CN1267343A - 用于单晶硅生长的非Dash缩颈法 - Google Patents

Abstract

制造单晶硅棒的非Dash缩颈法,该单晶硅棒按照直拉法拉晶。该方法其特征在于:在硅棒生长开始之前,让一大直径、无位错的籽晶进行热平衡,以避免形成由对单晶热冲击而产生的位错。该方法其特征还在于:采用电阻加热器来熔化籽晶的下面末端,以便在它接触熔体之前,形成一熔化的帽体。该方法生产出一种单晶硅棒,此种单晶硅棒具有大直径的短缩颈,该大直径的短缩颈是无位错的,并能在生长和随后的处理期间,支承至少重约100kg的硅棒。

Description

用于单晶硅生长的非Dash缩颈法

发明背景

本发明在总体上涉及按照直拉法生长的单晶硅棒的制造。更具体地说，本发明涉及一种制造单晶硅棒的非Dash缩颈法，该硅棒具有一短而粗的缩颈，该缩颈是无位错的。

单晶硅是用于大多数半导体生产过程的原材料，它通常用直拉法制造。按照此方法，将多晶硅料装到一个坩埚中并将其熔化，该坩埚安装在拉晶机中。将一个籽晶(具有直径通常在8-15mm范围内)附接到一根提拉缆绳上，并降下至它与熔化的硅接触，该提拉缆绳位于熔体的上方。然后通过从熔体的表面向上缓慢提拉籽晶来生长单晶硅棒。

单晶生长开始时，籽晶在比熔化的多晶硅低得多的温度下存在。结果，当籽晶与熔体的表面接触时，它受到一种热冲击。该热冲击造成在籽晶中形成位错。然后这些拉错遍布整个正在生长的单晶，并且除非在缩颈中位于籽晶和单晶硅棒主体之间的区域将这些位错消除，否则这些位错将继续增加。

常用的消除这些位错的方法包括在很高的提拉速率(高达6mm/min)下生长一种具有小直径(通常为2mm-4mm)的缩颈。此方法实行“冻结”缩颈，以便在单晶硅棒主体开始生长之前完全消除位错。当缩颈(也叫做Dash缩颈)生长到长度高达100-150mm时，通常就消除了这些位错。

一旦消除了缩颈中的位错，就缓慢增加缩颈的直径，直至达到所希望的单晶硅晶棒主体直径。从熔体中提拉主体，直至大多数多晶硅耗尽。然后逐渐将直径减小到一点，在该点处硅棒可以与坩埚分开，然后从拉晶机中取出。

除了该方法延迟所涉及的这种长度的缩颈形成之外，由于缩颈是单晶最弱的地方，并且它还担负着支承单晶硅棒的全部重量，所以，也会产生一些问题。具有这种小直径的缩颈在单晶生长期间可能断裂，从而使单晶主体落到坩埚中。单晶锭料的碰撞及所造成的熔化多晶硅的飞溅可能破坏坩埚、基座和加热器，使多晶硅熔体变成不可利用，并存在严重的安全危险。完成了生长过程后，在随后的操纵单晶硅棒期间，缩颈也可能断裂。由这些潜在危险的结果，常用的具有Dash缩颈的200mm直径的单晶通常生长到重量约为100kg或更少，以便使缩颈断裂的可能性减至最小。

据报道，缩颈的直径直接与能够支承的锭料重量有关。(例如，见Kim等，Journal of Crystal Growth，100(1990)，pp.527-28)。因此，已经作出尝试，以便使由于增加缩颈直径而使缩颈断裂可能造成的设备和原材料损失，及安全危险减至最小。例如，日本专利公开号No.05-43379描述了一种当形成具有直径大于Dash缩颈直径的缩颈时，消除位错的方法。当在4mm/min-6mm/min的速率范围下生长长度范围为30mm-200mm的缩颈，并保持恒定的直径范围为4.5mm-10mm时，位错就被消除。然而，当缩颈的直径超过10mm时，据说位位错难以消除。

反之，美国专利No.5,578,284描述了一种方法，用该方法从具有超过10mm直径的缩颈中消除了位错。此方法应用小于4mm/min的提拉速率，并要求缩颈长度在120mm和180mm之间。据说，对这种直径的缩颈，小于4mm/min的提拉速率造成位错消失比它们形成更快。

减少缩颈断裂的另一些尝试集中在提供用于单晶主体的附加机械支承件上。例如，美国专利No.5,126,113描述了一种用于在单晶硅棒生长时支承它的装置。利用由Dash法生长小直径缩颈消除了单晶中的位错。然后在单晶主体的锥形部分开始之前，在Dash缩颈的下面生长大直径的凸起部。各机械夹具接合该凸起部下面的凹槽，以便在主体生长时支承该主体。然而，当采用这些夹具来夹持单晶时，稳定的单晶生长工作条件可能受到扰动，这也可能引起Dash缩颈断裂。

