CN115110146A - 籽晶及拉晶方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种籽晶及拉晶方法、装置，属于半导体技术领域。籽晶，包括：柱状的籽晶本体，所述籽晶本体中掺杂有氢，所述籽晶本体包括第一端部和第二端部；其中，所述第一端部设置有用于与籽晶夹头固定的凸缘结构；所述第二端部为锥形，在远离所述第一端部的方向上，所述第二端部的直径逐渐减小。本发明能够实现生成大直径、大重量的晶棒。

Description

籽晶及拉晶方法、装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种籽晶及拉晶方法、装置。
背景技术
随着半导体硅晶圆品质的不断提高，对拉晶过程中晶棒的晶体缺陷有了更高的管控要求，影响晶体缺陷的因素包括拉晶工艺参数，用优化的工艺参数去拉晶能制得品质更好的晶棒。现有技术中拉晶工艺过程包括：化料(Melting)-稳温(STB)-浸渍(Dip)-缩径(Necking)-放肩(Shoulder)-转肩(Over Shoulder)-等径(Body)-收尾(Tail)等工艺。其中Necking阶段很关键，其主要目的是消除籽晶浸入硅溶液时因热应力而引起的位错，通过Necking小尺寸细颈可以将位错排出晶体，使得在放肩阶段及后续Body阶段实现无位错生长。但随着半导体拉晶技术的不断迭代更新，需要在成本和经济效益上更具竞争力，因此需要拉制直径更大(12英寸以上)，重量更重的晶棒(1000kg以上)。Necking的细颈已无法承受如此大的重量，需要开发一种无Necking拉晶工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种籽晶及拉晶方法、装置，能够实现生成大直径、大重量的晶棒。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供一种籽晶，包括：
柱状的籽晶本体，所述籽晶本体中掺杂有氢，所述籽晶本体包括第一端部和第二端部；
其中，所述第一端部设置有用于与籽晶夹头固定的凸缘结构；
所述第二端部为锥形，在远离所述第一端部的方向上，所述第二端部的直径逐渐减小。
一些实施例中，所述籽晶本体的最大直径为8mm，最小直径为2mm。
一些实施例中，所述籽晶本体中的氢含量为3E13～2E14 ea/cm3。
本发明的实施例还提供了一种拉晶方法，包括：
在第一阶段，将如上所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；
在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；
在第四阶段，提拉所述籽晶。
一些实施例中，所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时。
一些实施例中，在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
本发明的实施例还提供了一种拉晶装置，包括：
烘烤组件，用于在第一阶段，将如上所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
提拉组件，用于在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；在第四阶段，提拉所述籽晶。
一些实施例中，所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时。
一些实施例中，所述提拉组件用于在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，当籽晶浸入硅溶液时，籽晶会因热应力作用在接触面产生位错，该位错有向籽晶体内延伸的趋势，但本实施例的籽晶中氢可与位错结合，形成氢位错复合体，该结构不具备电活性，大部分将被钉扎住，极少量的位错可以经籽晶的倒锥形结构排到表面，在籽晶锥形的下半部分完全溶解后进行提拉，提拉过程中将不会产生位错，可直接进行Shoulder操作，能够实现生成大直径，投料量在1000kg以上的晶棒。
附图说明
图1为本发明实施例进行拉晶的示意图；
图2为本发明实施例拉晶方法的流程示意图。
附图标记
1 籽晶
11 第一端部
12 第二端部
2 晶棒
3 硅溶液
4 石英坩埚
5 石墨坩埚
6 坩埚轴
7 拉晶炉
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种籽晶及拉晶方法、装置，能够实现生成大直径、大重量的晶棒。
本发明实施例提供一种籽晶1，如图1所示，包括：
柱状的籽晶本体，所述籽晶本体中掺杂有氢，所述籽晶本体包括第一端部11和第二端部12；
其中，所述第一端部11设置有用于与籽晶夹头固定的凸缘结构；
