CN114318499B - 一种大直径半导体硅单晶的生长方法及单晶炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大直径单晶炉，用于生长大尺寸半导体单晶硅棒，所述单晶炉包括炉体、石英坩埚、加热器、超导磁场、坩埚旋转升降机构、籽晶提拉旋转机构。本发明采用超导磁场辅助的大直径单晶炉，可以生长出12英寸以上的半导体单晶硅，满足半导体行业发展的需求，同时超导磁场的强度连续可调，晶棒的轴向、径向均匀性得到改善，单晶硅棒中的氧含量也得到有效控制。相对于现有技术的电磁场，本发明既能有效提高所需磁场强度，又能大幅降低长晶环节的能耗。

Description

一种大直径半导体硅单晶的生长方法及单晶炉

技术领域

本发明涉及半导体单晶硅材料技术领域，具体涉及一种直拉法生长大直径 半导体硅单晶的方法及单晶炉。

背景技术

单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中基础性的原材料，属半导体材料类， 是信息社会的物质基础。在摩尔定律的影响下，集成电路技术快速发展，从小 规模集成电路发展到大规模集成电路，再到超大规模集成电路的进步，推动了 更大尺寸单晶硅的发展。晶圆尺寸从20世纪60年代开始时的1英寸直径逐渐 发展到8英寸和12英寸。目前集成电路产业已广泛采用12英寸硅晶圆，并逐 步朝着16英寸、18英寸发展。

随着集成单路芯片特征尺寸的不断减小，芯片集成度的不断提高，器件制 造商对单晶硅材料提出了更严格的要求。硅单晶材料也向着高纯度、高完整性、 高均匀性和大直径的方向发展。

直拉法，也叫切克劳斯基(Czochralski)法(简称CZ法)，是制造单晶硅 的重要方法。在直拉法生长硅单晶时，由于温度梯度、重力、坩埚和晶棒转动 等，坩埚内硅熔体存在着复杂的对流，这些不稳定的热对流会严重影响硅单晶 的完整性、均匀性和氧含量等指标，使得单晶硅棒中氧含量分布不均匀甚至出现缺陷，降低产品良率。在大直径单晶炉中，随着坩埚直径和热场尺寸的增大 以及投料量的相应增多，这种对流更加强烈，对硅单晶产品品质构成严峻的挑 战。

为了抑制熔体内的热流动，利用熔硅的导电性，在生长过程中引入外加磁 场。熔体的流动引起感应电流，在磁场作用下，产生与熔体运动方向相反的洛 伦兹力，相当于增加了熔硅的粘滞性。在磁场的作用下，熔体的对流得到了抑 制，固液界面处的氧、点缺陷及其它杂质也可得到改善，进而提高单晶质量。 这种通过向熔体内施加磁场的方法被称为磁场直拉法(Magnetic Field applied Czochralski Method，简称MCZ法)。例如CN1904147B公开了一种用柴氏长晶法、以高生产率生产高质量硅单晶结晶快的技术，采用CUSP磁场，通过控制氧 溶出区域处的磁场强度为100-400G，使其不同于固液界面区域处的磁场强度 0-150G，从而将氧含量控制为所需值，例如9-15ppma。JP1989038078B2公开了 一种单晶半导体的制造方法，将200-1000高斯的磁场施加到坩埚中的熔融半导 体上，并揭示小于200G不能充分抑制熔融半导体材料的振荡温度的波动，难以 大直径生长半导体单晶。同样，大于1000G熔融的半导体材料在晶体生长界面 附近变得不均匀的温度分布，不能获得高质量的单晶半导体。

