CN114318500A - 一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉、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拉制单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒；所述拉晶炉包括：设置在水冷套上方位置且呈圆筒状的加热装置，所述加热装置被配置成使得单晶硅棒沿着竖直方向向上移动时能够进入至所述加热装置限定出的热处理室中进行热处理；设置在所述加热装置上方且呈圆筒状的冷却装置，所述冷却装置被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒沿着竖直方向继续向上移动时能够进入至所述冷却装置限定出的冷却室中进行冷却处理。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒。
背景技术
近年来，随着半导体器件制造过程中细微化的发展，对所需要的硅片的要求越来越高，不仅要求硅片表面区域缺陷很少甚至无缺陷，而且要求硅片具有足够的体微缺陷(Bulk Micro Defects，BMD)，以保护设置电子元件的硅片区域不被重金属杂质污染。而硅片中含有的重金属杂质已然成为影响半导体器件品质的重要因素，因此重金属杂质的含量需要在硅片生产过程中极力减少。目前，已知当在硅片内部形成足够多的BMD时，这些BMD具有捕捉重金属杂质的本征吸杂(Intrinsic Gettering，IG)作用，能够极大改善由于重金属杂质导致的半导体器件品质不良的问题。近年来对含有BMD密度等于或大于1×108个/cm3的硅片需求增加，因此在硅片供应至电子元件制造厂时需要在基材硅片中具有足够的BMD核心，从而可以获得高的BMD密度。
外延硅片是在硅片上通过气相沉积反应生长一层单晶层(也称之为外延层)，由于外延层具有高的结晶完整性，且几乎没有缺陷的特性，因此目前外延硅片被作为半导体器件的基板材料而广泛使用。但是在外延生长过程中，由于硅片暴露在1000℃以上的高温环境中，较小的BMD核心会被消除，因此外延硅片中不能够提供足够数量的BMD核心，导致利用上述外延硅片制造半导体器件时无法充分引起足够密度的BMD，进而使得制造得到的半导体器件品质不佳。
为了解决外延硅片中BMD密度降低的问题，通常会在单晶硅棒拉制过程中进行掺氮处理以获得稳定的BMD核心；但是对于氮掺杂的硅片，其外周围存在氧诱层积缺陷(Oxidation Induced Stacking Faults，OSF)区域会引起BMD的密度下降以及蚀刻坑(EtchPit，EP)缺陷化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒；能够提高单晶硅棒中的BMD核心，进而提高单晶硅棒中的BMD密度。
本发明实施例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拉制单晶硅棒的拉晶炉，所述拉晶炉包括：
设置在水冷套上方位置且呈圆筒状的加热装置，所述加热装置被配置成使得单晶硅棒沿着竖直方向向上移动时能够进入至所述加热装置限定出的热处理室中进行热处理；
设置在所述加热装置上方且呈圆筒状的冷却装置，所述冷却装置被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒沿着竖直方向继续向上移动时能够进入至所述冷却装置限定出的冷却室中进行冷却处理。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒的方法，所述方法包括：
将多晶硅原料放置于石英坩埚中并熔化后，下降籽晶以拉制单晶硅棒；
所述单晶硅棒沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至加热装置限定出的热处理室中进行热处理；
热处理后的所述单晶硅棒继续沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至冷却装置限定出的冷却室中进行冷却处理。
第三方面，本发明实施例提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒由第二方面所述的方法拉制得到。
本发明实施例提供了一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉、方法及单晶硅棒；通过在拉晶炉中设置加热装置以在单晶硅棒沿着竖直方向向上移动的过程中对单晶硅棒进行热处理；以及在加热装置上方设置有冷却装置，以对热处理后的单晶硅棒沿进行冷却处理；通过该拉晶炉能够改变单晶硅棒的温度场，使得单晶硅棒处于适合BMD核心形成和长大的温度下，并通过冷却装置控制单晶硅棒的冷却速度，以提高BMD的形核数，进而提高了单晶硅棒内的BMD密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的现有的拉晶炉结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒的拉晶炉结构示意图；
