CN110760928A - 单晶炉及单晶硅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及单晶炉及单晶硅的制备方法。本发明提供的单晶炉，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。通过设置第一开槽，可提高加热器的发热量，将最大发热区域调整至固液界面附近。制备单晶硅时，由于固液界面处发热量较大，缩小了单晶硅晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，减少单晶硅锭中的初始点缺陷浓度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及单晶炉及单晶硅的制备方法。
背景技术
采用直拉法(CZ法)制备单晶硅的过程为：将籽晶浸渍在石英坩埚内的熔融硅中，一边旋转籽晶和石英坩埚，一边提拉籽晶，从而在籽晶的下发生长出单晶硅。
基于沃龙科夫(Voronkov)理论，CZ法制备单晶硅过程中，点缺陷分布和初始浓度主要由V/G控制；其中V代表晶体的生长速率或晶体的提拉速率，G代表固液界面处轴向温度梯度。在一定的生长速率下，在由晶体生长界面的中间部位G较小导致V/G值大于临界值的情况下，形成了可由空位占主导形成的空位型缺陷区域(V-rich)。在晶体生长边缘处G较大导致V/G值小于临界值的情况下，形成了由大量自间隙硅原子聚集形成的自间隙型缺陷区域(I-rich)。此时晶体将出现不同的原生缺陷区，中间空位型缺陷被周围的自间隙型缺陷包围着，而且两者之间为氧化诱生层错(OISF)区域，晶锭直径方向上的缺陷分布如图1所示。图1中，1为空位型缺陷区域，2为氧化诱生层错区域，3为促进氧析区(Pv)，4为抑制氧析出区(Pi)，5为自间隙型缺陷区域。
在通常的大直径单晶硅提拉过程中，凝固后的单晶硅锭的外周面散热相对中间部分较快。因此，刚凝固后的单晶硅锭的中间部分处散热速率较低，中间部分的轴向温度梯度(GC)较小；边缘部分的散热速度较快，边缘处的轴向温度梯度(Ge)较大。因此，晶锭的边缘与中心部分的G值之间的差值(ΔG)较大，导致其径向产生较大的温度梯度，使单晶硅晶锭的纵切面上的缺陷分布，特别是OISF区域呈现凸起向下且前方发尖的‘V’字型，如图2所示。单晶硅锭中的这种缺陷分布将导致用于无缺陷区范围很狭窄。图2中，1为空位型缺陷区域，2位氧化诱生层错区域，3为促进氧析区(Pv)，4为抑制氧析出区(Pi)，5为间隙型缺陷区域，6为空位边界，7为B带，8为间隙边界。
上述单晶硅制备中出现的缺陷，与单晶炉相关。现有的单晶炉，如图3所示，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚。所述石墨坩埚外侧设置有侧部加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料。所述炉体上方设置有籽晶提拉结构单元。图3中，9为石墨坩埚，10为石英坩埚，11为加热器，12为隔热材料，13为形成的单晶硅锭，14为提拉结构单元，15为填充于石英坩埚内的硅溶体。
如何通过单晶炉结构的改进，以减小单晶硅锭径向的温度差值，是研究人员亟待解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种单晶炉及单晶硅制备方法，所述单晶炉增加了固液界面处的发热量，以实现单晶硅锭固液界面的径向温度梯度的一致性，以保证制备的单晶硅锭获得足够宽的无缺陷区域。
本发明提供了一种单晶炉，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。
优选地，所述第一开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
优选地，所述第一开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。
优选地，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧还设置有第二开槽，所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器高度的1/4～3/10。
优选地，所述第二开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
优选地，所述第二开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。
优选地，所述第一开槽与第二开槽的形状及大小一致。
优选地，所述第一开槽的纵切面形状为正方形、长方形、菱形或不规则图形。
本发明提供了一种单晶硅的制备方法，利用上述技术方案所述的单晶炉进行制备，
所述单晶炉的坩埚内填充有硅熔体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。
与现有技术相比，本发明的单晶炉，在加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。通过设置第一开槽，可提高加热器的发热量，将最大发热区域调整至固液界面附近，控制热量传递路径。以该单晶炉制备单晶硅时，由于固液界面处发热量较大，缩小了单晶硅晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，使得改进后的晶锭固液界面处获得均一的径向温度梯度；而且，延长了由1410℃降温至1310℃的时间，促进点缺陷的复合，从而减少单晶硅锭中的初始点缺陷浓度，以保证获得足够宽的无缺陷生长区域。
附图说明
图1表示晶锭直径方向上的缺陷分布图；
图2表示随V/G值变化的单晶硅缺陷分布示意图；
图3表示现有的单晶炉的结构示意图；
图4表示本发明一实施例的单晶炉的结构示意图；
图5表示本发明另一实施例的单晶炉的结构示意图；
图6表示本发明制备的单晶硅纵向切面的缺陷分布示意图；
图7表示本发明制备单晶硅过程中晶锭固液界面处的径向温度分布图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明的限制。
本发明的实施例一种单晶炉，参见图4，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩(9)，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚(10)；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器(11)，所述炉体内壁上设置有隔热材料(12)，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽(16)，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。
本发明通过调整加热器的结构，控制热场分布，一方面可以缩小晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，使得改进之后的晶锭固液界面处获得均一的径向温度；另一方面，通过提高对晶锭的加热效率，延长由1410℃降温至1310℃的时间，促进点缺陷的复合，从而减少晶锭中的初始点缺陷浓度，以保证获得足够宽的无缺陷生长区域。