目前使用的电磁场，是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体，它在产 生强磁场时，需要在线圈中通入很大的电流。由于磁体电阻和磁路损耗，大量 电能因转化为热能而被浪费。要得到较强磁场，就必须利用导磁率高的磁性铁 芯，或是增大线圈匝数和加大电流。然而磁性铁芯的磁化特性有饱和极限且磁 性铁芯过重，难以在大范围内产生稳定的强磁场，且增加线圈匝数则会增大体积和重量，同时亦无法在限定的空间范围内，高效地形成强磁场。由于上述原 因，目前的电磁场难以满足大尺寸单晶硅棒生长的要求，并且随着单晶硅棒尺 寸的增大，这个技术问题会愈发突出。

在这一技术背景下，超导磁场的概念呼之欲出。专利申请CN110957099A公 开了一种用于磁控直拉单晶的四角型线圈分布超导磁体及其方法，具有提高单 晶硅的纯度和品质，摆脱液氦资源短缺的困境，大大降低成本和节省资源的特 点。CN110136915A公开了一种超导磁体和磁控直拉单晶设备，该超导磁体，包 括超导开关、超导线圈、线圈骨架和低温恒温器，所述超导线圈固定于所述线圈骨架上，多个所述超导线圈相互串联。所述超导开关与所述超导线圈并联， 并固定于所述线圈骨架上。所述线圈骨架置于所述低温恒温器中，所述低温恒 温器带有制冷机。通过设置所述超导开关断开和闭合，实现了各超导线圈和超导开关之间电流的闭合导通，以便撤走励磁电源。

上述现有技术虽然公开了一种超导磁体，但均只是概念性地提及可用于半导 体单晶生长，具有降氧等效果，但未涉及具体的长晶炉和超导磁场辅助长晶工 艺，本领域技术人员无法知晓具体应用何种的磁场强度大小以及在不同长晶阶 段如何调节磁场大小配合大直径单晶硅棒生长。目前，超导磁场在单晶炉的应 用也鲜有报道，意味着超导磁场的工业化应用仍存在很大的挑战。

因此，仍旧需要一种超导磁场辅助的大直径半导体硅单晶生长方法及用于该 工艺的单晶炉。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大直径半导体硅单晶的生长方法， 借助超导磁场辅助，可以根据要求控制单晶硅棒中的氧含量，满足半导体行业 的质量要求，同时提高产品良率。

本发明的另一目的在于提供一种大直径单晶炉，用于生长12英寸以上的半 导体单晶硅棒。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种大直径半导体硅单晶的生长方法，将电子级多晶硅料装入单晶炉石英 坩埚中，封闭炉体，通入惰性气体，设定好炉压，给加热器通电，升温持续加 热石英坩埚中的硅料，其特征在于，待多晶硅料完全熔化成液态后，给超导磁 场通电，对液态熔硅施加磁场，并经引晶、放肩、等径、收尾工序进行硅单晶 生长的步骤。

在一个具体的实施方案中，所述超导磁场的磁场强度在0-10000高斯(G)， 通过调节超导线圈中的电流大小来控制磁场强度连续可调。

在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅生长的引晶、放肩阶段，对石英坩 埚内的硅熔体施加的磁场强度为5000-10000高斯；优选地，所述磁场强度降低 速率为300-600G/h。

在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅生长的等径阶段，对石英坩埚内的 硅熔体施加的磁场强度为1000-5000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为 30-60G/h。

在一个具体的实施方案中，在所述单晶硅的收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔 体施加的磁场强度为0-1000高斯；优选地，所述磁场强度降低速率为60-120G/h。

在一个具体的实施方案中，所述石英坩埚的尺寸为28-40英寸，可盛装 300-800kg多晶硅料。

在一个具体的实施方案中，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶 段，坩埚旋转升降机构的旋转速度为0-20rpm，升降速度为0-4mm/min。

在一个具体的实施方案中，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶 段，籽晶提拉旋转机构的旋转速度为0-30rpm，升降速度为0-8mm/min。

