CN113862777A - 一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒，所述拉晶炉包括：提拉机构，所述提拉机构构造成利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；第一热处理器，所述第一热处理器用于在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；设置在所述第一热处理器上方的第二热处理器，所述第二热处理器用于在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；其中，所述提拉机构还构造成使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动而处于尾部节段被所述第一热处理器并且头部节段被所述第二热处理器热处理的位置处。
Description
技术领域
本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒。
背景技术
众所周知，现代集成电路主要制备在硅片表面5微米以内的近表层。因此，要经过内吸杂或外吸杂等技术，以在硅片的体内或背面引入缺陷区，在近表面引入10-20微米的无缺陷、无杂质的洁净区。近年来，除了常规的内、外吸杂技术外，还有新型的氧气退火技术、快速热处理技术和掺氮技术被开发和应用。
在上述集成电路中，提供这样的一种硅片是非常有利的：该硅片具有从正面开始向体内延伸的无晶体缺陷区域(Denuded Zone，DZ)以及与DZ邻接并且进一步向体内延伸的含有体微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)的区域，这里的正面指的是硅片的需要形成电子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因为为了在硅片上形成电子元器件，要求在电子元器件的形成区域内不存在晶体缺陷，否则会导致电路断路等故障的产生，使电子元器件形成在DZ中便可以避免晶体缺陷的影响；而上述的BMD的作用在于，能够对金属杂质产生内在吸杂(Intrinsic Getter，IG)作用，使硅片中的金属杂质保持远离DZ，从而避免金属杂质导致的漏电电流增加、栅极氧化膜的膜质下降等不利影响。
而在生产上述的具有BMD区域的硅片的过程中，对硅片进行掺氮是非常有利的。举例而言，在硅片中掺杂有氮的情况下，高温下氮原子首先互相结合形成双原子氮，并促进氧沉淀消耗了大量的空位，使得空位的浓度减少。因为VOID缺陷是由空位组成的，空位浓度的降低导致了VOID缺陷的尺寸减少，使得在相对较低温度下形成了VOID缺陷尺寸减小的硅片。在集成电路制备工艺的高温热处理中，掺氮硅单晶的VOID缺陷很容易被消除，从而提高了集成电路的成品率。同时，掺氮能够促进以氮作为核心的BMD的形成，从而使BMD达到一定的密度，使BMD作为金属吸杂源有效地发挥作用，而且还能够对BMD的密度分布产生有利影响，比如使BMD的密度在硅片的径向上的分布更为均匀，比如使BMD的密度在临近DZ的区域更高而朝向硅片的体内逐渐降低等。
在现有技术中，用于生产上述用于集成电路等半导体电子元器件的硅片，主要通过将直拉(Czochralski)法拉制的单晶硅棒切片而制造出。直拉法包括使由石英制成的坩埚中的多晶硅熔化以获得硅熔体，将单晶晶种浸入硅熔体中，以及连续地提升晶种移动离开硅熔体表面，由此在移动过程中在相界面处生长出单晶硅棒。直拉(Czochralski)法拉制单晶硅棒一般在拉晶炉内进行，由于掺杂元素与硅元素晶格不匹配，在单晶硅生长过程中存在分凝现象，即掺杂元素结晶于单晶硅晶锭中的浓度小于熔体(原料)中的浓度，使得掺杂元素在坩埚中的浓度不断升高，单晶硅晶锭中掺杂元素的浓度也不断升高。由于氮在硅单晶中的分凝系数小，仅为7×10-4，这使得在拉制单晶硅棒的过程中，氮浓度的分布是从晶棒头部到晶棒尾部逐渐增加，如图1所示，其示出了氮浓度在掺氮单晶中沿晶体生长方向的理论分布，其中掺氮单晶中头部与尾部的氮浓度相差较大，相应地，导致掺氮单晶头部与尾部BMD浓度相差较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒，在拉制晶棒的过程中，解决因晶棒头部到尾部氮含量差异过大导致单晶硅棒头部与尾部BMD含量差异大的问题，以获得一种整体BMD浓度均一的单晶硅棒。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉，所述拉晶炉包括：
提拉机构，所述提拉机构构造成利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；