鉴于这些研究进展，需要继续存在一种消除单晶硅棒缩颈内位错的方法，以便可以生产大直径、无位错的硅棒，而没有显著的设备损坏、原材料损耗、产生安全危险、及降低生产能力和产量。

发明概述

因此，在本发明的目的之中，可以注意：用于制造单晶硅棒的方法规定，该单晶硅棒按照直拉法拉制、具有无位借的大直径短缩颈；用于制造单晶硅棒的方法规定，该单晶硅棒具有大直径短缩颈，该大直径短缩颈能在单晶生长或处理期间支承重的单晶硅棒主体而不断裂；用于制造单晶硅棒的方法规定，该单晶硅棒具有大直径短缩颈，该大直径短缩颈可供减少生长时间和改善总生产量和生产能力用。

因此，简单地说，本发明针对一种用于按照直拉法开始生长单晶硅棒的方法，该方法包括：

用一电阻加热器将无位错籽晶的下面末端加热至末端熔化并形成熔化的帽体，

将籽晶降下至熔化的帽体与熔体的表面接触，和

从熔体向上提拉籽晶，以便靠近籽晶形成缩颈。

本发明还针对一种用于按照直拉法开始生长单晶硅棒的方法，该方法包括：

将无位错的籽晶降下到硅熔体表面上方的一个位置，

将一第二加热器移动到靠近籽晶的起始位置，以便将籽晶的下面末端熔化，并形成一熔化的帽体，

将籽晶降下至熔化的帽体接触硅熔体的表面，和

将加热器拉出到一相对于硅熔体表面的第二位置。

本发明的另一些目的和特点一部分是显而易见的，一部分将在下面指出。

对附图的简要说明

图1是拉晶机一个实例的示意性剖视图，其中第二加热器的一个实施例按照本发明的方法表示；

图2是垂直剖面图，它示出籽晶在用第二加热器充分加热以便形成熔化的帽体后的一个实例，阴影区一般表示熔化的帽体，而虚线近似代表从籽晶的固化硅到熔化帽体的熔化硅之间的过渡区域；

图3是垂直剖面图，它示出籽晶接触熔体的一个实例，阴影区一般表示熔化硅的弯月面，而虚线近似代表从籽晶的固化硅到弯月面的熔化硅之间的过渡区域；

图4是垂直剖面图，它示出形成单晶硅缩颈部分初始阶段的一个实例，虚线一般表示从籽晶到缩颈开始逐渐变尖的过渡区，而阴影区表示在缩颈的固化硅和熔体的熔化硅之间存在的熔化硅弯月面；

图5是垂直剖面图，它示出按照本发明的方法制造的单晶硅棒上部区域的一个实例；

图6是电阻加热器管件及它们相对于籽晶和熔体表面位置的一个优选实施例侧视平面图；

图7是电阻加热器和管件相对于籽晶位置一个优选实施例的底视平面图；

图8是电阻加热器一个优选实施例的局部视图。

优选实施例的详细说明

现在参看图1，按照本发明的原理制造的一种直拉法拉晶机一般以10表示。在晶体生长室12的内部是一个坩埚14，该坩埚14具有一个敞开的上口，并装有大量熔化的硅。从籽晶18开始，由熔体16中拉出单晶硅棒(未示出)，籽晶18被夹持在一夹具20中，夹具20附接到提拉缆绳22上。通过操纵支承结构23来按需要使缆绳22旋转和升降。坩埚14安装在一个转台或底座24上，该转台或底座24是有一个轴26，该轴26连接到一个坩埚驱动装置(未示出)上，用于按需要旋转和升降坩埚。

为了按照本发明的方法生长单晶硅棒，将大量多晶硅料装到坩埚14中，并使电流通过圆筒形加热器28，该加热器28围绕坩蜗14，以便熔化内装料。籽晶18是无位错的，一般具有最小的直径ds，该直径ds范围从约8mm～约15mm或15mm以上。优选地，籽晶将具有一最小直径范围为约9mm～约13mm，而最优选地，其最小直径范围为约10mm～约12mm。

