CN114808112A

CN114808112A - 一种单晶生长方法及晶圆

Info

Publication number: CN114808112A
Application number: CN202210343801.2A
Authority: CN
Inventors: 魏星; 李名浩; 李寅锋
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Zing Semiconductor Corp
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS; Zing Semiconductor Corp
Priority date: 2022-03-31
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2042-03-31
Also published as: CN114808112B

Abstract

本发明提供一种单晶生长方法及晶圆，所述单晶生长方法包括：提供熔体和经过掺杂的籽晶；获取所述经过掺杂的籽晶的初始长度l₀；将所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体中，获取所述经过掺杂的籽晶露出所述熔体表面的长度l₁，其中l₀＞l₁；利用所述熔体和所述经过掺杂的籽晶采用直拉法生长单晶。本发明使用经过掺杂的籽晶，能够精准控制单晶的P/N型及电阻率，避免了额外引入掺杂剂带来的用量难以控制的问题，保持了单晶的重复性。

Description

一种单晶生长方法及晶圆

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言是一种单晶生长方法及晶圆。

背景技术

随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，半导体电子器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅晶圆是制备半导体电子器件所必须的衬底材料。直拉法(Czochralski，CZ法)是相关技术中由熔体生长单晶硅的一项最主要的方法，其制造工艺是将多晶硅原料转入石英坩埚中，将其加热熔融后，在硅熔液中浸入籽晶并向上旋转提拉，在受控条件下，使籽晶和熔体在交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随着降温在籽晶与硅熔液界面处的硅逐渐凝固而生长出晶体，并且随着籽晶向上提拉，形成单晶硅锭，对所述单晶硅锭依次进行切割、表面磨削、抛光、边缘处理及清洗处理，获得晶圆。

直拉法生长的单晶硅广泛用于制造半导体电子器件，对于某些半导体电子器件要求晶圆有着很高电阻率(>1000Ω*cm)。高电阻率的晶圆有利于减小器件间寄生电容的影响，器件可以更密集地堆积在晶圆表面，同时可以降低器件间的信号传输损耗。高电阻率单晶硅通过掺入少量掺杂剂或不掺杂获得，某些高电阻率单晶硅晶圆还需要控制单晶硅的P/N型，目前通过掺杂少量的IIIA族和V族元素进行控制单晶硅的P/N型。由于引入掺杂剂会生成P/N结，同时需要保证较高的目标电阻率(>1000Ω*cm)，掺杂剂的使用量较难控制。

为解决相关技术问题，有必要提出一种单晶生长方法及晶圆，以精准控制单晶和晶圆的P/N型及电阻率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明公开了一种单晶生长方法，所述单晶生长方法包括：提供熔体和经过掺杂的籽晶；获取所述经过掺杂的籽晶的初始长度l₀；将所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体中，获取所述经过掺杂的籽晶露出所述熔体表面的长度l₁，其中l₀＞l₁；利用所述熔体和所述经过掺杂的籽晶采用直拉法生长单晶。

示例性地，所述经过掺杂的籽晶包括IIIA族元素或V族元素。

示例性地，所述经过掺杂的籽晶的类型为P型或N型。

示例性地，所述经过掺杂的籽晶包括硼或磷。

示例性地，所述单晶的类型与所述经过掺杂的籽晶的类型相同。

示例性地，为获得掺杂剂浓度为c_s的所述单晶，所述经过掺杂的籽晶需要浸入所述熔体表面的长度l_seed可以通过以下等式计算：

其中，c_seed表示经过掺杂的籽晶的掺杂剂浓度，A_seed表示所述籽晶的横截面积，c_poly表示多晶原料的电活性杂质的浓度，V_poly表示多晶原料的体积，V_melt表示熔体的体积，K表示关于掺杂剂的分凝系数。

示例性地，所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体的长度Δl＝l₀-l1。

示例性地，控制所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体的长度Δl，使得Δl＝l_seed，其中l_seed表示所述经过掺杂的籽晶需要浸入所述熔体表面的长度。

示例性地，所述籽晶的电阻率为0.1-1000Ω-cm。

示例性地，本发明还公开了一种晶圆，所述晶圆包括对采用上述的单晶生长方法得到的单晶依次进行切割、表面磨削、抛光、边缘处理及清洗处理获得。

本发明的有益效果：提供了一种单晶生长方法，使用经过掺杂籽晶，能够精准控制单晶的P/N型及电阻率，避免了额外引入掺杂剂带来的用量难以控制的问题，保持了单晶的重复性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了本发明根据至少一个实施例的单晶生长方法的步骤流程图；