第一热处理器，所述第一热处理器用于在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；
设置在所述第一热处理器上方的第二热处理器，所述第二热处理器用于在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；
其中，所述提拉机构还构造成使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动而处于尾部节段被所述第一热处理器并且头部节段被所述第二热处理器热处理的位置处。
优选的，所述第一热处理温度为950-1200摄氏度。
优选的，所述第二热处理温度为600-850摄氏度。
优选的，所述拉晶炉还包括：
用于感应所述第一热处理器的热处理温度的第一温度感应器；
用于感应所述第二热处理器的热处理温度的第二温度感应器；
控制器，所述控制器根据所述第一温度感应器和所述第二温度感应器的感应温度控制所述第一热处理器和所述第二热处理器分别提供不同的热处理温度。
优选的，所述第二热处理器包括沿所述拉晶方向排列的第一分段和第二分段，所述第一分段用于提供600-700摄氏度的热处理温度，所述第二分段用于提供700-850摄氏度的热处理温度。
优选的，所述提拉机构还构造成使所述单晶硅棒在被热处理的位置处停留2小时。
优选的，所述拉晶炉包括径向尺寸小的上炉室和径向尺寸大的下炉室，所述第一热处理器和所述第二热处理器设置在所述上炉室中，所述下炉室内设有坩埚和用于对所述坩埚进行加热的加热器。
优选的，所述第一热处理器和所述第二热处理器的沿所述拉晶方向的总长度大于等于所述单晶硅棒的长度使得整个所述单晶硅棒能够同时被所述第一热处理器和所述第二热处理器热处理。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于制造单晶硅棒的方法，所述方法包括：
利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；
使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动至经受热处理的位置处；
在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒的尾部节段进行热处理；
在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒的头部节段进行热处理。
第三方面，本发明实施例提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒由根据第二方面所述的方法制造而成。
附图说明
图1为现有技术中氮浓度在掺氮硅单晶中沿晶体生长方向的理论分布的示意图。
图2为常规拉晶炉的一种实现方式的示意图；
图3为根据本发明的实施例的拉晶炉的示意图，其示出了正在从硅熔体中拉出单晶硅棒；
图4为图3的拉晶炉的另一示意图，其示出了单晶硅棒已经被完全拉出硅熔体并且处于第一热处理器和第二热处理器当中；
图5为根据本发明的另一实施例的拉晶炉的示意图；
图6为根据本发明的另一实施例的拉晶炉的示意图；
图7为根据本发明的实施例的一种用于制造单晶硅棒的方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图2，其示出了常规的拉晶炉的一种实现方式，所述拉晶炉100包括径向尺寸小的上炉室101和径向尺寸大的下炉室102，所述下炉室102内设有坩埚200，该坩埚具体可以包括石墨坩埚和石英坩埚，坩埚200用于承载硅材料，在下炉室的内壁与坩埚的外周之间还设置有加热器300，该加热器300用于对坩埚及其内的硅材料进行加热，形成硅熔体S2。在下炉室102的顶部开设有提拉通道，该提拉通道连通至上炉室101，在提拉通道内拉制单晶硅棒S3。另外，下炉室102内还设有坩埚旋转机构400和坩埚承载装置500。坩埚200由坩埚承载装置500承载，坩埚旋转机构400位于坩埚承载装置500的下方，用于驱动坩埚200绕自身的轴线沿方向R旋转。