当籽晶下降到熔体16上方的一个位置时，使该籽晶18和坩埚14旋转，所述位置能使从熔体中辐射出的热将下面的籽晶末端升温，直至该末端达到与该位置处的周围环境热平衡，一般达到的温度范围在约1225℃～约1375℃之内。换另一种方法说，将籽晶18保持在这个位置，直至在籽晶末端的半径上每一点处的温度一般在约1225℃～约1375℃范围内。籽晶的转速通常在约10～约18转/分(rpm)范围内，并且最好是在约14～约16rpm范围内，而熔体/坩埚的转速通常在约2～约10rpm范围内。

经验表明，通常需要在10-20min内使籽晶末端的温度是在约1225℃～约1375℃范围内。优选地，末端的温度是在约1250℃～约1350℃范围内，最优选地，是在约1275℃～约1325℃范围内。为了达到热平衡，通常将籽晶18下降到距硅熔体16的表面上方约5mm～约15mm处。最好是，将籽晶18下降到在熔体的表面上方约7mm～约12mm处。

现在参看图1和2，在籽晶18已达到热平衡后，通过由一第二加热器30施加的热，使籽晶下面末端的温度缓慢增加，该第二加热器30起初是靠近籽晶设置。继续加热直至末端熔化，同时形成一个熔化的帽体2，该帽体2在籽晶18的下面末端处具有一般是凸面形状。通常，熔化的帽体是通过将末端熔化，直至熔化的硅包括帽体的长度范围为约2mm～约5mm形成。最好是，熔化的帽体通过将末端熔化至熔化硅的长度范围为约3mm～约4mm。应该注意，加热可持续进行，以便形成具有更大长度的熔化帽体。然而，如果末端的加热和熔化持续至熔化的帽体长度一般超过籽晶18的直径，则熔化的帽体可能落下离开籽晶末端，因此应该避免。还应注意，加热必须缓慢进行，通常是在约15～20min的时间间隔内，以避免由于热冲击而在籽晶中形成位错。

现在参看图1和3，然后缓慢降下籽晶18，通常是以约0.5mm/min～约4mm/min的速率进行，直至熔化的末端与熔体16的表面接触。一旦出现这种情况，就停止降下籽晶。关闭第二加热器30，然后利用一台电动机将该装置拉起到相对于熔体表面的一个第二位置，该电动机驱动垂直滑动的机构31，以免妨碍生长过程的进行。

将籽晶18的位置保持约5～约20min。在此期间，正如该技术中通常所做的那样，用目视法观察籽晶/熔体界面处弯月面19的直径，该弯月面19的直径用作熔体太热或太冷的标志。例如，如何弯月面的直径大于籽晶的直径，则熔体太冷。反之，如果弯月面的直径小于籽晶的直径，则熔体太热。视情况而定，可以将熔体/坩埚的转速增加(如果熔体太热)或减少(如果熔体太冷)约0.2rpm～约1rpm。以这种方式，观察弯月面的直径，以确保它与缩颈生长开始之前的籽晶直径大致相同。

现在参看图4和5，一旦达到所希望的弯月面直径，则通过向上缓慢提拉籽晶18，使其离开熔体表面，开始形成单晶硅棒(一般以34表示)的缩颈32。一般说来，提拉速率将慢到足以保持形成无位错的缩颈，该缩颈具有最小直径范围为约7mm～约15mm或15mm以上。因此，通常，在缩颈形成期间，提拉速率足多保持缩颈32处于最小直径dn，该直径dn稍小于籽晶18的最大直径ds。优选地，缩颈直径与籽晶直径的比值即dn/ds是在约0.7～约1之间，更优选地，该比值是在约0.75～约0.95之间，而最优选地，该比值在约0.8和约0.9之间。为了保持这种直径的无位错缩颈，提拉速率通常将是在约0.4mm/min～约2.0mm/min范围内。最好是，提拉速率将是在约0.7mm/min～约1.2mm/min范围内。

通常保持缩颈形成至达到长度小于约30mm。优选地，缩颈长度将小于约20mm。最优选地，该长度将小于约15mm。应该注意，即使长度超过30mm，按照本发明的方法都保持无位错的缩颈。然而，经验表明，长度超过30mm是不需要的，因此，超过此长度造成不必要的过程时间延长。

一旦形成无位错缩颈32步骤完成，则该过程的其余部分按与普通直拉法类似的方式进行。靠近缩颈32生长一个外部呈喇叭形，或籽晶锥体段36。通过降低熔化温度连续增加缩颈的直径来生长籽晶锥体，同时保持提拉速率大致相同，降低熔体温度是通过降低加热器电功率来达到的。在这方面应该注意，本方法与标准的Dash缩颈法不同之处在于：用于Dash缩颈法的籽晶锥体形成包括提拉速率的显著降低。这是由于要求高达6mm/min的提拉速率，以便消除Dash缩颈中的位错。因此，为了开始籽晶锥体的形成，将提拉速率显著降低，以便使直径能逐渐地增加。

