CN111379018B - 半导体硅晶棒的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了半导体硅晶棒的生长方法，该方法包括：(1)以籽晶浸入熔汤中进行引晶以形成晶棒，并对晶棒进行缩颈；(2)对缩颈后的晶棒进行扩肩；(3)对扩肩后的晶棒进行等径生长，并收尾以获得半导体硅晶棒；其中，在引晶、缩颈、扩肩和等径生长的步骤中，热场的垂直温度梯度小于20K/cm。本发明所提出的生长方法，通过保证引晶、缩颈、扩肩和等径生长的步骤中的热场垂直温度梯度小于20K/cm，并且，在极低拉速的情况下进行等径生长，如此，可以生长出直径在450mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。

Description

半导体硅晶棒的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体硅晶圆的制作技术领域，具体的，本发明涉及半导体硅晶棒的生长方法。
背景技术
现有的半导体硅晶圆的生长方法以直拉式晶体生长(CZ)方法为主，CZ法主要是将籽晶浸入溶液，并通过晶种上升旋转机构一边旋转一边提拉，经过引晶、缩颈、转肩和等径最终得到半导体硅晶棒。只不过利用CZ法生长的半导体硅晶棒，尺寸越大则掉棒的风险越高，并且需要严格控制固液界面V/G才能得到完美晶圆且良品率很低。所以，传统的CZ法生长出的硅单晶直径一般在300mm以下，并且制作良品率低。
发明内容
本发明是基于发明人的下列发现而完成的：
本发明的发明人提出一种新的半导体硅晶棒的长晶方法，该生长方法通过低温梯的热场，在低拉速的情况下进行拉晶，可以生长出直径在300mm以上，优选450mm以上(具体例如550mm、660mm、700mm)的大尺寸、低应力的完美半导体硅晶圆。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种半导体硅晶棒的生长方法。
根据本发明的实施例，所述方法包括：(1)以籽晶浸入熔汤中进行引晶以形成晶棒，并对所述晶棒进行缩颈；(2)对所述缩颈后的晶棒进行扩肩；(3)对所述扩肩后的晶棒进行等径生长，并收尾以获得半导体硅晶棒；其中，在所述引晶、所述缩颈、所述扩肩和所述等径生长的步骤中，热场的固液界面垂直温度梯度小于20K/cm。
发明人经过研究发现，采用本发明实施例的生长方法，通过保证引晶、缩颈、扩肩和等径生长的步骤中的热场垂直温度梯度小于20K/cm，并且，在极低拉速的情况下进行等径生长，如此，可以生长出直径在450mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。
另外，根据本发明上述实施例的生长方法，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的实施例，所述热场的固液界面垂直温度梯度小于15K/cm，且所述半导体硅晶棒的直径大于600mm。
根据本发明的实施例，所述热场的固液界面垂直温度梯度小于10K/cm，且所述半导体硅晶棒的直径大于700mm。
根据本发明的实施例，所述缩颈的提拉速度为1.6～5.0mm/min，所述缩颈后的晶棒的直径为重量的2～3.5％，且所述缩颈后的晶棒的长度为直径的1.2～1.5倍。
根据本发明的实施例，所述扩肩的提拉速度为0.6～1.0mm/min，且在所述扩肩的过程中降低侧加热器的温度。
根据本发明的实施例，所述等径生长的提拉速度为0.01～0.1mm/min，且在所述等径生长的过程中降低底加热器的温度。
根据本发明的实施例，所述等径生长的过程中，与所述晶棒连接的提拉杆不动而使盛有所述熔汤的晶埚下降，并使所述晶埚在0.1～0.5rpm的转速下旋转。
根据本发明的实施例，在所述引晶、所述缩颈、所述扩肩和所述等径生长中至少一个步骤中，在所述熔汤的上方设置多层钼片组成的保温层。
根据本发明的实施例，所述多层钼片的外部进一步包围一层钼片层，且所述钼片层作为导流筒。
根据本发明的实施例，每层所述钼片的厚度为0.2～5mm，相邻两层所述钼片的间距为1～10mm，且所述多层钼片的层数不小于15。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：
图1是本发明一个实施例的半导体硅晶棒的生长方法流程示意图；
图2是本发明一个实施例的半导体硅晶棒的生长装置截面结构示意图；
图3是本发明一个实施例的扩肩(a)、等径生长(b)(c)和收尾(d)的过程示意图；