所述第二端部12为锥形，在远离所述第一端部11的方向上，所述第二端部12的直径逐渐减小。
一些实施例中，所述籽晶本体的最大直径为8mm，最小直径为2mm，即第二端部12的最大直径为8mm，最小直径为2mm。
一些实施例中，所述籽晶本体中的氢含量可以为3E13～2E14 ea/cm3，在氢含量低于3E13 ea/cm3时，位错不能完全与氢反应生成复合体，钉扎作用不显著；当氢含量大于2E14ea/cm3时，过多的氢会诱导产生新缺陷HDP(Hydrogen Doped Paticle)，该缺陷会影响籽晶的强度。
本发明的实施例还提供了一种拉晶方法，如图2所示，包括：
步骤101：在第一阶段，将如上所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；
步骤102：在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
步骤103：在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；
步骤104：在第四阶段，提拉所述籽晶。
本实施例中，当籽晶浸入硅溶液时，籽晶会因热应力作用在接触面产生位错，该位错有向籽晶体内延伸的趋势，但本实施例的籽晶中氢可与位错结合，形成氢位错复合体，该结构不具备电活性，大部分将被钉扎住，极少量的位错可以经籽晶的倒锥形结构排到表面，在籽晶锥形的下半部分完全溶解后进行提拉，提拉过程中将不会产生位错，可直接进行Shoulder操作，能够实现生成大直径，投料量在1000kg以上的晶棒，具有良好的应用前景。
一些实施例中，所述第一阶段的持续时间可以为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离可以为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间可以为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间可以为5-6小时；
这样可以逐步进行稳温，避免过大的热应力引起大量位错释放。
一些实施例中，在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
如图1所示，单晶硅拉晶炉7包括炉体，炉体内设置有坩埚和加热器，坩埚连接有坩埚轴6，所述坩埚包括用于盛装硅熔体的石英坩埚4和包裹在所述石英坩埚4外的石墨坩埚5，以及位于所述石墨坩埚5上方的籽晶夹头，在拉晶过程中，多晶硅被装进石英坩埚4内加热熔化变为硅溶液3，把籽晶1固定在籽晶夹头的下端，拉制单晶硅棒时，首先将籽晶1与硅溶液3熔接，开始进入引晶阶段；接着通过调整硅溶液3的温度、晶棒2向上的提升速度等，使单晶硅经过放肩阶段和转肩阶段不断长大，最终拉制出晶棒2。
一具体示例中，在拉晶过程中，首先将籽晶1在硅溶液3液面往上20-30mm处进行烘烤，使之温度初步升高至550℃以上，持续1.5h，其次再将籽晶1下降至距液面2-5mm处进行烘烤，使之温度达到1000℃以上，持续3h，之后将籽晶1快速浸入至硅溶液3中，使得籽晶1锥形部分的一半没入硅溶液3中。当籽晶1浸入硅溶液3的液面时，籽晶1会因热应力作用在接触面产生位错，该位错有向籽晶体内延伸的趋势，但籽晶1中的氢可与位错结合，形成氢位错复合体，该结构不具备电活性，大部分将被钉扎住，极少量的位错可以经倒第二端部12的锥形结构排到表面，这样在该状态下Dip 5-6h，使籽晶1锥形的下半部分完全溶解后进行提拉，提拉过程中将不会产位错，可直接进行Shoulder操作，可以很好地生成大直径，投料量在1000kg以上的晶棒，本实施例中，整个拉晶工艺流程为化料(Melting)-一次稳温(550℃/1.5h)-二次稳温(1000℃/3h)-无位错浸渍(Dip)-放肩(Shoulder)-转肩(Over Shoulder)-等径(Body)-收尾(Tail)，其中，h为小时。
本发明的实施例还提供了一种拉晶装置，包括：
烘烤组件，用于在第一阶段，将如上所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
提拉组件，用于在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；在第四阶段，提拉所述籽晶。
一些实施例中，所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时。
一些实施例中，所述提拉组件用于在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
