CN114855263A - 一种晶体生长方法及生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶体生长方法，包括：当晶体生长进入等径阶段，坩埚以第一坩埚转速旋转，晶体以第一晶体转速旋转；当晶体生长至第一长度，坩埚以第二坩埚转速旋转，和/或晶体以第二晶体转速旋转；其中，所述第二坩埚转速小于所述第一坩埚转速，所述第二晶体转速小于所述第一晶体转速。根据本发明提供的晶体生长方法，通过在等径阶段晶体生长至第一长度之后，将坩埚从第一坩埚转速降低至第二坩埚转速，和/或将晶体从第一晶体转速降低至第二晶体转速，降低了晶体中的氧含量。

Description

一种晶体生长方法及生长装置
技术领域
本发明涉及晶体生长领域，具体而言涉及一种晶体生长方法。
背景技术
随着集成电路(Integrated Circuit，IC)产业的迅猛发展，器件制造商对IC级硅单晶材料提出了更加严格的要求，而大直径单晶硅是制备器件所必须的衬底材料。提拉法(Czochralski，CZ法)是现有技术中由熔体生长单晶的一项最主要的方法，其具体做法是将构成晶体的原料放在石英坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，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，随降温逐渐凝固而生长出晶体。
氧作为直拉单晶硅中含量最高、行为最复杂的杂质，对单晶硅的质量有着很大的影响，不同的器件对于硅片中的氧含量有不同的需求。在直拉单晶硅生长中，氧通过石英坩埚的溶解而被输送到硅熔体中，坩埚中的二氧化硅(SiO2)变成可移动的硅和氧原子或松散键合的硅加氧或Si-O。绝大部分融入硅熔体中的氧从熔体自由表面蒸发，剩下的氧通过熔体与晶体之间固液界面分凝进入生长中的晶体内。在晶体固液界面正下方，坩埚底的熔体的热对流强烈地受坩埚底部温度的影响，并且坩埚底部的温度高低直接决定了熔体与坩埚壁的反应速度和溶出的氧的浓度，因此，坩埚底部的温度直接决定了硅中氧含量的高低。
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。
本发明提供了一种晶体生长方法，包括：
当晶体生长进入等径阶段，坩埚以第一坩埚转速旋转，晶体以第一晶体转速旋转；
当晶体生长至第一长度，坩埚以第二坩埚转速旋转，和/或晶体以第二晶体转速旋转；
其中，所述第二坩埚转速小于所述第一坩埚转速，所述第二晶体转速小于所述第一晶体转速。
进一步，当晶体生长至第二长度，坩埚以第三坩埚转速旋转，和/或晶体以第三晶体转速旋转，其中，所述第三坩埚转速小于所述第二坩埚转速，所述第三晶体转速小于所述第二晶体转速。
进一步，所述第一长度包括所述晶体直径的1.6倍～2倍，所述第二长度包括所述晶体直径的8倍～10倍。
进一步，所述第一长度包括250mm～300mm，所述第二长度包括1200mm～1500mm。
进一步，所述第一坩埚转速线性减少至所述第二坩埚转速，所述第二坩埚转速线性减少至所述第三坩埚转速。
进一步，所述第一晶体转速线性减少至所述第二晶体转速，所述第二晶体转速线性减少至所述第三晶体转速。
进一步，所述第二坩埚转速的范围包括0.3rpm～0.5rpm，所述第三坩埚转速的范围包括0.1rpm～0.3rpm。
进一步，所述第二晶体转速的范围包括5rpm～10rpm，所述第三晶体转速的范围包括1rpm～5rpm。
进一步，当晶体生长进入等径阶段，对所述晶体生长施加磁场，所述磁场强度大于1000gauss。
进一步，晶体生长的炉压小于80Torr。
根据本发明提供的晶体生长方法，通过在等径阶段晶体生长至第一长度之后，将坩埚从第一坩埚转速降低至第二坩埚转速，和/或将晶体从第一晶体转速降低至第二晶体转速，降低了晶体中的氧含量。
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示出了根据本发明实施例的晶体生长装置；
图2为根据本发明实施例的晶体生长方法的流程图；
图3A为根据本发明的一个实施例的坩埚转速的示意图；
图3B为根据本发明的一个实施例的晶体转速的示意图；
图4A为根据本发明的另一个实施例的坩埚转速的示意图；
图4B为根据本发明的另一个实施例的晶体转速的示意图。
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发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明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，为了避免与本发明发生混淆，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，本发明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，并且将本发明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。
