CN1148103A - 硅单晶颈部内消除位错的方法 - Google Patents

Abstract

一种用Czochralski方法制备的硅单晶，其特征为包括一个可分为上部、中部和下部的颈部。上部含有位错。中部介在上部和下部之间。大部分中、下部的直径大于10mm，而下部没有位错。该晶体还包括一个邻接颈部下部的向外张开的区段，以及一个邻接向外张开区段的主体。

Description

硅单晶颈部内消除位错的方法

本发明一般地涉及用Czochralski法生长的硅单晶的制备。本发明具体地涉及在硅单晶体尚未生长之前其颈部内位错的消除。

作为半导体电子元件的大多数制造过程的起始材料的单晶硅通常是用所谓Czochralski法来制备的。在这个方法中，多晶体的硅(“多晶硅”)被装入到一个坩埚内并被熔化，然后使一个籽晶与熔化的硅接，单晶便可在缓慢抽引下生长起来。随着晶体的开始生长，由于籽晶与熔液接触时受到热震动，晶体内的位错也就产生。位错在生长的晶体中传播开来并成倍增加，除非它们在籽晶和晶体主体之间的颈部区域内被消除。

在硅单晶内消除位错的传统采用的Dash法包括用较高的晶体拉伸速率(高达6mm/分)使具有小直径(2到4mm)的颈部生长借以在晶体主体开始生长之前完全消除位错。位错是在颈部(称为Dash颈部)生长到长度可达100mm时被消除的。

当位错在颈部内被消除后，晶体就开始扩大一直到达晶体主体所需的尺寸为止。然后将晶体从熔液中拉出一直到大多数熔液被耗尽而形成晶体的渐尖的尾端为止，于是将晶体从晶体拉拔设备中取出。

颈部是晶体的最薄弱之点，它能在晶体生长时断裂，使晶体掉落到坩埚内。晶体锭的冲击和飞溅的熔化多晶硅能够损坏坩埚、基座和加热器，使多晶硅熔液成为不可抢救，并严重地危及安全。具有Dash颈部的传统的200mm直径的晶体通常只生长到重量为100kg或以下以便不使颈部由于应力而断裂。

曾经尝试用增大颈部直径的办法来减少由于颈部断裂而招致的设备和原材料的损失及对安全的危害。日本专利公报05-43379号曾描述过一种消除位错的方法，其时所形成的颈部具有比Dash颈部更大的直径。消除位错时颈部是以从4mm/分到6mm/分范围内的速率被拉伸着，其时在4.5mm到10mm的范围内维持一个恒定的直径。当颈部直径超过10mm时，据说位错就难以消除。

在本行业中普遍接受的观点是，当颈部直径超过10mm时位错就不能始终如一地被消除掉。而按照Dash的技术，即使限制晶体的重量使它能被Dash颈部所支承，大多数硅单晶的颈部是会不断生长的。

还有些人曾尝试用给晶体增加支承的办法来减少颈部断裂。美国专利5,126,113号曾描述过一种在单晶锭生长时间来支承的设备。晶体内的位错是用Dash法生长的小直径颈部来消除的。于是在晶体的锥形部尚未开始形成之前，在Dash颈部下面就生长出一个大直径的鼓起。采用机械的夹钳夹持鼓起部下面的凹进部分就可支承生长中的晶体。但当夹钳夹持晶体时，夹钳会扰乱晶体稳定生长的操作条件，并会使Dash颈部破裂。

因此需要有一种改进的方法，以便用来消除单晶体颈部内的位错，使大直径、零位错(即没有位错)的单晶体能够生长出来，而不会发生重大的设备损坏、原材料损失、对安全的危害及生产能力和生产量的减少。

因此，在本发明的众多目的中可以提出的是：提供一种具有大直径的颈部而没有位错的单晶体；提供一种单晶体，其颈部能在晶体生长或搬运时支承较重的晶体而不会断裂；提供一种单晶体，其颈部能够支承传统的颈部所不能支承的较大直径的晶体；以及提高用Czochralski法生成的零位错单晶体的产量和生产能力。