当通过提拉速率的短暂增加，使单晶硅棒体38达到所希望的直径时，形成一个肩部37。然后，将提拉速率保持在主体38以与肩部37相同的直径生长。当通过增加提拉速率和熔体温度而使熔体几乎耗尽时，形成一个锥形的端部锥体(未示出)。

第二加热器30(如图1所示)用来进一步加热和熔化籽晶的末端，它可以按照足以一般加热籽晶18末端的任何实施例设计。然而，加热器必须用这样一种材料制造，该材料能耐拉晶过程常用的温度，并且不起污染源作用。

由于必须避免对籽晶末端产生热冲击的结果，所以，在加热时最好利用一种光学或光的能源如激光器进行电阻加热。由一电阻加热器所产生的辐射热提供一种装置，通过该装置来逐渐增加穿过整个籽晶末端的温度，时间一般约10～约20min。反之，用激光器加热限于局部，其结果倾向于更难控制。此外，比起激光器来优选电阻加热，是因为它不会随它携带许多用激光器产生的潜在安全危险。

现在参看图6、7、8a和8b，这里将要说明第二加热器30的一个优选实施例。在该优选实施例中，应用电阻加热器，该电阻加热器包括一块基板40，在该基板40上安装两根管件42。两根管件分开一定距离，当加热器处于适当位置时，该距离足够籽晶18装配在两管件之间。通常，两管件42之间的距离为约2cm～约5cm，而最好是，该距离将约为3cm～约4cm。最好是，基板40和管件42都用氧化铝制成。加热丝44最好是用钽制造。它绕在每个管件42上，并用作电阻加热器的加热元件。

应该理解，不脱离本发明的范围，制造基板40、管件42和加热丝44的材料，及管件之间的间距可以与上述情况不同。

基板40按该技术中的标准附接到垂直滑动的机构31上(如图1所示)。这供将电阻加热器定位于熔体16的上方用，以便籽晶18在两根管件42之间延伸。在籽晶的末端已经加热到熔化的帽体形成的那一点后，然后进一步下降，以便接触熔体表面，如上所述，将电阻加热器从其起始位置拉出到一个相对于硅熔体表面16的第二位置，该第二位置一般是在熔体表面的上方并离开该熔体的表面。这样做以便当提拉过程持续进行时，加热器不处于干扰单晶生长的位置。在此第二位置处，加热器已不再能供给足以保持籽晶末端处于熔化状态的热量。

电阻加热器附接到一直流(DC)电源上(未示出)，直流电源是该技术通用的。为了进一步加热籽晶18的末端，并随后将其熔化，以一种足以缓慢加热籽晶末端的方式给加热器通电。为了避免由于热冲击的结果而在籽晶18中形成位错，缓慢加热是关键。通常，在约14～约16min时间范围内，加到加热器的电功率将从约50瓦增加到约100瓦。所加的电功率对绕在管件42上的电阻丝40进行加热。将电源保持通电一段时间，这段时间足以满足从加热丝44辐射出来的热量使籽晶18的末端熔化，同时造成形成熔化的帽体。

用该技术中常用的许多方法可以达到检测单晶硅棒中的位错目的。例如，在单晶硅棒生长期间，单晶表面上的晶棱线(facet line)的存在是单晶中没有位错的明显表示和证明。硅棒被提拉之后，还可以将硅棒切成硅片，然后可以用该技术通用的方法对位借进行分析。硅片中不存在位错可得出硅棒没有位错的结论。可供选择地，在缩颈形成后，可以通过化学腐蚀法对其进行分析来揭示任何位错。按照这种方法，可以对整个缩颈轴向截面的(110)面进行研磨，机械抛光，然后在HOAc(乙酸)∶HNO₃(硝酸)∶HF(氢氟酸)＝10∶3∶1的混酸溶液中化学抛光10min，以便除去任何表面损伤。然后对各面进行Wright腐蚀20min，以便除去位错腐蚀坑。如果缩颈没有位错，则将观察不到腐蚀坑。

应该注意，经验证明，在常用的直拉法拉晶机中盛行的生长条件下，在无位错的硅单晶棒34中产生新的位错非常困难。结果，一旦按照本发明的方法成功地完成形成无位错的缩颈32，单晶硅棒应保持没有位错。

本发明的方法提供一种装置，利用该装置来制造无位错的单晶硅棒，该硅棒通常具有重量范围从至少约100kg至约200kg、300kg、400kg或更多。此外，本发明由于所形成的无位错缩颈长度约为用标准的、Dash型技术所形成缩颈长度的十分之一，所以造成产量和生产能力增加。