在使用拉晶炉100拉制单晶硅棒S3时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入坩埚200中，并在坩埚旋转机构400驱动坩埚200旋转的同时通过加热器300对坩埚200不断进行加热，以将容置在坩埚中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化硅熔体S2，其中，加热温度维持在大约一千多摄氏度。炉中的气体通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。当通过控制由加热器300提供的热场将融汤S2的液面温度控制在结晶的临界点时，通过将位于液面上方的单晶籽晶S1从液面沿方向P向上提拉，硅熔体S2随着单晶籽晶S1的提拉上升按照单晶籽晶S1的晶向生长出单晶硅棒S3。为了使最终生产出的硅片具有较高的BMD密度，可以选择在单晶硅棒的拉制过程中对单晶硅棒进行掺氮，例如可以在拉制过程中向拉晶炉100的炉室内冲入氮气或者可以使坩埚200中的硅熔体S2中掺杂有氮，由此拉制出的单晶硅棒以及由单晶硅棒切割出的硅片中便会掺杂有氮。但是，由附图1可知，以拉晶炉100制成的单晶硅棒中尾部N浓度较高，头部N浓度较低，使得单晶硅棒头部BMD浓度低，尾部BMD浓度高，从而导致单晶硅棒的品质和良率下降。
为了解决单晶硅棒整体BMD浓度不均匀的问题，本发明提供了一种拉晶炉110，参见图3，拉晶炉110包括：提拉机构700，所述提拉机构700构造成利用掺氮硅熔体S2通过直拉法拉制单晶硅棒S3；第一热处理器610和设置在所述第一热处理器610上方的第二热处理器620，第一热处理器610和第二热处理器620均设置在所述上炉室101中，并且沿拉晶方向P竖直叠放。第一热处理器610用于在使所述单晶硅棒S3中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒S3进行热处理。第二热处理器620用于在促使所述单晶硅棒S3中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒S3进行热处理。提拉机构700还构造成使所述单晶硅棒S3沿着拉晶方向移动而处于尾部节段被所述第一热处理器610并且头部节段被所述第二热处理器620热处理的位置处。
第一热处理器610提供950-1200摄氏度的第一热处理温度，向处于第一热处理器610中的单晶硅棒部段提供温度范围在950-1200摄氏度的下温区，当单晶硅棒S3中含氮量较高的部段处于下温区进行热处理时，该部段中的BMD会在此温度下发生消融，从而达到减少该部段BMD含量的目的。第二热处理器620提供600-850摄氏度的第二热处理温度，向处于第二热处理器中的单晶硅棒部段提供温度范围在600-700摄氏度的上温区，当单晶硅棒S3中含氮量较低的部段处于下温区进行热处理时，有助于该部段中的BMD形核，从而达到增加了该部段的BMD浓度的目的。由此使得单晶硅棒中BMD浓度不一致的部段在不同的热处理温度下进行相应的热处理，从而避免单晶硅棒中整体BMD浓度不均匀的情况。
由图1可知，位于上温区内的单硅晶棒头部中BMD浓度小，优选的，第二热处理器包括沿所述拉晶方向P竖直排列的第一分段和第二分段，所述第一分段用于提供600-700摄氏度的热处理温度，所述第二分段用于提供700-850摄氏度的热处理温度。通过第一分段和第二分段针对单晶硅棒S3中具有不同BMD浓度的部段选择通过不同的热处理温度，以保证BMD形核更加充分，得到整体BMD浓度更加均匀的单硅晶棒S3。
参见图4，所述提拉机构700用于使所述单晶硅棒S3沿着所述拉晶方向P移动以使得所述单晶硅棒S3从位于所述下炉室102内的相界面处生长并且移动至被所述第一热处理器610和所述第二热处理器620热处理的位置。为了使单晶硅棒S3能够经受预定条件下的热处理，优选地，所述提拉机构700构造成使整个所述单晶硅棒S3在所述第一热处理器610和所述第二热处理器620中停留所需的热处理时间。如图4所示，单晶硅棒S3已由提拉机构700提拉至完全位于第一热处理器610和所述第二热处理器620中，并且提拉机构700能够使单晶硅棒S3保持处于该位置直至经历了预设的热处理时间。
本发明的优选实施例中，所述热处理时间可以为2小时。
为了进一步控制热处理温度的准确性，优选的，参见图5，所述拉晶炉110还包括用于感应所述第一热处理器610的热处理温度的第一温度感应器801、用于感应所述第二热处理器620的热处理温度的第二温度感应器802以及根据所述第一温度感应器801和所述第二温度感应器802感应到的热处理温度控制所述第一热处理器610和所述第二热处理器620的控制器900。所述第一温度传感器801设置在所述第一热处理器610朝向所述上炉室101内腔一侧，通过感应探头测量下温区的温度，以得到单晶硅棒S3不同部段所处温区的热处理温度，继而通过与其电连接的控制器900控制第一热处理器610的加热功率，准确调节第一热处理温度，保证下温区的温度恒定。所述第二温度感应器802设置在所述第二热处理器620朝向所述上炉室101内腔一侧，其工作原理与所述第一温度传感器801一致，在此不做赘述。
在本发明的一种实施例中，所述拉晶炉110设置成能够使整根单晶硅棒S3同时处于第一热处理器和第二热处理器当中进行热处理，对此，优选地，如图6所示，所述第一热处理器610和第二热处理器620沿所述拉晶方向P的长度H大于等于所述单晶硅棒S3的长度L使得所述单晶硅棒S3能够完全位于第一热处理器610和第二热处理器620中，同时对单晶硅棒S3的不同部段进行相应的热处理。