本发明的其他一些目的和优点可从下面的详细说明中清楚地看出。

本发明的一个具体目标是一种用Czochralski法制备的硅单晶，其颈部可分为上部、中部和下部。上部含有位错。中部介在上部与下部之间。大部分中部和下部具有的直径大于10mm，而下部没有位错。该晶体还有一向外张开的区段邻接颈部的下部以及一个主体邻接向外张开的区段。

本发明还有一个具体目标是一种用Czochralski法制备的硅单晶，其颈部可分为上部、中部和下部。下部含有位错。中部介在上部和下部之间。中、下部都没有一个部分的直径小于约10mm。下部没有位错。该晶体也具有一个向外张开的区段邻接颈部的下部，以及一个主体邻接向外张开的区段。主体的重量至少有200kg并且当主体从硅熔液中生长出来时完全是由颈部支承的。

本发明另一个实施例为用Czochralski法从P⁺型硅中制备的一种硅单晶。其颈部可分为上部、中部和下部，上部含有位错。中部介在上部和下部之间。大部分中部和下部的直径部大于10mm，并且中、下部都没有一个部分的直径小于约8.5mm或大于约17mm。下部没有位错。该晶体具有一个向外张开的区段邻接颈部的下部，以及一个主体邻接向外张开的区段。

本发明还有另一个实施例是一种方法，用来在Czochralski所生的硅单晶颈部内消除位错。多晶硅在坩埚中被加热成为熔液。使一个籽晶与熔液接触一直到籽晶开始被熔化，在籽晶中形成位错。于是从熔液中抽引籽晶以便形成一个具有上部和中部的颈部。上部位在籽晶和中部之间并且含有位错。大部分中部的直径大于10mm。颈部是以小于约4.0mm/分的速率生长起来的一直到中部内的位错被消除为止。

图1为示出实施本发明的一个单晶体的上部区域的垂直方向切面图；

图2示出沿着一个单晶体颈部长度的位错密度。

按照本发明，我们曾发现，在一直径超过10mm的晶体颈部，当晶体以小于约4.0mm/分的速率拉伸时，位错能被消除。当颈部在较慢的拉伸速率下生长时，位错被消灭的速率快于它们产生的速率，这样在大直径的晶体颈部内，位错便可完全被消除。这种方法能使直径超过400mm重量超过200kg的晶体锭的生长成为可能。

现在转到图1，其中所示的单晶体10具有一个籽晶12、一个颈部14、一个锥部16、一个肩部18和一个主体20。晶体10的生长是从没有位错的籽晶开始的，而熔化的半导体材料的如硅是用Czochralski法制得的。

颈部14包括一个在籽晶12从硅熔液中被拉引出来时便生成的上部22、一个在上部下面生成的中部24和一个在中部下面生成的下部2b。中、下部是以基本上恒定的直径生长的。由于本发明的目的，颈部中、下部的直径在其长度上基本维持恒定，偏差可保持在所需直径的15％以内。上部22通常是从籽晶12的直径带斜度地来到中部24的较小的、基本上恒定的直径上。但籽晶和上、中、下部的直径也可基本上都一样，这样上部就不必相对于中部而向外张开了。

在邻接籽晶12的上部22的区段中所含有的位错(未示出)首先是由于没有位错的籽晶在与硅熔液接触时受到热震动而引起的。当颈部以小于约4.0mm/分的拉伸速率生长时，位错的消失较快于位错的生成。在颈部的中部位错的密度便已减小，而在颈部的下部26位错完全被消除。

一旦颈部的下部26没有位错，Czochralsi法的其余部分便可按传统的方式进行。邻接着没有位错的颈部下部，锥体16的一个向外张开的区段便生长出来。锥体16是由于晶体直径不断增大而生成的。而肩部18是在达到单晶体所需直径时形成的。接着当主体20按与肩部18相同的直径生长时拉伸速率维持不变。渐尖的尾端(未示出)是在熔液接近用完时由于拉伸速率和熔液温度的增加而形成的。在颈部生长后单晶体能保持没有位错。在传统的Czochralski拉伸器中所流行的生长环境下在硅中产生新的位错是非常困难的。