本发明的另一方面，前述的大直径半导体硅单晶生长用的单晶炉，所述单 晶炉包括：

炉体，所述炉体内径至少为1200mm；

石英坩埚，所述石英坩埚放置于炉体中部，用于盛装多晶硅料；

加热器，所述加热器沿石英坩埚外围设置，用于加热多晶硅料；

超导磁场，所述超导磁场环绕炉体布置，用于向熔融多晶硅料施加磁场；

坩埚旋转升降机构，支撑石英坩埚并带动坩埚旋转和升降；

籽晶提拉旋转机构，用于装载籽晶并从熔体中提拉出单晶硅棒。

在一个具体的实施方案中，所述加热器由加热器1和加热器2组成，所述 加热器1环绕石英坩埚设置，所述加热器2设置在石英坩埚底部；优选地，所 述加热器1为主加热器，额定功率为200-400kW，所述加热器2为副加热器，额 定功率在100-200kW。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1)本发明的大直径单晶炉炉体内径至少1200mm，可以容纳28-40英寸石英 坩埚，从而有助于提升装料量，配合超导磁场辅助，可以生长出12英寸以上的 大直径单晶硅棒，满足半导体行业发展的需求。

2)本发明的单晶炉及半导体硅单晶生长方法，超导磁场环绕炉体布置，且 磁场强度在0-10000G连续可调，通过在引晶、放肩、等径和收尾不同长晶阶段 配合不同的磁场强度，可以根据需求控制单晶硅棒中的氧含量，提高产品良率。

3)本发明的单晶炉及半导体硅单晶生长方法，相对于常规的电磁场，既能 有效提高所需磁场强度，又能大幅降低所需能耗，有利于大直径半导体硅单晶 的产业化。

附图说明

图1为本发明大直径单晶炉结构示意图。

图2为本发明大直径单晶炉采用的一种超导磁场结构示意图。

图3为本发明单晶硅生长过程流程示意图。

其中，1为单晶硅棒、2熔融硅液、3石英坩埚、4加热器、5坩埚旋转升降 机构、6籽晶提拉旋转机构、7炉体、8超导磁场、801超导线圈、802隔热罩、 803低温制冷机。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面的实施例将对本发明所提供的方 法予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的 权利要求范围内其他任何公知的改变。

如图1所示，一种大直径单晶炉，包括炉体7、石英坩埚3、加热器4、超 导磁场8、坩埚旋转升降机构5和籽晶提拉旋转机构6。石英坩埚3放置于炉体 7中部，石英坩埚3外被石墨坩埚支持，放置于支撑基座上，支撑基座随着坩埚 旋转升降机构5旋转、升降，从而实现坩埚的旋转、升降。

作为本发明大直径单晶炉的炉体，炉体内径在1200mm以上，可以容纳28-40 英寸石英坩埚，石英坩埚内一次可盛装300-800kg多晶硅料，该初始装料量有 助于拉制12英寸及以上尺寸的大直径硅单晶。

作为本发明大直径单晶炉的加热器4，沿石英坩埚外围设置，包括设在石英 坩埚3四周的主加热器和石英坩埚3底部的副加热器。所述加热器通电加热使石英坩埚3中的多晶硅料熔化，所述主加热器的额定功率在200-400kW，所述副 加热器的额定功率在100-200kW，通过该功率主副加热器的设置，可以实现单晶 炉内符合长晶要求的温场。

作为本发明大直径单晶炉的超导磁场，超导磁场8环绕炉体7布置，具体可 采用如图2所示的超导磁场，所述超导磁场包括超导线圈801将超导线圈801 与环境隔绝的隔热罩802、以及为超导磁场降温的低温制冷机803。超导线圈801 通过电流引线与外部电源相连，通电后即可生成比现有电磁场强度更大的强磁 场，并且通过调节电流大小，实现磁场强度0-10000G连续可调。所述超导线圈 例如为NbTi材质的低温超导线并通过干式绕制而成。其中，超导线圈的数量为 4个，环绕炉体对称分布。所述隔热罩802为多层绝热结构，通常由低温绝热纸 和反射屏材料(例如铝箔或镀铝薄膜)复合而成，厚度例如为8mm，该隔热罩 802能够实现内部超导线圈801的密封和绝热。在隔热罩802外侧还设有一层中 空结构，并于低温制冷机803连接，通过低温制冷机803中的制冷剂，例如液 氦等，制造用于满足设定低温条件的环境，使超导线圈处于超导状态。除前述说明之外，本发明的超导线圈没有其他特别说明之处，例如可以参考现有技术 CN110957099A和CN110136915A，其关于超导磁体的相关内容均可引入本发明。

