CN1333844A - 高质量单晶制造中堆积和熔化多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

一种根据直拉法由不同大小的固体多晶硅源材料形成单晶硅锭的改进方法。该方法包括根据大小将每个源材料块分类,并将源材料块放到坩埚中,在坩埚中形成料堆。料块一般放置在坩埚内至少三个根据料块大小分类预选的区域内。坩埚内的料堆,在惰性环境下,升高的温度下,熔化形成熔化的源材料,然后,使坩埚和熔化的源材料的温度稳定到适于晶体生长的平衡温度。根据直拉法,从熔化的源材料中提拉单晶硅锭。另一方面,在坩埚内的环境压力高于实施温度稳定化的步骤的环境压力同时,实施熔化源材料料堆的步骤。

Description

高质量单晶制造中堆积和熔化多晶硅的方法

发明的背景

本发明一般涉及单晶硅锭的制造，特别涉及多晶硅源材料的料块在坩埚中的堆积和熔化的方法，该方法为直拉法的一部分，用以制造高质量的晶锭。

用于电子器件的多数半导体芯片都是由直拉法制备的单晶来制造。直拉法中，通过熔化堆积在石英坩埚内的多晶硅源材料，在平衡温度下稳定化坩埚和源材料熔体，将籽晶浸入源材料熔体，随着熔化的源材料在籽晶上结晶，提拉籽晶，形成单晶锭，并随着晶锭的生长拉制晶锭，由此来制造单晶硅锭。熔化发生在高于1420℃的温度、惰性气体环境和低压条件下。在晶体生长时，坩埚绕着一般垂直轴连续旋转。从熔化的源材料中拉制晶锭的速率选择为能够形成具有希望的直径的晶锭。

利用直拉法制造单晶锭中的重要一点是需要防止在晶格结构中形成位错、空洞或其它缺陷。位错可能由于一个或几个可能的原因产生，包括热冲击、振动或机械冲击、由于局部冷却速率差造成的内部应力、晶体生长界面处熔体中的固体颗粒、熔体中俘获的气泡、表面张力效应等。一旦产生，位错便会导致电特性均匀性的下降，并会产生杂质的附着。晶体中的空洞或气穴同样会中断材料的连续性。

使该问题更严重的是晶体中任何局部缺陷或位错都会广泛传播，通常会造成产品报废。如果晶体结构中形成第一个位错，则它会加倍，产生传播到晶体中的许多个位错。因此，如果在某一点无位错生长晶体被干扰，则已生长晶体的整个截面和相当大一部分便会位错泛滥。因此，非常重要的是保持生长的晶体处于完全无位错状态下。否则，生产成品率会下降，产量严重减少。

必须仔细地实施在坩埚中原始堆积或加填多晶硅源材料和其熔化的步骤，否则晶体将被毁坏。加料和熔化期间无意中引入缺陷的一般形式有对坩埚的损伤，飞溅熔融硅和俘获气穴。

对坩埚的损伤发生在固体硅撞击或划伤壁时。坩埚具有衬以石英的壁，石英能使与熔融硅浴的反应最小，由此可以避免杂质的引入。供应的多晶硅源材料一般为边缘光滑、不尖或尖利的不同尺寸不规则块状。在开始在坩埚中加块状多晶硅时，尖利或尖角的边缘会擦伤石英壁。在坩埚填满时，负载重量加在沿底壁的料块上，尤其在料块移动或在负载下移动时，会划伤和刻伤这些壁。石英颗粒一般会从受损的坩埚壁上剥落或脱落，落入硅源材料中。这些颗粒变成熔融的硅砂杂质，浮在熔融硅上，或附着到液/固晶体生长界面，会明显增加在晶体中形成位错的可能性。

随着熔化的发生，也可能会发生飞溅。沿底部的料块会首先熔化，然后上面的料块移动或落入熔体中。如果坩埚的热分布不均匀，则块状多晶硅的下部会熔化，在熔体上留下会粘附到坩埚壁上的未熔材料“架”，或在熔体上留下架在坩埚壁的相对两侧上的未熔材料“桥”。在加入的材料移动或架和桥坍塌时，它在熔体表面上，会将熔化的硅溅泼到坩埚壁上。对溅泼区的热冲击会损伤坩埚，导致随后石英颗粒污染熔化的源材料，并在晶锭中形成位错的问题。