本实施例中，当籽晶浸入硅溶液时，籽晶会因热应力作用在接触面产生位错，该位错有向籽晶体内延伸的趋势，但本实施例的籽晶中氢可与位错结合，形成氢位错复合体，该结构不具备电活性，大部分将被钉扎住，极少量的位错可以经籽晶的倒锥形结构排到表面，在籽晶锥形的下半部分完全溶解后进行提拉，提拉过程中将不会产生位错，可直接进行Shoulder操作，能够实现生成大直径，投料量在1000kg以上的晶棒，具有良好的应用前景。
一些实施例中，所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时；
这样可以逐步进行稳温，避免过大的热应力引起大量位错释放。
一些实施例中，所述提拉组件用于在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
如图1所示，单晶硅拉晶炉7包括炉体，炉体内设置有坩埚和加热器，坩埚连接有坩埚轴6，所述坩埚包括用于盛装硅熔体的石英坩埚4和包裹在所述石英坩埚4外的石墨坩埚5，以及位于所述石墨坩埚上方的籽晶夹头，在拉晶过程中，多晶硅被装进石英坩埚4内加热熔化变为硅溶液3，把籽晶1固定在籽晶夹头的下端，拉制单晶硅棒时，首先将籽晶1与硅溶液3熔接，开始进入引晶阶段；接着通过调整硅溶液3的温度、晶棒2向上的提升速度等，使单晶硅经过放肩阶段和转肩阶段不断长大，最终拉制出晶棒2。
一具体示例中，在拉晶过程中，首先将籽晶1在硅溶液3液面往上20-30mm处进行烘烤，使之温度初步升高至550℃以上，持续1.5h，其次再将籽晶1下降至距液面2-5mm处进行烘烤，使之温度达到1000℃以上，持续3h，之后将籽晶1快速浸入至硅溶液3中，使得籽晶1锥形部分的一半没入硅溶液3中。当籽晶1浸入硅溶液3的液面时，籽晶1会因热应力作用在接触面产生位错，该位错有向籽晶体内延伸的趋势，但籽晶1中的氢可与位错结合，形成氢位错复合体，该结构不具备电活性，大部分将被钉扎住，极少量的位错可以经倒第二端部12的锥形结构排到表面，这样在该状态下Dip 5-6h，使籽晶1锥形的下半部分完全溶解后进行提拉，提拉过程中将不会产位错，可直接进行Shoulder操作，可以很好地生成大直径，投料量在1000kg以上的晶棒，本实施例中，整个拉晶工艺流程为化料(Melting)-一次稳温(550℃/1.5h)-二次稳温(1000℃/3h)-无位错浸渍(Dip)-放肩(Shoulder)-转肩(Over Shoulder)-等径(Body)-收尾(Tail)。
需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种籽晶，其特征在于，包括：
柱状的籽晶本体，所述籽晶本体中掺杂有氢，所述籽晶本体包括第一端部和第二端部；
其中，所述第一端部设置有用于与籽晶夹头固定的凸缘结构；
所述第二端部为锥形，在远离所述第一端部的方向上，所述第二端部的直径逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的籽晶，其特征在于，所述籽晶本体的最大直径为8mm，最小直径为2mm。
3.根据权利要求1所述的籽晶，其特征在于，所述籽晶本体中的氢含量为3E13～2E14 ea/cm3。
4.一种拉晶方法，其特征在于，包括：
在第一阶段，将如权利要求1-3中任一项所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；
在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；
在第四阶段，提拉所述籽晶。
5.根据权利要求4所述的拉晶方法，其特征在于，
所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时。
6.根据权利要求4所述的拉晶方法，其特征在于，在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
7.一种拉晶装置，其特征在于，包括：
烘烤组件，用于在第一阶段，将如权利要求1-3中任一项所述的籽晶在硅溶液液面上方第一位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至550℃以上；在第二阶段，将所述籽晶下降至硅溶液液面上方第二位置处进行烘烤，使得所述籽晶的温度升高至1000℃以上；
提拉组件，用于在第三阶段，将所述籽晶的第二端部浸入所述硅溶液中；在第四阶段，提拉所述籽晶。
8.根据权利要求7所述的拉晶装置，其特征在于，
所述第一阶段的持续时间为1-2小时，所述第一位置与所述硅溶液液面的距离为20-30mm；和/或
所述第二阶段的持续时间为2.5-3.5小时，所述第二位置与所述硅溶液液面的距离为2-5mm；和/或
所述第三阶段的持续时间为5-6小时。
9.根据权利要求7所述的拉晶装置，其特征在于，所述提拉组件用于在所述第三阶段，将所述第二端部的一半浸入所述硅溶液中。
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