本发明的另一方面，采用前述大直径单晶炉用于生长半导体硅单晶的方法， 将电子级多晶硅料放入石英坩埚中，封闭炉体，通入惰性气体，设置好炉压， 给加热器通电，升温持续加热石英坩埚中的硅料，同时设定坩埚转速，待多晶 硅料完全熔化成液态后，给超导磁场通电，对液态熔硅施加磁场，进行单晶硅 棒的生长。

如图3所示，硅单晶的生长包括一开始的投炉装料及置换、通电加热熔料、 试温控制温度梯度、引晶、放肩、等径、收尾，以及晶体冷却阶段。本发明的 大直径半导体硅单晶生长方法，超导磁场辅助应用于其中的试温、引晶、放肩、等径、收尾工序。

与现有技术常规的MCZ工艺相比，本发明的特点还在于，在生长单晶硅棒的 不同阶段，对石英坩埚内的液态熔硅施加不同强度的磁场，通过拉晶转速和坩 埚转速的配合，控制一定的晶体生长速率，从而长出高质量的大直径半导体硅 单晶。其中，所述超导磁场的磁场强度在0-10000高斯连续可调，可通过超导 线圈的电流大小来控制磁场强度。

具体地，例如控制所述坩埚旋转升降机构的旋转速度为0-20rpm，升降速度 为0-4mm/min，优选旋转速度为2-10rpm，升降速度为0.01-0.1mm/min；控制所 述籽晶提拉旋转机构的旋转速度为0-30rpm，升降速度为0-8mm/min，优选旋转 速度为5-20rpm，升降速度为0.2-2mm/min。

在一个较优的实施方案中，在单晶硅生长的引晶、放肩阶段，对石英坩埚内 的硅熔体施加的磁场强度为5000-10000高斯。例如，对石英坩埚内的硅熔体施 加的磁场强度为5000G、6000G、7000G、8000G、9000G、10000G；此时，配合相 应的籽晶转速为6-12rpm、坩埚转速为3-6rpm；优选地，例如，在试温阶段， 通电施加超导磁场，并将磁场强度设置在9000G；开始引晶后，以300-600G/h 的速率降低磁场强度至8000G并保持，引晶时长约1-2h；开始放肩，再以 300-600G/h的速率降低磁场强度至5000G并保持，放肩时长约4-8h。

在一个较优的实施方案中，在单晶硅生长的等径阶段，对石英坩埚内的硅熔 体施加的磁场强度为1000-5000高斯。例如，在等径阶段，对石英坩埚内的硅 熔体施加的磁场强度为1000G、1500G、2500G、3500G、4000G、4500G、5000G， 此时，配合等径阶段的晶转为6-12rpm、埚转为3-6rpm，晶体生长速率为 0.2-0.6mm/min。优选地，开始等径时，磁场强度为5000G，并以30-60G/h的速 率降低至1000G并保持，等径时长约70-150h。

在一个较优的实施方案中，在单晶硅的收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔体施 加的磁场强度为0-1000高斯。例如，在收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加 的磁场强度为0G、200G、500G、650G、700G、800G、900G、1000G，此时，配合 收尾阶段的晶转为6-12rpm、埚转为3-6rpm。优选地，开始收尾时，磁场强度 为1000G，并以60-120G/h的速率降低至0G，收尾时长约8-16h。