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发明的限制。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。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
图1示出了本发明实施例所提供的晶体生长控制方法所使用的长晶炉的示意图，如图1所示，所述长晶炉用于采用直拉法生长硅单晶，包括炉体101，炉压设定不超过80Torr，以提高长晶液面的稳定性。炉体101中设有加热装置和提拉装置。加热装置包括石英坩埚102、石墨坩埚103、加热器104。其中，石英坩埚102用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体105。石墨坩埚103包裹在石英坩埚102的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚102提供支撑，加热器104设置在石墨坩埚103的外侧。石英坩埚102上方设置有热屏106，所述热屏106具有下伸的环绕单晶硅晶棒107生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器104和高温硅熔体105对生长的单晶硅晶棒107的直接热辐射，降低单晶硅晶棒107的温度。同时，热屏106还能够使下吹的保护气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强单晶硅晶棒107的散热。炉体101侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。
提拉装置包括竖直设置的籽晶轴108和坩埚轴109，籽晶轴108设置在石英坩埚102的上方，坩埚轴109设置在石墨坩埚103的底部，籽晶轴108的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉。坩埚轴109的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴109能够带动坩埚进行旋转。
炉体101的外侧还设置有磁场110，通过对坩埚内的硅熔体105施加强磁场，使熔体热对流受到抑制，用于生长低氧浓度的单晶硅晶棒。施加磁场强度大于1000gauss，优选3300guass～4000guass，以抑制熔体对流，提高温度稳定性。
在进行单晶生长时，首先在石英坩埚102中投放硅料，接着关闭长晶炉并抽真空，在长晶炉中充入保护气体。示例性地，所述保护气体为氩气，其纯度为97％以上，压力为5mbar-100mbar，流量为70slpm-200slpm。然后，打开加热器104，加热至熔化温度1420℃以上，使硅料全部熔化为硅熔体105。
接着，将籽晶浸入硅熔体105中，通过籽晶轴108带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅晶棒107。所述籽晶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，所述籽晶一般为圆柱体。单晶硅晶棒107的长晶过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。
具体地，首先进行引晶阶段。即当硅熔体105稳定到一定温度后，将籽晶浸入硅熔体中，将籽晶以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶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。示例性地，所述拉速为1.5mm/min-4.0m/min，细颈长度为晶棒直径的0.6-1.4倍，细颈直径为5-7mm。
然后，进入放肩阶段，当细颈达到预定长度之后，减慢所述籽晶向上提拉的速度，同时略降低硅熔体的温度，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，如图2所示，该阶段所形成的锥形晶棒为晶棒的放肩段。
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104的加热功率，增加硅熔体的温度，同时调整所述籽晶向上提拉的速度、旋转的速度以及石英坩埚的旋转速度等，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，同时升高硅熔体105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。
在单晶硅长晶过程的几个阶段中，等径阶段是单晶硅生长的主要阶段，该阶段生长的单晶硅晶棒也是半导体器件中硅片的主要来源，因此，在等径阶段生长低氧浓度的单晶硅晶棒，是很有必要的。
本发明提供了一种晶体生长方法，如图2所示，包括：