图2示出了本发明根据至少一个实施例的单晶生长过程中籽晶的初始位置；

图3示出了本发明根据至少一个实施例的单晶生长过程中籽晶浸入熔体后的位置；

附图标记

炉体201 籽晶202

导流筒203 熔体204

坩埚205 加热器206

坩埚升降机构207 保温毡208

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本申请能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本申请的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本申请的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本申请的范围。

参照图2，用于单晶生长的装置包括炉体201，所述炉体201中包括坩埚205，所述坩埚205的外围设置有加热器206，按照图1中所示的步骤101，所述坩埚205中有熔体204，在熔体204的表面上方是籽晶202，所述坩埚205的上方围绕所述籽晶202设置有导流筒203。在至少一个实施例中，按照图1中所示的步骤101，所述籽晶202为经过掺杂的单晶硅棒，所述籽晶202掺杂的元素包括IIIA族元素和/或V族元素。

在至少一个实施例中，所述炉体201为不锈钢腔体，所述炉体201内为真空或者充满保护气体。在至少一个实施例中，所述保护气体为氩气，其纯度为99.999％以上，压力为5mbar-100mbar，流量为70slpm-200slpm。

在至少一个实施例中，所述坩埚205由耐高温耐腐蚀材料制成，坩埚205内盛装有用于单晶生长的熔体204。在至少一个实施例中，坩埚205包括石英坩埚和/或石墨坩埚。坩埚205内盛装有原料，例如多晶硅。原料在坩埚205中被加热为用于生长单晶硅棒的熔体204，具体地，将籽晶202浸入熔体204中，通过籽晶轴带动籽晶202旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶202生长为单晶硅棒。所述籽晶202是由一定晶向的硅单晶切割或钻取而成，常用的晶向为<100>、<111>、<110>等，所述籽晶202一般为圆柱体。

在至少一个实施例中，所述坩埚205的外围设置有加热器206，所述加热器206可以是石墨加热器，可以设置在坩埚205的侧面和/或底部，目的是对坩埚205进行通电加热。进一步，所述加热器206包括围绕坩埚205进行设置的一个或多个加热单元，以使坩埚205的热场分布均匀。在至少一个实施例中，加热器206的外围设置有保温毡208，目的是维持坩埚205内的熔体204保持在单晶生长所需的温度。

在至少一个实施例中，炉体201内还设置有导流筒203，其位于坩埚205的上方，并且位于单晶的外侧围绕所述单晶设置，避免熔体204的热量以热辐射等形式传递到炉体201中，造成热损失。

进一步，单晶生长装置还包括坩埚升降机构207，目的是支撑和旋转坩埚轴，以实现坩埚205的升降。

在至少一个实施例中，单晶硅晶棒的长晶过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。

首先进行引晶，即当熔体204稳定到一定温度后，将籽晶202浸入熔体204中，将籽晶202以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶202生长为一定直径的细颈，直至细颈达到预定长度。所述引晶过程的主要作用是为了消除因热冲击而导致单晶硅形成的位错缺陷，利用结晶前沿的过冷度驱动硅原子按顺序排列在固液界面的硅固体上，形成单晶硅。在至少一个实施例中，所述拉速为1.5mm/min-4.0mm/min，细颈长度为晶棒直径的0.6-1.4倍，细颈直径为4mm-6mm。

在至少一个实施例中，根据多晶硅原料中含有的电活性杂质的浓度和单晶硅的目标电阻率，可以按等式1计算生长单晶时籽晶202需要熔化的长度：

其中，c_seed表示所述经过掺杂的籽晶202的掺杂剂浓度，A_seed表示所述籽晶202的横截面积，c_poly表示多晶原料的电活性杂质的浓度，V_poly表示多晶原料的体积，V_melt表示熔体204的体积，K表示关于掺杂剂的分凝系数(例如，对于硼，K为0.8；对于磷，K为0.3)；根据单晶的目标电阻率可得对应的单晶的掺杂剂浓度c_s，从而可计算出籽晶202需要熔化的长度Δl和体积。在至少一个实施例中，例如对于电阻率为1Ω·cm的P型籽晶202，所述籽晶202熔化进熔体204中的体积为5cm³，融入进熔体204中的硼杂质数为7.29*10¹⁶atoms。

在至少一个实施例中，选取指定电阻率的籽晶202，例如掺硼的P型＜100＞单晶硅，所述籽晶202的电阻率范围可取0.001-10000Ω-cm，示例性地，所述籽晶202的电阻率范围为0.1-1000Ω-cm，以用于所述引晶阶段。在至少一个实施例中，在多晶硅料熔化完成形成熔体204后，下降籽晶202。在籽晶202接触熔体204表面以前，按照图1所示的步骤102，获取籽晶202的初始长度l₀(如图2中所示)；然后继续下降使籽晶202浸入熔体204，按照图1所示的步骤103，获取籽晶202露出熔体204表面的长度l₁；控制l₁的大小，使l₀与l₁的差值等于籽晶202需要熔化的长度Δl(如图3中所示)，按照图1所示的步骤104，随后籽晶202的位置保持不变，稳温一定时间后，可取1至4小时，进行单晶生长。