图4是本发明一个实施例的生长方法与传统方法生长不同直径晶棒的固液界面垂直温度梯度的对比图。
附图标记
100 晶埚
110 晶锅托
200 提拉杆
310 底加热器
320 侧加热器
400 绝热层
500 腔体
600 钼片
700 钼片层
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种半导体硅晶棒的生长方法。根据本发明的实施例，参考图1，该生长方法包括：
S100：以籽晶浸入熔汤中进行引晶以形成晶棒，并对晶棒进行缩颈。
在该步骤中，以籽晶浸入熔汤B中进行引晶以形成晶棒A，并对晶棒A进行缩颈。该生长方法使用的生长装置例如单晶炉，可以参考图2，包括晶埚100、提拉杆200、加热器、绝热层400，其中，晶埚100用于盛熔汤B，提拉杆200设置在晶埚100的上方且提拉杆200靠近晶埚100的一端用于固定籽晶且形成晶棒A，加热器包括底加热器310和侧加热器320，底加热器310设置于晶埚100的底部，侧加热器320设置于晶埚100的侧面，绝热层400环绕晶埚100设置且形成腔体500，在生长晶棒的过程中可以在腔体500中填充氩气作为保护气体。
根据本发明的实施例，在开始的引晶和缩颈的过程中，热场的固液界面垂直温度梯度小于20K/cm，如此，最终可以生长出直径在450mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。在本发明的一些实施例中，参考图2，在单晶炉中晶埚100的上方可以设置由多个钼片600组成的反射层，如此，采用反射系数为0.3的高反射钼材料，可以将隔绝热散失而续留在长晶区，从而创造出轴向的中心温梯小而两边温梯大的热场。
在本发明的一些实施例中，在开始的引晶和缩颈的过程中，热场的固液界面垂直温度梯度可以小于15K/cm，如此，最终可以生长出直径在600mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。在一些具体示例中，在开始的引晶和缩颈的过程中，热场的固液界面垂直温度梯度可以小于10K/cm，如此，最终可以生长出直径在700mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。
根据本发明的实施例，钼片600的数目越多则保温层的反射效果越好。在本发明的一些实施例中，多层钼片的层数可以不小于15，每层钼片600的厚度可以为0.2～5mm，且相邻两层钼片600的间距可以为1～10mm，如此，可以使晶棒A在生长过程中的热场的固液界面垂直温度梯度小于10K/cm。在一些具体事例中，参考图2，还可以在多个钼片600组成的保温层外表面进一步包围一层钼片层700，如此，钼片层700作为导流筒还可限定氩气流动方向，从而有利于将杂质带走。此外，绝热层400完全包围腔体500，且绝热层400的上沿高度超过钼片600和钼片层700的高度，并且绝热层400覆盖钼片层700的一部分，如此，可减少热量损失，将温度保留在晶体周围，从而使得整个热场的垂直温度梯度更小，并创造出轴向的中心温梯小而两边温梯大的热场；晶锅100侧面设置侧加热器320可对熔汤更均匀的加热。
在本发明的一些实施例中，缩颈步骤的提拉速度可以为1.6～5.0mm/min，如此，缩颈后的晶棒A的直径可以为重量的2～3.5％，且缩颈后的晶棒A的长度可以为其直径的1.2～1.5倍，从而有利于生长晶棒A在缩颈过程中去除位错。
S200：对缩颈后的晶棒进行扩肩。
在该步骤中，对步骤S100缩颈后的晶棒A继续进行扩肩。其中，在扩肩的步骤中，热场的固液界面垂直温度梯度小于20K/cm，参考图3的(a)的扩肩步骤，晶棒A与熔汤B之间的固液界面平坦(如虚线圆圈所示)。
在本发明的一些实施例中，扩肩的提拉速度可以为0.6～1.0mm/min，且在扩肩的过程中可以同时降低侧加热器320的温度，如此，扩肩过程中的拉速略低于缩颈过程，从而使晶棒边缘温度低，使得晶棒可以往外扩大且向上提拉晶棒使其离开熔汤并露于导流筒下方。
S300：对扩肩后的晶棒进行等径生长并收尾。
在该步骤中，对步骤S200扩肩后的晶棒A进行等径生长，并收尾以获得直径大于450mm的半导体硅晶棒。其中，在等径生长的步骤中，热场的固液界面垂直温度梯度小于20K/cm，并且，等径生长步骤可以参考图3的(b)和(c)，其初始固液界面是比较平坦的，随着等径生长的进行，固液界面是从晶棒A是凸向熔汤B，与传统的CZ法生长由于拉速使得晶棒A凹向熔汤B是有差别的。在收尾步骤中，可以参考图3的(d)，其固液界面是从晶棒A凸向熔汤B的。