收尾后的单晶硅棒在单晶炉副室内初步冷却，然后经过检测，截掉不合格的 头尾部分后得到最终单晶硅棒产品，再通过滚圆、去头尾、切片、研磨、抛光 等步骤得到用于制作晶圆的大硅片。采用本发明的单晶炉及生长方法，可生长 出300mm以上的大直径单晶硅棒，再经过后处理加工得到300mm(12英寸)或 更大尺寸的单晶硅片。

下面通过几个更具体的实施例进一步说明本发明，这仅为了实例说明，并不 对本发明构成任何限制。

实施例1

本实施例的大直径单晶炉内径为1400mm，炉内放置32英寸石英坩埚，主加 热器的额定功率为260kW，副加热器的额定功率为100kW；超导磁场的内径为 1650mm，环绕布置在炉体四周。

首先在石英坩埚内装填450kg电子级多晶硅料，然后将石英坩埚放置于炉 体，封闭炉体，进行抽真空检漏作业。检漏合格之后，通入氩气，控制炉内真 空度在3000帕斯卡左右，打开加热器电源，按照30千瓦/小时的斜率升高加热 器功率，同时设定坩埚转速为5rpm，持续加热多晶硅料。大约14小时后，石英 坩埚的多晶硅料完全熔化为液态。接着给超导磁场通电，对液态熔硅施加磁场。同时调整加热器功率，使得熔体液面温度稳定在1420℃，然后下降籽晶与熔体 接触，籽晶转速设定为8rpm，开始进行单晶硅棒的生长，单晶硅棒的直径设定 为308mm。

在最初的引晶阶段，超导磁场的强度设定为6000高斯；设定以400G/h的 速率降低磁场强度至4000G并保持至等径阶段；在等径阶段，随着单晶硅棒的 生长，超导磁场的强度由4000高斯按照40高斯/小时的速率降低到1000高斯 并保持；在收尾阶段，超导磁场的强度则由1000高斯按照100高斯/小时的速 率逐渐降低为0。

这样生长出直径为306-310mm，等径部分长度为2100mm的单晶硅棒，晶棒 中的氧含量从头到尾可以控制在10-5ppma的范围内。

本实施例中的超导磁场，磁场强度为6000高斯时的功率约为40kW。相对于 以前的电磁场，例如专利号为CN201110114078.2的发明专利中，产生磁场强度 1000高斯左右的磁场时，所需功耗就为80-100千瓦。本发明实施例既能有效提高磁场强度又能大幅降低能耗50％以上。

实施例2

本实施例的大直径单晶炉内径仍为1400mm，炉内放置36英寸石英坩埚，主 加热器的额定功率为320kW，副加热器的额定功率为120kW；超导磁场的内径为 1650mm，环绕布置在炉体四周。

首先在石英坩埚内装填650kg多晶硅料，然后将石英坩埚放置于炉体，封 闭炉体，进行抽真空检漏作业。检漏合格之后，通入氩气，控制炉内真空度在3000帕斯卡左右，打开加热器电源，按照40千瓦/小时的斜率升高加热器功率， 同时设定坩埚转速为3rpm，持续加热多晶硅料。大约15小时后，石英坩埚的多 晶硅料完全熔化为液态。接着给超导磁场通电，对液态熔硅施加磁场。同时调整加热器功率，使得熔体液面温度稳定在1420℃，然后下降籽晶与熔体接触， 籽晶转速设定为8rpm，开始进行单晶硅棒的生长，单晶硅棒的直径设定为458mm。

在最初的引晶阶段，超导磁场的强度设定为9000高斯；设定以500G/h的 速率降低磁场强度至5000G并保持至等径阶段；在等径阶段，随着单晶硅棒的 生长，超导磁场的强度则由5000高斯按照50高斯/小时的速率降低到1000高 斯并保持；在收尾阶段，超导磁场的强度则由1000高斯按照80高斯/小时的速 率逐渐降低为0。