然后，进入放肩阶段，当细颈达到预定长度之后，减慢所述籽晶202向上提拉的速度，同时略降低熔体204的温度，进行降温是为了促进所述单晶硅的横向生长，即使所述单晶硅的直径加大，该过程称为放肩阶段。

接着，进入转肩阶段。当单晶硅的直径增大至目标直径时，通过提高加热器206的加热功率，增加熔体204的温度，同时调整所述籽晶202向上提拉的速度、旋转的速度以及坩埚205的旋转速度等，抑制所述单晶硅的横向生长，促进其纵向生长，使所述单晶硅近乎等直径生长。

然后，进入等径阶段。当单晶硅晶棒直径达到预定值以后，进入等径阶段，该阶段所形成的圆柱形晶棒为晶棒的等径段。具体地，调整坩埚温度、拉晶速度、坩埚转速和晶体转速，稳定生长速率，使晶体直径保持不变，一直到拉晶完毕。等径过程是单晶硅生长的主要阶段，长达数几十小时甚至一百多小时的生长。

最后，进入收尾阶段。收尾时，加快提升速率，同时升高熔体204的温度，使晶棒直径逐渐变小，形成一个圆锥形，当锥尖足够小时，它最终会离开液面。将完成收尾的晶棒升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。

在至少一个实施例中，将所述单晶切割为晶圆，然后用研磨或磨削方法处理以使得所述晶圆的每个面平行，但研磨处理导致晶圆表面大量的机械损伤，并可能导致晶圆翘曲度的增加；为了移除损伤，接下来将晶圆浸入用来蚀刻表面损伤的化学溶液中；接着，采用化学机械抛光将晶圆减薄至预定厚度并抛光晶圆，以实现所需的平坦度和粗糙度技术规格。

本发明的有益效果是：利用经过掺杂的籽晶，对于目标电阻率(例如大于1000Ω*cm)很高的直拉单晶硅棒进行精准的掺杂。通过经过掺杂的籽晶的熔化长度进行精准控制，使用指定电阻率的籽晶进行高阻晶棒的生长，该操作可以保证每根单晶棒及晶圆的在电阻率上的重复性，同时对晶棒及晶圆的P/N型进行控制。本发明提供的方法利用籽晶来控制晶棒及晶圆的电阻率，不需要引入额外掺杂，通过籽晶熔融长度来控制晶棒及晶圆电阻率的同时提高了引晶成功率，且仅用籽晶控制掺杂过程，减少了其他电活性杂质的来源，可以更容易方便控制高阻晶棒及晶圆的电阻率。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本申请的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本申请的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本申请的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本申请的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种单晶生长方法，其特征在于，包括：

提供熔体和经过掺杂的籽晶；

获取所述经过掺杂的籽晶的初始长度l₀；

将所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体中，获取所述经过掺杂的籽晶露出所述熔体表面的长度l₁，其中l₀＞l₁；

利用所述熔体和所述经过掺杂的籽晶采用直拉法生长单晶。

2.根据权利要求所述的1方法，其特征在于，所述经过掺杂的籽晶包括IIIA族元素或V族元素。

3.根据权利要求所述的2方法，其特征在于，所述经过掺杂的籽晶包括硼或磷。

4.根据权利要求所述的2方法，其特征在于，所述经过掺杂的籽晶的类型为P型或N型。

5.根据权利要求所述的1方法，其特征在于，所述单晶的类型与所述经过掺杂的籽晶的类型相同。

6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，为获得掺杂剂浓度为c_s的所述单晶，所述经过掺杂的籽晶需要浸入所述熔体表面的长度l_seed可以通过以下等式计算：

其中，c_seed表示所述经过掺杂的籽晶的掺杂剂浓度，A_seed表示所述籽晶的横截面积，c_poly表示多晶原料的电活性杂质的浓度，V_poly表示多晶原料的体积，V_melt表示熔体的体积，K表示关于掺杂剂的分凝系数。

7.根据权利要求所述的1方法，其特征在于，所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体的长度Δl＝l₀-l₁。

8.根据权利要求7所述的方法，控制所述经过掺杂的籽晶浸入所述熔体的长度Δl，使得Δl＝l_seed，其中l_seed表示所述经过掺杂的籽晶需要浸入所述熔体表面的长度。

9.根据权利要求1所述的方法，所述籽晶的电阻率为0.1-1000Ω-cm。

10.一种晶圆，其特征在于，包括对采用权利要求1-9之一所述的单晶生长方法得到的单晶依次进行切割、表面磨削、抛光、边缘处理及清洗处理获得。