CN113862791A - 一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，所述拉晶炉包括限定出热处理室的加热器，所述加热器在所述拉晶炉中设置成使得，所述单晶硅棒能够通过沿着拉晶方向移动而进入到所述热处理室中。通过使用本发明实施例的拉晶炉，在单晶硅棒被拉制出之后就继续在拉晶炉中对单晶硅棒进行热处理，由于热处理室就设置在拉晶炉内，不需要对硅棒进行转移运送，而且可以在拉晶炉内对整根单晶硅棒进行热处理，因此大大提高了热处理的效率，另外，由于是对单晶硅棒而非晶片进行热处理，因此避免了晶片热处理过程中的交叉污染以及由于晶片与晶舟接触可能造成的晶格滑移位错问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉。
背景技术
用于生产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。Czochralski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。
在上述生产过程中，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，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。
除此之外，在硅片生产过程中，还可以通过对氮掺杂的硅片进行热处理以使其BMD密度进一步提高，因为若对这样的硅晶片进行热处理，则硅晶片内过饱和的氧会作为氧析出物而析出，而这样的氧析出物也就是BMD。然而，在现有技术中，对硅片的热处理需要在独立于拉晶炉的热处理炉内进行。现有的热处理炉按照炉内结构可大致分为卧式和纵式两种。无论是卧式热处理炉还是纵式热处理炉，由于受结构的限制，一次至多能对上百片的硅片进行热处理，效率较低，而且，在对批量晶片进行热处理时，容易发生交叉污染，也就是说，部分晶片上的杂质可能会影响到其他晶片。此外，由于晶片通常都是放置在热处理炉内的晶舟中进行热处理的，因此，晶片的与晶舟相接触的部分还可能引入因热应力所造成的晶格滑移位错。
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拉制单晶硅棒的拉晶炉，解决硅片热处理效率低的问题，避免了硅片热处理过程中的交叉污染问题以及由于晶片与晶舟接触而可能造成的晶格滑移位错问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，所述拉晶炉包括限定出热处理室的加热器，所述加热器在所述拉晶炉中设置成使得，所述单晶硅棒能够通过沿着拉晶方向移动而进入到所述热处理室中。
本发明实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，不同于常规拉晶炉，该拉晶炉还包括限定出热处理室的加热器，因此，与常规技术中针对硅片进行热处理的方式不同，通过使用本发明通过使用本发明的拉晶炉，在单晶硅棒被拉制出之后就继续在拉晶炉中对单晶硅棒进行热处理，由于热处理室就设置在拉晶炉内，不需要对硅棒进行转移运送，而且可以在拉晶炉内对整根单晶硅棒进行热处理，因此大大提高了热处理的效率，另外，由于是对单晶硅棒而非晶片进行热处理，因此避免了晶片热处理过程中的交叉污染以及由于晶片与晶舟接触可能造成的晶格滑移位错问题。
附图说明
图1为常规拉晶炉的一种实现方式的示意图；
图2为根据本发明的实施例的拉晶炉的示意图；
图3为根据本发明的另一实施例的拉晶炉的示意图，其示出了正在从融汤中拉出单晶硅棒；
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融汤并且处于热处理室中；
图5为根据本发明的另一实施例的拉晶炉的示意图；以及
图6为根据本发明的另一实施例的拉晶炉的示意图。
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1，其示出了常规的拉晶炉的一种实现方式。如图1所示，拉晶炉1包括：由壳体2围成的炉室、设置在炉室内的坩埚10、石墨加热器20、坩埚旋转机构30和坩埚承载装置40。坩埚10由坩埚承载装置40承载，坩埚旋转机构30位于坩埚承载装置40的下方，用于驱动坩埚10绕自身的轴线沿方向R旋转。
当使用拉晶炉1拉制单晶硅棒时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入坩埚10中，并在坩埚旋转机构40驱动坩埚10旋转的同时通过石墨加热器20对坩埚10不断进行加热，以将容置在坩埚10中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化成融汤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。当通过控制由石墨加热器20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T向上提拉，融汤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，例如可以在拉直过程中向拉晶炉1的炉室内冲入氮气或者可以使坩埚10中的硅熔体中掺杂有氮，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。
为了进一步提高单晶硅棒内的BMD密度，本发明的实施例提出了一种带热处理室的拉晶炉，以在单晶硅棒拉制出之后可以继续在拉晶炉中进行热处理。具体地，参见图2，本发明实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒S3的拉晶炉1'，所述拉晶炉包括限定出热处理室501的加热器50，所述加热器50在所述拉晶炉中设置成使得，所述单晶硅棒S3能够通过沿着拉晶方向T移动而进入到所述热处理室501中。
在图2示出的实施例中，拉晶炉1'的壳体2在坩埚10的上方的部分形成为大致筒形，加热器50设置在该筒形部分的内周向壁上并且限定出热处理室501。热处理室501也大致呈筒形并且开口朝向下方的坩埚10。热处理室501的直径大于单晶硅棒S3的直径，使得从坩埚10中拉制出的单晶硅棒S3能够继续沿着拉晶方向T移动进入热处理室501中。