图3为本发明实施例提供的单晶硅棒内部缺陷分布与V/G关系分布示意图；
图4为本发明实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒的方法流程示意图；
图5为本发明实施例提供的利用本发明实施例提供的用于拉制单晶硅棒的拉晶炉数值模拟得到的单晶硅棒的温度场示意图；
图6为本发明实施例提供的利用现有的拉晶炉数值模拟得到的单晶硅棒的温度场示意图。
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，其示出了现有的拉晶炉1A，如图1所示，该拉晶炉1A可以包括：
炉体101，该炉体101限定出炉体空腔FC；
石英坩埚102，该石英坩埚102设置在炉体101限定出的炉体空腔FC底部并用于在制备单晶硅棒SA的初始阶段容纳固态的多晶硅原料；
石墨坩埚103，该石墨坩埚103设置在石英坩埚102的外周，用于支撑和固定石英坩埚102；
坩埚加热器104，该坩埚加热器104设置在石墨坩埚104的外周以对石英坩埚103和石墨坩埚104进行加热，从而使容纳在石英坩埚102中的多晶硅原料熔化成硅熔液；
炉体侧壁保温元件105，该炉体侧壁保温元件105设置在炉体101的圆筒状炉体侧壁的内侧以减少由坩埚加热器104产生的热量经由炉体侧壁散失；
倒锥筒状的导流筒106，该导流筒106设置在石英坩埚102的上方以用于将比如氩气的惰性气体从上至下引导至石英坩埚102中的硅熔液上方，其中，导流筒106的顶部的径向尺寸小于炉体101的径向尺寸并借助水平的导流筒保持架(图中未示出)固定至炉体101的侧壁；
圆筒状的水冷套107，该水冷套107的径向尺寸小于导流筒106的顶部的径向尺寸以便以在竖向方向上与导流筒106交叠的方式设置在导流筒106的上方，以用于对拉制出的单晶硅棒SA进行冷却；
圆环形的平板状保温盖108，该保温盖108为比如石墨制成的单层盖板，该保温盖108以其外环缘与炉体101的侧壁接触并且其内环缘与导流筒106接触的方式水平地设置在炉体侧壁保温元件105的导流筒保持架上方，以防止坩埚加热器104产生的热量经由炉体101的顶部散失；
坩埚托盘109，该坩埚托盘109为比如石墨支撑，用于支撑石墨坩埚103；
坩埚旋转机构110，该坩埚旋转机构110用于驱动石英坩埚102和石墨坩埚103旋转。
当使用拉晶炉1A拉制单晶硅棒SA时，首先，将高纯度的多晶硅原料放入石英坩埚102中，并在坩埚旋转机构110驱动石英坩埚102旋转的同时通过坩埚加热器104对石英坩埚102不断进行加热，以将容纳在石英坩埚102中的多晶硅原料熔化成熔融状态，即熔化成硅熔液，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，使多晶硅原料熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。当通过控制由坩埚加热器104提供的热场将硅熔液的液面温度控制在结晶的临界点时，通过位于液面上方的籽晶(图中未示出)从液面沿竖直方向向上提拉，硅熔液随着籽晶的提拉上升按照籽晶的晶向生长出单晶硅棒SA。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SA的拉制过程中进行掺氮，例如可以在拉制过程中向拉晶炉1A的炉室内冲入氮气或者可以使石英坩埚102中的硅熔液中掺杂含氮的硅片，由此拉制出的单晶硅棒SA以及由单晶硅棒SA切割出的硅片中便会掺杂有氮。
但是，由上述方法制备得到的硅片在通过外延沉积反应生成外延硅片的过程中，由于外延沉积反应温度为1000℃使得硅片中较小的BMD核心会被消除，因此外延硅片中不能够提供足够数量的BMD核心。为了避免上述问题，现有技术中会拉制直径更粗的单晶硅棒SA，并通过辊磨的方式去除单晶硅棒SA边缘的OSF部分，但是这种操作造成单晶硅棒SA的损耗以及时间成本过高。
另外在现有技术中也会对上述硅片进行热处理，从而获得更多的BMD核心，但是在热处理过程中硅片往往容易受到金属污染，而且热处理的时间较长，成本很高。
基于上述阐述，为了提高单晶硅棒SA以及由其制得的硅片内的BMD密度，参见图2，其示出了本发明实施例提供的拉晶炉1，如图2所示，该拉晶炉1具体包括：
设置在水冷套107上方位置且呈圆筒状的加热装置201，所述加热装置201被配置成使得单晶硅棒S沿着竖直方向向上移动时能够进入至所述加热装置201限定出的热处理室2011中进行热处理；
设置在所述加热装置201上方且呈圆筒状的冷却装置202，所述冷却装置202被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒S沿着竖直方向继续向上移动时能够进入至所述冷却装置202限定出的冷却室2021中进行冷却处理。
对于图2所示的拉晶炉1，通过在水冷套107上方位置设置呈圆筒状的加热装置201，且加热装置201被配置成使得单晶硅棒S沿着竖直方向向上移动时能够进入至加热装置201限定出的热处理室2011中进行热处理；以及在加热装置201上方设置有呈圆筒状的冷却装置202，且冷却装置202被配置成使得热处理后的单晶硅棒S沿着竖直方向继续向上移动时能够进入至冷却装置202限定出的冷却室2021中进行冷却处理；通过该拉晶炉1能够改变单晶硅棒S的温度场，使得单晶硅棒S处于适合BMD核心形成和长大的温度下，并通过冷却装置202控制单晶硅棒S的冷却速度，以提高BMD的形核数，进而提高了单晶硅棒S内的BMD密度。