向坩埚中加多晶硅块的方式还会造成熔体中俘获气穴的问题，这是晶体缺陷的另一个来源。随着熔化的继续，熔融硅从坩埚的边缘流到底部中心，逐渐向坩埚中填充液体。理想情况下，坩埚中料块间的气体仅仅被液体取代，并停在熔体的液面上，所说气体一般是例如氩等惰性气体。然而，在较大块或板块固体硅邻近坩埚底部时，它们的取向一般平行于底部，料块的平坦侧与坩埚的弯曲底面并不吻合，而是离底面有一定空间。熔化过程中，料块之下会俘获气穴。非常小的固体硅块或颗粒会由于在其中俘获了气穴的其它料块下或之间产生空洞空间加剧该问题。另外，由于小料块具有较大表面积，所以熔化较慢。尽管熔化期间有时气穴会升到熔化的源材料的上表面，并在某些点排出，但它们经常留在熔体中，后来变成单晶锭中的空洞或气穴。

对产生俘获气穴有促进作用的另一因素是熔化和稳定化过程进行时的等同相对环境压力。在直拉方法中，一般熔化硅和稳定到热平衡温度的步骤发生在接近相同的环境压力下，一般为23绝对乇(标准海平面气压为760乇)。然而，该等压力过程有一缺点，熔化期间将被俘获在熔化的源材料中的任何氩气泡，在稳定化期间没有相对压力推动力使之膨胀或移动到熔体表面释放出去。熔化的源材料中的气泡，包括沿底壁的和悬浮于熔体中的，都保持等于熔融源材料之上环境气体的压力，并仅仅由于自然浮力被推到表面上。由于熔化的源材料是粘滞的，所以浮力不足以将许多气泡拉到熔体表面上释放。气泡留在熔体中，这些气泡常常会附着在晶体生长界面，在此形成空洞。

发明概述

应注意，在本发明的几个目的和特征中，提供一种根据直拉法由大小不同的固体多晶硅块形成单晶硅锭的改进方法；提供一种零位错晶体生长和提高产率的这类方法；提供一种有助于防止晶锭中形成晶体位错和气穴的这类方法；提供一种在形成熔体时避免损伤坩埚的此类方法；提供一种促进更均匀熔化，并防止熔体飞溅的此类方法；提供一种使熔体中气泡的俘获最少的此类方法；提供一种操作上经济的此类方法。

一般说，根据直拉法由不同大小的固体多晶硅源材料块形成单晶硅锭的本发明方法，包括根据大小将每个源材料块分类，并将源材料块放到坩埚中，在坩埚中形成料堆。料块一般放置在坩埚内至少三个根据料块大小分类预选的区域内。料堆在坩埚内，在惰性环境下，升高的温度下，熔化形成熔化的源材料，然后，坩埚和熔化的源材料的温度稳定到适于晶体生长的平衡温度。根据直拉法，从熔化的源材料中提拉单晶硅锭。

另一方面，形成单晶硅锭的本发明方法，包括在坩埚内的环境压力高于实施温度稳定化的步骤的压力同时，实施熔化源材料料堆的步骤。

本发明的其它目的和特征，部分将明显体现，部分以后作介绍。

附图介绍

图1是装有大小不同的多晶硅源材料块的坩埚的剖面图，料块按现有技术的一般方式排列；

图2是装料后的坩埚的剖面图，料块具有根据本发明方法设计的排列方式和取向；

图3是具有圆边形状的两个料块的正视图；及

图4是具有钝头形状的两个料块的正视图。

所有附图中，相应的参考符号表示相应的部件。

优选实施例的详细介绍

下面参考附图特别是图2，装有根据本发明方法排列和取向的、大小不同的多晶硅源材料块12的坩埚一般表示为10。直拉法开始时，多晶源材料块12放在石英坩埚14内，在坩埚内形成料堆16。坩埚14内料块12的位置和取向的规律性选择是本发明方法的关键点，下面将作介绍。

用于制造单晶硅锭的直拉法所用的多晶硅源材料，一般由供应商按不同尺寸和形状的料块12提供。源材料一般为利用Siemen法由供应商制造的高纯硅。在该方法中，固体多晶硅棒或圆棒由例如硅烷或氯硅烷等气态硅化合物在棒形的加热过的起动器灯丝上热解制造。利用铁锤将长可达六英尺，直径为3英尺的产品棒人工破碎成料块12，以备用密封袋出货给用户。料块12的大小和形状一般多种多样，从最大尺寸2-125毫米，质量最高达650克，其边缘可是随机不尖、尖利或尖角的。