这样生长出直径为456-460mm，等径部分长度为1400mm的单晶硅棒，晶棒 中的氧含量从头到尾控制在15-8ppma的范围内。

本实施例中的超导磁场，产生磁场强度为9000高斯时的功率约为45kW。 相对于以前的电磁场，例如专利号为CN201110114078.2的发明专利中，产生磁 场强度1000高斯左右的磁场时，所需功耗就为80-100千瓦。本发明实施例既 能有效提高磁场强度又能大幅降低能耗约50％以上。

对比例

与实施例1相比，采用同样的单晶炉、石英坩埚和加热器，只是不使用超 导磁场。

同样先在石英坩埚内装填450kg多晶硅料，然后将石英坩埚放置于炉体， 封闭炉体，进行抽真空检漏作业。检漏合格之后，通入氩气，控制炉内真空度 在3000Pa左右，打开加热器电源，按照30千瓦/小时的斜率升高加热器功率， 同时设定坩埚转速为5rpm，持续加热多晶硅料。大约14小时后，石英坩埚的多 晶硅料完全熔化为液态。然后调整加热器功率，使得熔体液面温度稳定在1420℃， 接着下降籽晶与熔体接触，籽晶转速设定为8rpm，开始进行单晶硅棒的生长，晶棒直径同样也设定为308mm。

由于没有对坩埚内的硅熔体施加磁场，熔体对流严重，导致引晶困难。多 次引晶之后，最后生长出直径为305-315mm，单晶部分长度只有1000mm的硅棒。 检测之后，晶棒中的氧含量从头到尾在30-20ppma的范围内。

另外，发明人尝试最大磁场强度较低(例如各长晶工序低于本发明的磁场 强度)的情形，与上述对比例不加磁场的情况类似，引晶较为困难，长晶良率 很低；另外，最大磁场强度过大，例如超过10000G，对超导材料要求较高，造 成成本增加，另外过大的磁场强度，容易造成固液界面流体扰动，影响长晶质 量。而本发明通过控制超导磁场的磁场强度在0-10000高斯连续可调，并在引 晶、放肩、等径、收尾环节匹配不同的磁场强度，特别是递减的磁场强度，这 种独特的长晶工艺，能够生长出12英寸以上的大直径、高质量单晶硅棒，氧含 量从晶棒头部到尾部可以控制在10-5ppma，长晶环节能耗比现有技术节约50％ 以上。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到 上述的描述不应被认为是对本发明的限制。本领域技术人员可以理解，在本说 明书的教导之下，可对本发明做出一些修改或调整。这些修改或调整也应当在 本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种大直径半导体硅单晶的生长方法，将电子级多晶硅料装入单晶炉石英坩埚中，封闭炉体，通入惰性气体，设定好炉压，给加热器通电，升温持续加热石英坩埚中的硅料，其特征在于，待多晶硅料完全熔化成液态后，给超导磁场通电，对液态熔硅施加磁场，并经引晶、放肩、等径、收尾工序进行硅单晶生长的步骤；

在所述单晶硅生长的引晶、放肩阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为5000-10000高斯，所述磁场强度降低速率为300-600G/h；

在所述单晶硅生长的等径阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为1000-5000高斯，所述磁场强度降低速率为30-60G/h；

在所述单晶硅的收尾阶段，对石英坩埚内的硅熔体施加的磁场强度为0-1000高斯，所述磁场强度降低速率为60-120G/h。

2.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述超导磁场的磁场强度在0-10000高斯，通过调节超导线圈中的电流大小来控制磁场强度连续可调。

3.根据权利要求1所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述石英坩埚的尺寸为28-40英寸，可盛装300-800kg多晶硅料。

4.根据权利要求1-3任一项所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶段，坩埚旋转升降机构的旋转速度为0-20rpm，升降速度为0-4mm/min。

5.根据权利要求4所述的大直径半导体硅单晶的生长方法，其特征在于，所述单晶硅生长地引晶、放肩、等径、收尾阶段，籽晶提拉旋转机构的旋转速度为0-30rpm，升降速度为0-8mm/min。

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