可以理解地，对于图2所示的技术方案，能够实现单晶硅棒S在不掺杂氮，或者由单晶硅棒S制成的硅片不用进行热处理的情况下，即能够使得外延硅片中的BMD密度达到客户规格要求。
对于图2所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，如图2所示，所述拉晶炉1还包括提拉机构203，所述提拉机构203被配置成使得所述单晶硅棒S沿着竖直方向向上的提拉速度V(mm/min)与所述单晶硅棒S轴向方向上的平均温度梯度G(℃/mm)的比例参数V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间；其中(V/G)临界指的是PV区域与PI区域之间边界位置上的V/G值。
需要说明的是，如图3所示，单晶硅棒S中BMD密度等于或大于1×108个/cm3的区域被定义为包含氧析出促进区域(以下简称“Pv区域”)，OSF区域和空位富集区域(以下简称“V-rich区域”)，其中OSF区域也称为P-带区域(以下简称P-band区域)；而BMD密度小于1×108个/cm3的区域被定义为含氧析出抑制区域(以下简称“Pi区域”)，B-带区域(以下简称B-band区域)和间隙硅富集区域(以下简称“I-rich区域”)；而在PV区域与PI区域之间的边界位置上的V/G值被定义为(V/G)临界。
可以理解地，在单晶硅棒S的拉制过程中，采用较高的提拉速度进行单晶硅棒S的拉制时，优选地，V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间，这样在较高的提拉速度下使单晶硅棒S在V-rich区域进行结晶生长，以使得单晶硅棒S的直径区域以空位缺陷为主，这主要是因为BMD是杂质氧在空位缺陷中沉积形成的，在实际生产中单晶硅棒S中BMD会沉积在空位缺陷区域和空位富集区域，而如果单晶硅棒S中含有空位缺陷区，会影响由单晶硅棒S制备得到的硅片的栅极氧化膜的完整性。而对于I-rich区域，由于无法沉积杂质氧，因而无法形成BMD。因此只有单晶硅棒中的V-rich区域才能产生高密度的BMD，进而获得高洁净表面的硅片。
对于图2所示的技术方案，优选地，所述加热装置2011用于提供600℃至800℃的热处理温度。可以理解地，通过加热装置201对单晶硅棒S进行加热，使单晶硅棒S的热处理温度保持在600℃至800℃，这是因为热处理温度在600℃至800℃之间有利于促进BMD核心的形成和长大，能够防止外延生长过程中1000℃以上的高温环境造成较小的BMD核心被消除，这样有利于保证最终获得的外延硅片中的BMD密度满足客户规格要求。
对于图2所示的技术方案，优选地，所述冷却装置2021被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒的冷却速率为大于2.7℃/min，以提高BMD核心的密度。在本发明实施例中，在加热装置201的上方设置有冷却装置202，以控制单晶硅棒S经热处理后的冷却温度和冷却速率，这是因为饱和BMD的密度与单晶硅棒S的冷却速率有关，较高的冷却速率可以提高BMD核心的密度；对热处理后的单晶硅棒S进行快速冷却能够抑制单晶硅棒S内部空位的再结合，以保证最终得到的单晶硅棒S中残留有较高的空位浓度，进而保证获得足够多的BMD核心。需要说明的是，在本发明实施例中，针对不同客户规格要求的BMD密度，可以通过冷却装置202对单晶硅棒S提供不同的冷却速率，进而来控制单晶硅棒S中BMD核心的密度。
对于图2所示的技术方案，所述拉晶炉1还包括水冷套107，所述水冷套107被配置成使得拉制得到的所述单晶硅棒S在1150℃至1020℃之间快速冷却，以使得所述单晶硅棒S的冷却速率大于2.7℃/min，以抑制空位缺陷在单晶硅棒S中再结合，从而保证了单晶硅棒S中以空位缺陷为主。
参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种用于拉制单晶硅棒的方法，所述方法包括：
S401、将多晶硅原料放置于石英坩埚102中并熔化后，下降籽晶以拉制单晶硅棒S；
S402、所述单晶硅棒S沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至加热装置201限定出的热处理室2011中进行热处理；
S403、热处理后的所述单晶硅棒S继续沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至冷却装置202限定出的冷却室2021中进行冷却处理。
对于图4所示的技术方案，在拉晶炉1中，对单晶硅棒S进行热处理后再进行冷却处理，通过控制单晶硅棒S的V/G参数、热处理温度和热处理时间，以及热处理工艺后的冷却温度和冷却时间来控制单晶硅棒S的温度场，以此来控制单晶硅棒S内部BMD核心的形成和长大，进而提高单晶硅棒中BMD的密度。