通过在加热器上开槽可以提高加热器发热量的机理如下公式(1)和(2)所示，通过减少靠近晶锭处的加热器的横截面积S，增加此处热场Q，同时调整加热器的相对位置。
Q＝I2R (1)；
R＝ρ·L/S (2)；
式中Q代表加热器的发热量；I代表加热器上通过的电流；R代表加热的电阻大小；ρ代表加热器的电阻率；L代表加热器的长度；S代表加热器的横截面积。
按照本发明，在加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。
优选地，所述第一开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
优选地，所述第一开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。所述深度及开口宽度的第一开槽，可以使加热器获得最佳的发热量，且使晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值最小。
优选地，具体参见图5，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧还设置有第二开槽(17)，所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器高度的1/4～3/10。所述第二开槽的延伸方向可以与加热器的高度方向垂直。通过设置第二开槽，可在拉晶前期对硅溶体进行加热，起到快速加热的作用。而且，当硅溶体液面逐渐降低至与第二开槽相对应时，仍然能够获得较高的热量，缩小晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度的差值，使得改进之后的晶锭固液界面处获得均一的径向温度。
优选地，所述第二开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
优选地，所述第二开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。
可选地，所述第一开槽与第二开槽的形状及大小一致。
按照本发明，可选地，所述第一开槽的纵切面形状为正方形、长方形、菱形或不规则图形。
本发明还提供一种单晶硅的制备方法，利用上述技术方案所述的单晶炉进行制备，所述单晶炉的坩埚内填充有硅熔体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。
本发明，在硅溶体的固液界面增加加热器的发热量，使得晶锭边缘与中心处的轴向温度梯度较小，促进了点缺陷的符合，减少了晶锭中的初始点缺陷浓度。
在单晶硅晶锭的生长过程中，无缺陷区允许范围受径向温度梯度的影响，并且在单晶硅锭的边缘部分和中心部分G的差值很小，从而在径向产生一致的温度梯度。因此，可以使晶锭的成长纵切面上OISF发生区域形状在凸起向下的前端磨平呈现出‘U’字型，如图6所示。在该状态下，通过选用环OISF发生区域在晶锭中消失的临界速度附近的提拉条件，获得晶锭的直径方向的整个区域无缺陷化。图6中，1为空位型缺陷区域，2位氧化诱生层错区域，3为促进氧析区(Pv)，4为抑制氧析出区(Pi)，5为自间隙型缺陷区域，6为空为边界，7为B带，8位间隙边界。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的单晶炉及单晶硅制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
单晶炉，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器垂直高度的1/4。
在石英坩埚内添加硅溶体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。
进行拉晶，制备得到单晶硅。
实施例2
单晶炉，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，第一开槽与第二开槽平行设置，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器垂直高度的1/4。所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器垂直高度的3/10。
在石英坩埚内添加硅溶体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。
进行拉晶，制备得到单晶硅。
测试改进后晶锭径向温度及热场分布，具体参见图7。图7中，7-1为现有技术的单晶炉制备晶锭的径向温度分布，7-2为本发明加热器在晶锭径向的热场分布，7-3为本发明制备晶锭的径向温度分布。由图7可见，晶锭固液界面处获得均一的径向温度。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种单晶炉，包括炉体，所述炉体内设置有石墨坩埚，所述石墨坩埚内设置有石英坩埚；所述石墨坩埚侧壁的外侧设置有加热器，所述炉体内壁上设置有隔热材料，其特征在于，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧设置有第一开槽，所述第一开槽的延伸方向与加热器的高度方向垂直，所述第一开槽的中心与所述加热器上端面之间的距离为加热器高度的1/4～1/5。
2.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述第一开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
3.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述第一开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的单晶炉，其特征在于，所述加热器靠近石墨坩埚的一侧还设置有第二开槽，所述第二开槽的中心与所述加热器下端面之间的距离为加热器高度的1/4～3/10。
5.根据权利要求4所述的单晶炉，其特征在于，所述第二开槽的深度为所述加热器厚度的1/4～1/2。
6.根据权利要求4所述的单晶炉，其特征在于，所述第二开槽的开口宽度为加热器高度的1/20～1/30。
7.根据权利要求4所述的单晶炉，其特征在于，所述第一开槽与第二开槽的形状及大小一致。
8.根据权利要求1所述的单晶炉，其特征在于，所述第一开槽的纵切面形状为正方形、长方形、菱形或不规则图形。
9.一种单晶硅的制备方法，其特征在于，利用权利要求1～8任意一项所述的单晶炉进行制备，
所述单晶炉的坩埚内填充有硅熔体，所述硅熔体的固液界面在所述加热器上的正投影落入所述第一开槽的开口内。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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