通过使用根据本发明实施例的拉晶炉，解决了在拉制掺氮单晶硅棒时，由于N的分凝系数小，使得晶棒头部N浓度远小于晶棒尾部N浓度，导致单晶硅棒整体BMD浓度不均一的问题。
参见图7，本发明实施例还提供了一种用于制造单晶硅棒的方法，所述方法可以包括：
利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；
使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动至经受热处理的位置处；
在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒的尾部节段进行热处理；
在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒的头部节段进行热处理。
本发明实施例还提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒由本发明实施例提供的用于制造单晶硅棒的方法制造而成。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于制造单晶硅棒的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括：
提拉机构，所述提拉机构构造成利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；
第一热处理器，所述第一热处理器用于在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；
设置在所述第一热处理器上方的第二热处理器，所述第二热处理器用于在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒进行热处理；
其中，所述提拉机构还构造成使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动而处于尾部节段被所述第一热处理器并且头部节段被所述第二热处理器热处理的位置处。
2.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述第一热处理温度为950-1200摄氏度。
3.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述第二热处理温度为600-850摄氏度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括：
用于感应所述第一热处理器的热处理温度的第一温度感应器；
用于感应所述第二热处理器的热处理温度的第二温度感应器；
控制器，所述控制器根据所述第一温度感应器和所述第二温度感应器的感应温度控制所述第一热处理器和所述第二热处理器分别提供不同的热处理温度。
5.根据权利要求4所述的拉晶炉，其特征在于，所述第二热处理器包括沿所述拉晶方向排列的第一分段和第二分段，所述第一分段用于提供600-700摄氏度的热处理温度，所述第二分段用于提供700-850摄氏度的热处理温度。
6.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述提拉机构还构造成使所述单晶硅棒在被热处理的位置处停留2小时。
7.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括径向尺寸小的上炉室和径向尺寸大的下炉室，所述第一热处理器和所述第二热处理器设置在所述上炉室中，所述下炉室内设有坩埚和用于对所述坩埚进行加热的加热器。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的拉晶炉，其特征在于，所述第一热处理器和所述第二热处理器的沿所述拉晶方向的总长度大于等于所述单晶硅棒的长度使得整个所述单晶硅棒能够同时被所述第一热处理器和所述第二热处理器热处理。
9.一种用于制造单晶硅棒的方法，其特征在于，所述方法包括：
利用掺氮硅熔体通过直拉法拉制单晶硅棒；
使所述单晶硅棒沿着拉晶方向移动至经受热处理的位置处；
在使所述单晶硅棒中的BMD消融的第一热处理温度下对所述单晶硅棒的尾部节段进行热处理；
在促使所述单晶硅棒中形成BMD的第二热处理温度下对所述单晶硅棒的头部节段进行热处理。
10.一种单晶硅棒，其特征在于，所述单晶硅棒由根据权利要求9所述的方法制造而成。
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