这样，本发明的方法便可消除颈部内的位错同时颈部又可有一较大的直径。颈部中大多数中、下部是在直径大于10mm时生长的。在较好的情况下，至少大约有50％、60％或70％的中、下部的直径大于10mm，在更好的情况下，至少有大约80％，而在还要好的情况下，甚至可以至少有大约90％或100％做到这枯。颈部必须在锥体的向外张开的区段开始生长之前把颈部内的位错消除掉。在本发明的一个较优的实施例中，只要颈部的中、下部中没有一个部分的直径超过大约17mm，更适宜一些为大约15mm，位错便可被消除。另一种适宜的提法是，只要颈部的中、下部中没有一个部分的直径小于约8.5mm或大于约17mm，更适宜一些为小于约10mm或大于约15mm，甚至更适宜一些为小于约10mm或大于约13mm，位错便可被消除。

颈部就是将其中、下部维持在这样的直径而生长的，其时拉伸速率应小于4.0mm/分，较好是小于3.0mm/分。一般地说，拉伸速率的范围为从约1.0mm/分到约3.00mm/分，较好为从约1.8mm/分到约2.2mm/分，而更好约为2.0mm/分。虽然能用较快的拉伸速率，但迄为止的经验告诉我们在这种情况下，颈部直径的波动会变得难以控制，而过度的波动又会引起位错的形成。Dash颈部生长的经验还告诉我们，在拉伸速率低于1.0mm/分的情况下，错位会变得更难去除。

拉伸速率可根据晶体整个生长过程中直径的波动来调节。如果颈部中、下部的直径的偏差能保持在所需直径的15％以内(即基本上是恒定的)，或更好地保持在10％在内，那么颈部内的位错便能被消除。拉伸速率和熔液温度可用来使用直径维持在可接受的范围内。当直径变得过窄时可降低拉伸速率，而当直径变得过宽时则可提高拉伸速率。

使颈部生长到一个位错全被消除的长度。合适的长度可这样确定：使一晶体颈部按所需的直径、拉伸速率和长度生长，从整个颈部长度上取下一块轴向薄片，磨光其表面，研磨并化学腐蚀该表面以便显示位错，然后测量位错被消除时所达到的长度。接下来的按相同直径和拉伸速率生长的晶体便可生长到大致相同的长度。例如，当所需直径在10mm和约13mm之间时，适宜使颈部中、下部的长度生长到从约120mm到约180mm的范围，更适宜是从约150mm到约160mm的范围。为了消除位错而生长出比需要长的中、下部会增加晶体拉伸操作的费用并减少产量。

本发明的方法特别适宜用来消除硅单晶的大直径颈部内的位错。本方法最好用来消除由P⁺型硅形成的单晶体内的位错，该晶体在硅内掺杂着硼，具有不大于0.1Ω°cm的电阻率。虽然本方法也可用来消除由其他半导体材料或其他型式的硅形成的单晶体内的位错，但经验显示，比起n⁺型或P^-型硅来，位错更易从P⁺型硅中消除。

当采用商业上有售的晶体拉伸设备如Hamco 3000刑型CZ拉伸机时，本发明的方法能够自动化。操作者能选择中、下颈部所需的直径和长度、目标拉伸速率、以及Czochralski拉伸法其余部分的参数。晶体拉伸设备将控制直径、拉伸速率和加热器功率以便如上所述使中、下部分维持一个基本上恒定的直径。在晶体生长过程中，在晶体表面上出现的成行的小平面指出在晶体内没有位错。在晶体被拉成后，晶体锭可分割成薄片以便用来分析位错，从而确定所生长的晶体是否属于零位错。如果在薄片的目视检验中就可见到位错，那么在晶体颈部内位错就可能没有被消除。

下面两个例子用来说明本发明的较优实施例和效益，但除了在所附的权利要求书所说明的以外并不打算用来限定本发明。例1

硅单晶在一自动化的3000型的Czochralski晶体拉伸机中拉制，该机具有熔凝石英坩埚，其中装有26kg的大块P⁺型多晶硅，内含1×10¹⁹个硼原子/cm³(目标电阻率为0.009Ω°cm)。选定目标拉伸速率为2.4mm/分，颈部直径为11mm，及颈部长度为200mm。当晶体拉伸机调节加热器功率和拉伸速率以便维持所需的颈部直径时颈部能自动生长。