在本发明的一些实施例中，等径生长的提拉速度可以为0.01～0.1mm/min，且在等径生长的过程中降低底加热器310的温度，如此，进一步降低等径生长过程中的底部热通量，从而有利于晶棒A的生长中心比边缘更快，固液界面会凸向熔汤，并避免晶棒边缘先固化而导致晶棒A撞击晶锅壁或晶锅底部，进而确保生长可以维持较低的垂直温度梯度。在一些具体事例中，在等径生长的过程中，与晶棒A连接的提拉杆200可以不动反而使盛有熔汤的晶埚100下降，并使晶埚100在0.1～0.5rpm的转速下旋转，如此，不需要提拉晶棒200且只需小幅度地旋转晶埚100，从而能够有效地降低掉棒的风险。
在本发明的一些实施例中，参考图4，本方法最终生长出的半导体硅晶棒A的直径可以大于450mm，如此，通过低温梯热场、低拉速、小晶转、晶埚不转、不提拉且晶锅下降的情况下进行拉晶，可以生长出直径在600mm以上的大尺寸、低应力的完美半导体硅晶圆，而传统方法的垂直温度梯度基本在40K/cm以上，所以为了符合V/G必须有比较大一些的拉速方能维持能量平衡，并通过晶埚旋转以辅助温梯降低，还需要往上提拉生长出的半导体硅晶棒尺寸只能达到300mm。所以，本发明可以依据晶锅大小长出接近晶锅直径的大尺寸低应力完美晶圆。
需要说明的是，参考图4，晶棒从中心到边缘外围区域的固液界面垂直温度梯度的会出现反翘现象(即曲线末端翘起)，主要是因为晶棒A靠近外部的散热快，而垂直温度梯度较大。所以，晶A在后续的加工中需要将一些外围滚圆去除掉的，所以本方法中“热场的固液界面垂直温度梯度”的范围限定不包括晶棒边缘不大于5％的外围区域。
综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种生长方法，通过保证引晶、缩颈、扩肩和等径生长的步骤中的热场垂直温度梯度小于20K/cm，并且，在开始极低拉速的情况下至扩肩并不提拉进行等径生长，如此，可以生长出直径在450mm以上大尺寸、低应力的完美半导体硅晶棒。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种半导体硅晶棒的生长方法，其特征在于，包括：
(1)以籽晶浸入熔汤中进行引晶以形成晶棒，并对所述晶棒进行缩颈；
(2)对所述缩颈后的晶棒进行扩肩；
(3)对所述扩肩后的晶棒进行等径生长，并收尾以获得半导体硅晶棒；
其中，在所述引晶、所述缩颈、所述扩肩和所述等径生长的步骤中，热场的固液界面垂直温度梯度小于20K/cm，所述半导体硅晶棒的直径大于600mm，在所述等径生长的过程中，与所述晶棒连接的提拉杆不动而使盛有所述熔汤的晶埚下降，并使所述晶埚在0.1~0.5rpm的转速下旋转。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述热场的固液界面垂直温度梯度小于15K/cm。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述热场的固液界面垂直温度梯度小于10K/cm，且所述半导体硅晶棒的直径大于700mm。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述缩颈的提拉速度为1.6~5.0 mm/min，所述缩颈后的晶棒的长度为直径的1.2~1.5倍。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述扩肩的提拉速度为0.6~1.0 mm/min，且在所述扩肩的过程中降低侧加热器的温度。
6.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述等径生长的提拉速度为0.01 ~0.1mm/min，且在所述等径生长的过程中降低底加热器的温度。
7.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，在所述引晶、所述缩颈、所述扩肩和所述等径生长中至少一个步骤中，在所述熔汤的上方设置多层钼片组成的保温层。
8.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，所述多层钼片的外部进一步包围一层钼片层，且所述钼片层作为导流筒。
9.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，每层所述钼片的厚度为0.2~5mm，相邻两层所述钼片的间距为1~10mm，且所述多层钼片的层数不小于15。
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