现参见图1，装有按现有技术的一种典型方式排列的料块的坩埚一般表示为18。由于没有有意堆积设计或排列，所以这种排列有一定的随机性。然而，实施人经常沿坩埚14的侧壁22和底24设置大料块20，如图1所示，而小料块26和中间大小的料块28随机充填坩埚的其余区域。包括微小料块30、最小料块在内的所有尺寸的料块12都被放到坩埚14中。此外，没有根据形状或边缘锋利度给出特定的取向。

如图1所示一般随意堆积的现有技术会造成形成晶体缺陷。这种堆积后，邻近石英侧壁22或底24设置的锋利边缘的或尖角料块容易损伤坩埚14。另外，如果熔化期间料块负载移动，则会发生划伤或刻伤，在石英侧壁22或底24上拖动任何锋利边缘或尖角。在硅熔化时，液体流到坩埚14的底部中心32。由于料块与坩埚的轮廓不吻合，所以一般被沿底部取平的大料块20的取向在料块的平坦底部和坩埚14的弯曲底部24间留下间隙。在液体上升时，这些间隙有利于大料块下的氩气的俘获。另外，硅的最小微细料块30慢慢熔化，会留存在相邻料块间，产生被氩气占据并且可能最后将变成晶体中的空洞的间隙。由于料块12的随机排列会造成熔化期间的不均匀热分布，所以可形成位于坩埚14的相对侧间的未熔化的材料架或桥，在架或桥破碎或落入熔体时，可能会引起飞溅。

相反，根据图2所示的本发明方法装料的坩埚可以避免飞溅、坩埚损伤和俘获气体等问题。

首先，根据大小将多晶硅源材料块12分类。有四种尺寸类别：大，中，小和微细。大料块20的特征是最大尺寸约为88-125mm。中料块28的最大尺寸为50-88mm，小料块26的最大尺寸为6-50mm。微细料块30包括小颗粒硅，其最大尺寸小于6mm。分类根据对每个料块的尺寸测量人工进行，或利用具有能够分析料块的两维图像的图像分析仪的计算机系统进行。

放弃分为“微细”尺寸的所有料块和颗粒30。如上所述，微细料块和颗粒30会在其它料块间和其它料块和坩埚壁间产生间隙，气体会被俘于其中。此外，微细料块30与大料块相比更难熔，需要消耗更多能量。

然后，将源材料料块12放到坩埚14中，形成料堆16。料块12放在坩埚内根据料块大小分类预选的区域内。排列定义为提供基本均匀的热分布，稳定的熔融流动特性，以避免坩埚损伤或飞溅。

包括坩埚14的底24和侧壁22的第一区被衬以大料块20。在这些位置，大料块20将作为第一开始熔化料块，它们不在它们会落入熔体产生飞溅的位置。小料块26一般设在位于大料块20之上坩埚14的中间部分的第二区，是由于该位置可以接收象大和中料块一样快地熔化小料块所需要的热能。中料块28一般设在位于小料块26上的中部和衬在壁上的大料块20之间的第三区。如果存在适于该区空间的更多中料块28，则另外的中料块可设置在上部、大料块20之上、装料的计算的熔化线34之上、靠近坩埚侧壁22。上部的中料块28以较小较窄或尖角侧朝向坩埚侧22取向，但不触及这些壁。并它们之下的料块熔化后，中料块28会因此更轻缓地落入熔体中，朝向它们与较窄的尖角侧相反的更重侧，这些料块将不与坩埚侧壁22接触或附着于其上。

某些料块12设置在坩埚14的同时根据大小分类和根据料块边缘形状分类而预选的区域内。具体说，坩埚14的底24被衬以一般具有钝头36的大料块20，而坩埚侧壁22被衬以一般具有圆边缘38的大料块20。形状的分类可以肉眼进行。现参见图3，料块40的圆边缘38一般为圆柱曲面形状，比总的料块尺寸来说，具有较大的曲率半径。参见图4，料块42的钝头36的一般特征在于它是被截顶的三角棱柱形。分类需要判断料块的形状是否更接近截顶矩形棱柱，像图4所示料块42的钝头36，或者接近圆柱体的弯曲表面，像图3所示料块40的圆边缘30。与具有圆边缘38的料块40类似的大料块20容易在下侧俘获气体，是由于料块的局部曲率半径大于坩埚底24的局部曲率半径的缘故。因此，无法与底24很好地吻合，容易在两个间隔的位置与底部配合，同时在两间隔的位置间的料块和底部之间产生间隙。相反，与料块42类似的钝头料块避免了会俘获气体的料块的钝头侧上的大平坦表面。钝头料块覆盖的坩埚底24的面积比圆边料块小，它们能更好地在局部与坩埚14底部的弯曲轮廓吻合。