单晶硅棒S3在热处理室501中通过加热器50被热处理，由此单晶硅棒S3内过饱和的氧作为氧析出物而析出，即析出BMD，以使单晶硅棒S内的BMD密度达到所需的水平，而无需在将单晶硅棒切割成硅片之后再次放入单独的热处理炉中进行热处理，由此提高了热处理的效率，也避免了硅片状态下进行热处理所带来的交叉污染问题以及因与晶舟接触而可能造成的晶格滑移位错问题。
为了实现单晶硅棒S3沿拉晶方向T的移动，优选地，参见图2，所述拉晶炉1'还包括提拉机构60，所述提拉机构60用于使所述单晶硅棒S3沿着所述拉晶方向T移动以使所述单晶硅棒S3从相界面处生长并且进入到所述热处理室501中。
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60构造成使整个所述单晶硅棒S3在所述热处理室501中停留所需的热处理时间。如图3所示，单晶硅棒S3已由提拉机构60提拉至完全位于热处理室501中，并且提拉机构60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。
由于单晶硅棒S3是沿提拉方向T进入热处理室501，因此单晶硅棒S3的在长度方向上的各个部分实际进入热处理室501内的时间点不相同。为了使单晶硅棒S3的各个部分都能够经历相同的条件下的热处理，单晶硅棒S3的各个部分在热处理室501内停留的时间应当是所需的热处理时间。
对此，在本发明的优选实施例中，所述提拉机构60构造成使所述单晶硅棒S3以恒定的速度移动穿过所述热处理室501，使得所述单晶硅棒S3的任一横截面在所述热处理室501中停留所需的热处理时间。由此，单晶硅棒S3的各个部分在热处理室501中实际停留的时间相同，确保了单晶硅棒S3整体上收到了均匀的热处理。
在热处理过程中，除了需要对热处理时间的控制，对加热温度的控制也至为关键，对此，在本发明的优选实施例中，参见图5，所述拉晶炉还包括：
设置在热处理室501内的用于对所述单晶硅棒S3的温度进行检测的温度传感器70和与所述温度传感器70连接的控制器80，
其中，所述控制器80设置成用于根据所述温度传感器70检测到的温度控制所述加热器50的加热温度，以提供所需的热处理温度。
如图5所示，作为示例，温度传感器70设置在加热器50上，并且较为接近单晶硅棒S3，由此，加热器50并非始终按照某一设定的恒定温度进行加热，而是可以根据单晶硅棒S3的实际温度情况提供适当的热处理温度。温度传感器70和控制器80的设置可以使热处理工艺以更为精确的方式执行。
为了进一步精确控制加热器50提供的热处理温度，在本发明的优选实施例中，所述加热器50可以被所述控制器控制成所述加热器50的沿所述拉晶方向T的不同部分同时提供不同的温度。由此，如果在热处理过程中，单晶硅棒S3的沿拉晶方向T的不同部分的实际温度不相同，加热器50的各个部分能够根据这些实际温度提供加热温度，使得单晶硅棒S3的各个部分实际经历的热处理温度相同。
在本发明的优选实施例中，所述单晶硅棒的热处理温度可以为800摄氏度。
在本发明的优选实施例中，所述热处理时间可以为2小时。
在本发明的一种实施例中，所述拉晶炉1'设置成能够使整根单晶硅棒S3同时处于热处理室501中进行热处理，对此，优选地，如图6所示，所述热处理室501的沿所述拉晶方向T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能够完全位于所述热处理室501中。
通过使用根据本发明实施例的拉晶炉，单晶硅棒S3内的BMD密度得以进一步提升，优选地，所述单晶硅棒S3在所述热处理室501中被热处理之后具有的BMD密度不小于1E8ea/cm3(1E8个/立方厘米)。
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)
1.一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉包括限定出热处理室的加热器，所述加热器在所述拉晶炉中设置成使得，所述单晶硅棒能够通过沿着拉晶方向移动而进入到所述热处理室中。
2.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括提拉机构，所述提拉机构用于使所述单晶硅棒沿着所述拉晶方向移动以使所述单晶硅棒从相界面处生长并且进入到所述热处理室中。
3.根据权利要求2所述的拉晶炉，其特征在于，所述提拉机构构造成使整个所述单晶硅棒在所述热处理室中停留所需的热处理时间。
4.根据权利要求2所述的拉晶炉，其特征在于，所述提拉机构构造成使所述单晶硅棒以恒定的速度移动穿过所述热处理室，使得所述单晶硅棒的任一横截面在所述热处理室中停留所需的热处理时间。
5.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括设置在热处理室内的用于对所述单晶硅棒的温度进行检测的温度传感器和与所述温度传感器连接的控制器，
其中，所述控制器设置成用于根据所述温度传感器检测到的温度控制所述加热器的加热温度，以提供所需的热处理温度。
6.根据权利要求5所述的拉晶炉，其特征在于，所述加热器能够被所述控制器控制成所述加热器的沿所述拉晶方向的不同部分同时提供不同的温度。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的拉晶炉，其特征在于，所述单晶硅棒的热处理温度为800摄氏度。
8.根据权利要求3或4所述的拉晶炉，其特征在于，所述热处理时间为2小时。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的拉晶炉，其特征在于，所述热处理室的沿所述拉晶方向的长度大于等于所述单晶硅棒的长度使得所述单晶硅棒能够完全位于所述热处理室中。
10.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述单晶硅棒在所述热处理室中被热处理之后具有的BMD密度不小于1E8ea/cm3。
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