度小于3×1013/cm3，并通过电阻测量来确定。经10s时期在743℃下进行RTA热处理之前和之后实施电阻测量。由电阻差计算的掺杂剂浓度对应于热施主的密度。
在一些情况下，同时起始单晶的具有均匀直径的区段的拉制和反掺杂，并且在一些情况下，仅在所述区段的40％长度已结晶之后引入反掺杂。发现当需要半导体晶片符合半导体晶片的中心至边缘的氧浓度小于2.2×1017个原子/cm3并且比电阻与平均值偏差不大于13％的规定时，随后的反掺杂实现了10％的产率增加。
说明性实施方案的上述描述应被理解为示例性的。由此获得的本公开使得本领域技术人员能够理解本发明和与其相关的优点，并且还理解对本领域技术人员显而易见的所述结构和工艺的变更和修改。因此，所有此类变更和修改以及等同物均应被权利要求的保护范围所涵盖。

Claims (15)

1.生产包含氧和至少一种n型掺杂剂的单晶硅半导体晶片的方法，其包括：
在石英坩埚中提供包含n型掺杂剂的硅熔体，其中所述熔体的表面具有初始高度hM；
通过向所述熔体的具有初始高度hm的上部体积选择性地供应热来从侧面加热所述熔体，其中所述高度hm小于所述高度hM；
通过CZ法以拉制速度V从所述熔体拉制硅单晶；
从生长的单晶和熔体之间的相界区域的上方加热熔体；
从热屏蔽体和石英坩埚壁之间的所述熔体的表面区域的上方加热熔体；
使所述熔体经受磁场；
用p型掺杂剂反掺杂所述熔体；和
将单晶硅半导体晶片与单晶分离。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括用第一加热输出从下方加热所述熔体，所述第一加热输出占从侧面加热所述熔体的第二加热输出的比例不大于5％。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其包括用第三加热输出从所述相界区域的上方加热所述熔体，所述第三加热输出占总加热输出的比例不小于5％且不大于15％。
4.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其包括用第四加热输出从所述熔体的表面区域的上方加热所述熔体，所述第四加热输出占总加热输出的比例不小于5％且不大于15％。
5.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中在反掺杂期间，将包含p型掺杂剂的气体引入所述熔体上方距离所述熔体表面5mm至50mm处的气氛中。
6.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其进一步包括在启动反掺杂之前，拉制至少20％的具有均匀直径的所述单晶的区段。
7.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其包括控制所述拉制速度V，使得生长的单晶中的硅间隙原子不形成团聚物，并且自由空位的浓度不大于3×1014/cm3。
8.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其进一步包括以不小于0.15℃/min且不大于0.6℃/min的冷却速率，在500℃至400℃的温度范围内冷却所述生长的硅单晶。
9.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其包括使所述熔体经受CUSP型磁场。
10.通过CZ法生产单晶硅半导体晶片的设备，其包括：
用于接收硅熔体的石英坩埚，其中所述熔体的表面具有初始高度hM；
用于使所述熔体经受磁场的装置；
用于屏蔽生长的硅单晶的热屏蔽体；
第一加热构件，用于从具有下边界的一侧加热所述熔体，所述下边界布置为低于具有初始高度hM的所述熔体的表面，其中所述下边界与具有初始高度hM的所述熔体的表面的距离hs小于所述初始高度hM；
第二加热构件，用于从所述生长的单晶和所述熔体之间的相界区域的上方加热所述熔体；和
第三加热构件，用于从上方加热所述熔体，所述第三加热构件围绕所述热屏蔽体布置在所述石英坩埚的壁和所述热屏蔽体之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述第三加热构件包括高度与宽度的横截面纵横比不大于0.35的环。
12.根据权利要求10和11中任一项所述的设备，其中用于使熔体经受磁场的所述装置产生CUSP型磁场。
13.根据权利要求10和11中任一项所述的设备，其进一步包括盖，所述盖布置在所述第三加热构件上方，并从上方使所述第三加热构件热绝缘。
14.根据权利要求10和11中任一项所述的设备，其进一步包括用于从下方加热所述石英坩埚的第四加热构件。
15.根据权利要求10和11中任一项所述的设备，其进一步包括围绕所述生长的单晶的冷却构件。
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