然后将单晶的颈部进行化学腐蚀以便显示位错。整个颈部的一个轴向切面的(110)面被磨光机械抛光，然后在10∶3∶1的HAC∶HNO₃∶HF溶液中浸泡10分钟进行化学抛光以便去除任何表面损伤。然后将该(110)面用Wright法侵蚀20分钟以便显示位错侵蚀坑。该侵蚀坑在一Nikon Nomarski的干涉对比显微镜中进行观察，放大100倍。沿着晶体的长度在中心(-◆)和在边上(-■-)的位错的密度如图2所示。在颈部的范围从180mm至200mm的底部上没有观察到位错侵蚀坑，这表明在晶体的颈部内，位错已完全消除。

例2

硅单晶在一Leybold 2000的Czochralski的晶体拉伸机中拉制，该机装有60kg的大块P⁺型多晶硅，内含1×10¹⁹个硼原子/cm³(目标电阻率为0.009Ω°cm)。选定目标拉伸速率为2.0mm/分，颈部直径为13mm，及颈部长度为165mm。当晶体拉伸机调节加热器功率和拉伸速率以便维持所需的颈部直径时颈部能自动生长。在颈部生长过程中，颈部直径在12mm和14mm之间变化，实际拉伸速率在1.0mm/分和3.0mm/分之间变化。

在整个晶体上出现成行的小平面，这表明没有位错。另外，在从单晶体切下的薄片上用肉眼没有观察到位错蚀坑，这表明在晶体的颈部内位错已完全消除。

虽然本发明很容易有各种变型和可替代的形式，这里还是用图例将其具体实施例详细说明。应该理解的是，这样做并不是要将本发明限制在所公开的具体形式内，恰恰相反，我们认为本发明应包括所有的变型、等同物和可替代物，只要它们是在后面的权利要求书所限定的本发明的主旨和范围之内。

Claims (15)

1.一种用Czochralski法制备的硅单晶，其特征为具有：

一个可分为上部、中部和下部的颈部，上部含有位错，中部介在上部和下部之间，大多数中部和下部的直径大于10mm，而下部没有位错；

一个向外张开的区段邻接颈部的下部；及

一个主体邻接向外张开的区段。

2.根据权利要求1的晶体，其特征为，中、下颈部中没有一个部分的直径大于约17mm。

3.权利要求1的晶体，其特征为，中、下颈部中没有一个部分的直径小于约8.5mm或大于约15mm。

4.权利要求1的晶体，其特征为，中、下颈部中没有一个部分的直径小于约10mm。

5.权利要求1的晶体，其特征为，主体没有位错，并且其直径至少为200mm。

6.权利要求1的晶体，其特征在于，所用硅为P⁺型硅。

7.权利要求1的晶体，其特征为，相对于中颈部而言，上颈部是向外张开的。

8.权利要求1的晶体，其特征为，主体的重量至少为200kg并且当主体从硅熔液中生长同来时，其重量完全是由颈部支承的。

9.一种在用Czochralski法生成的硅单晶的颈部内消除位错的方法，该方法的特征为具有下列步骤：

在坩埚中加热多晶硅使成为熔液；

使一个籽晶与熔液接触，一直到籽晶开始被熔化，在籽晶中形成位错；

从熔液中抽引籽晶以便形成一个具有上部和中部的颈部，上部位在籽晶和中部之间并且含有位错，大部分中部的直径大于10mm；及使颈部以小于约4.0mm/分的速率生长一起到颈部中部的位错被消除为止。

10.权利要求9的方法，其特征为，颈部是以约1.0mm/分到约3.0mm/分的速率生长的。

11.权利要求9的方法，其特征为，颈部是以约1.8mm/分到约2.2mm/分的速率生长的。

12.权利要求9的方法，其特征为，在颈部的中部中没有一个部分的直径大于约17mm。

13.权利要求9的方法，其特征为，在颈部的中部中没有一个部分的直径小于约8.5mm或大于约15mm。

14.权利要求9的方法，其特征为，所用硅为P⁺型硅。

15.权利要求9的方法，其特征为，在颈部内的位错被消除后，还包括一个步骤，即在颈部下面生成一个向外张开的区段，及邻接该向外张开的区段形成一个主体。