对于图4所示的技术方案，优选地，所述单晶硅棒S沿着竖直方向向上的提拉速度V(mm/min)与所述单晶硅棒S轴向方向上的平均温度梯度G(℃/mm)的比例参数V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间；其中(V/G)临界指的是PV区域与PI区域之间边界位置上的V/G值。
对于图4所示的技术方案，优选地，所述加热装置2011用于提供600℃至800℃的热处理温度。
对于图4所示的技术方案，优选地，所述冷却装置2021被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒S的冷却速率大于2.7℃/min。
举例来说，参见图5，其示出了利用数值模拟方法得到的由拉晶炉1拉制的单晶硅棒S的温度场示意图，其中，拉制单晶硅棒S的V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间。由图5可以看出，在拉晶炉1中，采用参数V/G拉制得到的单晶硅棒S的温度场处于600℃至800℃的区域范围很宽，也就是说在上述很宽范围内均有利于BMD核心的形成和长大。需要说明的是，在拉晶炉1中，采用参数V/G拉制单晶硅棒S时，单晶硅棒S在600℃至800℃温度范围内大约停留570分钟min。
同样地，利用相同的数值模拟条件对由拉晶炉1A拉制的单晶硅棒SA的温度场进行数值模拟，其得到的温度场参见图6，由图6可以看出，在拉晶炉1A中，采用参数V/G拉制得到的单晶硅棒SA的温度场处于600℃至800℃的区域范围很窄，也就是说在上述很窄范围内才能够适于BMD核心的形成和长大。需要说明的是，在拉晶炉1A中，采用参数V/G拉制单晶硅棒SA时，单晶硅棒SA在600℃至800℃温度范围内大约停留158分钟min。
最后，本发明实施例还提供了一种单晶硅棒，所述单晶硅棒由根据前述技术方案所述的方法拉制得到。
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：
设置在水冷套上方位置且呈圆筒状的加热装置，所述加热装置被配置成使得单晶硅棒沿着竖直方向向上移动时能够进入至所述加热装置限定出的热处理室中进行热处理；
设置在所述加热装置上方且呈圆筒状的冷却装置，所述冷却装置被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒沿着竖直方向继续向上移动时能够进入至所述冷却装置限定出的冷却室中进行冷却处理。
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，所述提拉机构被配置成使得所述单晶硅棒沿着竖直方向向上的提拉速度V与所述单晶硅棒轴向方向上的平均温度梯度G的比例参数V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间；其中(V/G)临界指的是PV区域与PI区域之间边界位置上的V/G值。
3.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述加热装置用于提供600℃至800℃的热处理温度。
4.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述冷却装置被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒的冷却速率为大于2.7℃/min。
5.根据权利要求1所述的拉晶炉，其特征在于，所述拉晶炉还包括水冷套，所述水冷套被配置成使得拉制得到的所述单晶硅棒在1150℃至1020℃之间快速冷却，以使得所述单晶硅棒的冷却速率大于2.7℃/min。
6.一种用于拉制单晶硅棒的方法，其特征在于，所述方法包括：
将多晶硅原料放置于石英坩埚中并熔化后，下降籽晶以拉制单晶硅棒；
所述单晶硅棒沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至加热装置限定出的热处理室中进行热处理；
热处理后的所述单晶硅棒继续沿着竖直方向以设定的提拉速度V向上被提拉并移动至冷却装置限定出的冷却室中进行冷却处理。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单晶硅棒沿着竖直方向向上的提拉速度V与所述单晶硅棒轴向方向上的平均温度梯度G的比例参数V/G处于1.1(V/G)临界至1.2(V/G)临界之间；其中(V/G)临界指的是PV区域与PI区域之间边界位置上的V/G值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述加热装置用于提供600℃至800℃的热处理温度。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述冷却装置被配置成使得热处理后的所述单晶硅棒的冷却速率大于2.7℃/min。
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6至9任一项所述的方法拉制得到。
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