步骤S201：当晶体生长进入等径阶段，坩埚以第一坩埚转速旋转，晶体以第一晶体转速旋转；
步骤S202：当晶体生长至第一长度，坩埚以第二坩埚转速旋转，和/或晶体以第二晶体转速旋转；
其中，所述第二坩埚转速小于所述第一坩埚转速，所述第二晶体转速小于所述第一晶体转速。
在一个实施例中，当晶体进入等径生长阶段时，坩埚以第一坩埚转速旋转，晶体以第一晶体转速旋转，具体地，所述第一坩埚转速的范围包括1rpm～2rpm，所述第一晶体转速的范围包括10rpm～15rpm。
在一个实施例中，所述第一长度包括所述晶体直径的1.6倍～2倍，具体地，以所述晶体直径约150mm为例，当等径生长的晶体长度接近300mm时，例如250mm～300mm，通过温度拐点，然后坩埚的转速的转速降低，或者晶体的转速降低，或者坩埚的转速和晶体的转速均降低。
参照图3A和3B所示，所述第一坩埚转速线性减少至所述第二坩埚转速，所述第一晶体转速线性减少至所述第二晶体转速，其中，所述第二坩埚转速的范围包括0.3rpm～0.5rpm，优选0.4rpm，所述第二晶体转速的范围包括5rpm～10rpm。
通过在等径阶段晶体生长一定长度后降低坩埚转速，坩埚与熔体界面的边界层厚度变厚，坩埚的溶解减弱，晶体中的氧含量减少；通过降低坩埚转速和/或降低晶体转速，使得固液界面边界层变厚，熔体中的氧进入晶体中变少。
示例性地，当晶体生长至第二长度，坩埚以第三坩埚转速旋转，和/或晶体以第三晶体转速旋转，其中，所述第三坩埚转速小于所述第二坩埚转速，所述第三晶体转速小于所述第二晶体转速。
在一个实施例中，所述第二长度包括所述晶体直径的8倍～10倍，具体地，以所述晶体直径约150mm为例，当等径生长的晶体长度达到1200mm～1500mm时，坩埚的转速进一步降低，或者晶体的转速进一步降低，或者坩埚的转速和晶体的转速均进一步降低。
参照图4A和4B所示，所述第二坩埚转速线性减少至所述第三坩埚转速，所述第二晶体转速线性减少至所述第三晶体转速，其中，所述第三坩埚转速的范围包括0.1rpm～0.3rpm，优选0.2rpm，所述第三晶体转速的范围包括1rpm～5rpm。
采用分段式设定坩埚转速及晶体转速，且使坩埚转速和/或晶体转速逐段降低，可以在不改动热场及磁场的情况下进一步减少晶体中的含氧量。
根据本发明提供的晶体生长方法，通过在等径阶段晶体生长至第一长度之后，将坩埚从第一坩埚转速降低至第二坩埚转速，和/或将晶体从第一晶体转速降低至第二晶体转速，降低了晶体中的氧含量。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种晶体生长方法，其特征在于，包括：
当晶体生长进入等径阶段，坩埚以第一坩埚转速旋转，晶体以第一晶体转速旋转；
当晶体生长至第一长度，坩埚以第二坩埚转速旋转，和/或晶体以第二晶体转速旋转；
其中，所述第二坩埚转速小于所述第一坩埚转速，所述第二晶体转速小于所述第一晶体转速。
2.如权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，当晶体生长至第二长度，坩埚以第三坩埚转速旋转，和/或晶体以第三晶体转速旋转，其中，所述第三坩埚转速小于所述第二坩埚转速，所述第三晶体转速小于所述第二晶体转速。
3.如权利要求2所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一长度包括所述晶体直径的1.6倍～2倍，所述第二长度包括所述晶体直径的8倍～10倍。
4.如权利要求3所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一长度包括250mm～300mm，所述第二长度包括1200mm～1500mm。
5.如权利要求2所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一坩埚转速线性减少至所述第二坩埚转速，所述第二坩埚转速线性减少至所述第三坩埚转速。
6.如权利要求2所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第一晶体转速线性减少至所述第二晶体转速，所述第二晶体转速线性减少至所述第三晶体转速。
7.如权利要求5所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第二坩埚转速的范围包括0.3rpm～0.5rpm，所述第三坩埚转速的范围包括0.1rpm～0.3rpm。
8.如权利要求6所述的晶体生长方法，其特征在于，所述第二晶体转速的范围包括5rpm～10rpm，所述第三晶体转速的范围包括1rpm～5rpm。
9.如权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，当晶体生长进入等径阶段，对所述晶体生长施加磁场，所述磁场强度大于1000gauss。
10.如权利要求1所述的晶体生长方法，其特征在于，晶体生长的炉压小于80Torr。
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