正如下面实例中所说明的，本发明的方法可用来防止在按照直拉法所制造的硅单晶棒缩颈中形成位错。该实例陈述了一组可用来达到所希望结果的条件。对其它的单晶直径和重量，可以产生与下面所提供的数据相类似的数据。因而，不应把本实例理解成限制的意思。

                         实例

按照本发明的方法，采用Ferrofluidic Czochralski拉晶机和直径为24英寸的坩埚，可以制造具有直径约为200mm和重量至少约为100kg的单晶硅锭料，向该坩埚中装入120kg掺杂硼的多晶硅料。向包围坩埚的圆筒形加热器通电，以便熔化多晶硅。电阻加热器和籽晶在拉晶机中处于离开热区的位置，以便防止在多晶硅装料熔化期间所产生的一氧化硅气体，冷凝在它们的表面上。

一旦装料熔化，就用垂直滑动的机构将电阻加热器降下到一个起始位置，该位置在熔体表面中央的上方约15mm处。让加热器热平衡约20～约30min，然后将直径约9mm和长约160mm无位错硅籽晶降下到适当位置。将籽晶的末端定位在从加热器延伸的两根管件之间，该籽晶的末端在管件的下方约2～3mm，并且距熔体的表面约12～13mm。

在此位置处，让籽晶与拉晶机内部的温度热平衡约15min，这时开始用电阻加热器加热，经过约15min后，将加热器的电功率从约50瓦增加到约100瓦，在此期间，籽晶的末端开始熔化。最后，形成一长约3～约4mm的熔化帽体。

一旦形成熔化的帽体，就将加热器的电功率减少到零约5min时间，在此期间，将籽晶以约2mm/min的速率朝熔体的表面降下。持续降下籽晶，直至熔化的帽体接触熔体的表面；分别以约15rpm和约8rpm的速率旋转籽晶和熔体。一旦熔化的帽体接触熔体的表面，就停止降下籽晶。然后向上移动加热器，使其离开熔体的表面到一个相对于熔体表面的第二位置。

在此位置处将籽晶固定约10～约15min，在此期间，用目视观察籽晶/熔体接合处弯月面的形状，用于表明熔体是太热或太冷(如通过将弯月面的直径与籽晶的直径进行比较来确定)。按需要分别通过增加或减少熔体/坩埚的转速约0.2～1rpm来进行调节。

一旦弯月面的直径一般与籽晶的直径大致相同，则缩颈生长以约1.0mm/min的速率开始。生长一个短而粗的缩颈，它具有约8～9mm的直径和约18～20mm的长度。然后通过将提拉速率降至约0.6mm/min和稍微降低加到圆筒形加热器上的电功率，来生长籽晶锥体。然后，按照常用的直拉法参数(即该技术中的标准参数)来生长单晶硅锭料的其余部分，其中包括放肩部分、恒定直径的主体部分，和端部锥体部分。

一旦单晶硅锭料的生长完成，就用目视法检查缩颈部分在〔100〕晶体生长方向上是否存在晶棱线。这些晶棱线的存在以无位错生长的目视证据而著名。

由于不脱离本发明的范围可以对上述方法进行各种改变，所以打算将上述说明中所包含的任何问题都看作是例证性的，而没有限制的意思。

Claims (11)

1.用于按照直拉法开始生长单晶硅棒的方法，该方法包括：

将无位错的籽晶降下到硅熔体表面上方的一个位置，

将一第二加热器移动到靠近籽晶的起始位置，

用该加热器将籽晶加热，以便熔化籽晶的下部末端，并形成一个熔化的帽体，

将籽晶降下至该熔化的帽体接触硅熔体表面时为止，和

将加热器拉出到相对于硅熔体表面的第二位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过将籽晶的下面末端加热约14～约16min的时间，达到使该末端熔化。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：第二加热器是电阻加热器。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：无位错的籽晶在其熔化的帽体接触熔体的表面之后，从硅熔体向上提拉该籽晶，以便靠近籽晶形成无位错的缩颈。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：无位错缩颈具有小于约30mm的长度。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：无位错缩颈具有小于约20mm的长度。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：无位错籽晶具有最小直径ds和无位错缩颈具有最小直径dn，ds/dn的比值范围为约0.7～约1。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于；ds/dn的比值范围为约0.8～约0.9。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于：靠近无位错缩颈的是一向外扩张的籽晶锥体，而靠近该向外扩张的籽晶锥体的是单晶主体，该单晶主体至少重约100kg。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：单晶主体至少重约200kg。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：单晶主体至少重约300kg。

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