如图2所示，在衬于底部24和侧壁22的区域中的这些大料块20进一步被细分为具有一般圆形直径44的内中心区和外部区。中心区中的大料块20按它们的钝头36向下，长轴一般垂直取向设置。这种取向可以在熔化过程中防止料块下俘获任何气穴，同时避免对坩埚壁的损伤。钝头36沿底24覆盖坩埚壁的面积比图1所示的现有技术的大料块20的随机形状的边缘小，所以可以减小气泡面积。钝头36能在接触点与壁较好吻合，相对其它形状的边缘不会引起损伤。其大料块的取向使钝头向下的中心区，在直径44约为正制造中的晶锭直径的1.5倍的圆内延伸(即，对于直径为200mm的晶体，大料块在直径约为300mm的中心区内使钝头向下)。由于坩埚14的旋转和温度梯度的缘故，熔化的源材料内产生对流，这些流动有利于熔化的源材料的搅拌和混合。实际已看出，中心区外的对流比其内的对流更强。在中心区外大料块下的被俘获气穴经常会被俘获在对流内，并从熔体中排出。由于对流在中心区内较弱，所以那的料块垂直取向，以避免形成原始气穴。

在料块12放在坩埚14内时，应轻柔地将它们就位，来避免对石英壁的任何冲撞损伤或划伤。应小心的设置料块12上的所有尖角或锋利边缘，从而使它们躲开坩埚壁，以便在熔化期间料块移位时防止划伤。

完成了料块在坩埚中的设置后，工艺一般根据现有技术的直拉法继续进行，在惰性环境中熔化料堆16，形成熔化的源材料，将温度稳定在适于晶体生长的平衡温度，从熔化的源材料中提拉单晶硅锭。

本发明工艺的另一方面是在坩埚处于高于实施温度稳定化的步骤的环境压力的环境压力时，实施熔化料堆的步骤，至少到熔体覆盖坩埚14的底部的时候。较大的压力可以消除会被俘获在熔化的源材料中的气泡。

具体说，在环境压力约为稳定期间的压力的四倍的条件下，进行熔化。例如，如果温度稳定步骤设计为发生在20乇，则在80乇的环境压力下进行熔化步骤。熔化期间被俘获的任何氩气泡都在80乇。当温度稳定阶段开始时，熔体上的环境压力下降时，被俘获气泡的较高压力产生使体积膨胀的动力。较大的气泡更不稳定，并具有较大的浮力，因此，更容易崩解，或克服熔体中的粘滞力，上升到表面，从熔融物中排出。

由此看来，可以看出，可以实现本发明的几个目的，并到得到其它有益效果。

由于在不背脱离本发明范围的情况下，可以做出各种改变，所以意在使上述说明书中所包含和附图中所展示的所有主题都将被认为是例示，而非限制。

Claims (10)

1.一种根据直拉法由大小不同的固体多晶硅源材料的块形成单晶硅锭的改进方法，包括：

根据大小将每个源材料块分类；

将源材料块放到坩埚中，在坩埚中形成料堆，料块一般放置在坩埚内至少三个根据料块大小分类而预选的区域内；

在坩埚内，在惰性环境下，升高的温度下，使料堆熔化形成熔化的源材料；

使坩埚和熔化的源材料的温度稳定到适于晶体生长的平衡温度；及

根据直拉法，从熔化的源材料中提拉单晶硅锭。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将源材料块放于坩埚中的步骤包括将至少一些料块放置在坩埚内根据料块的大小分类和根据料块的边缘形状分类而预选的区域内。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将源材料块放于坩埚中的步骤还包括按相对于坩埚根据料块的形状而预选的取向设置至少一些料块。

4.根据权利要求1所述的方法，其中根据大小将每块源材料分类的步骤还包括放弃最小料块，将其余料块分离成小、中和大料块三组，其中放弃的料块的最大尺寸小于约6mm，小料块的特征在于最大尺寸为约6-50mm，中料块的最大尺寸为50-88mm，大料块的最大尺寸为88-125mm。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将源材料块放于坩埚中的步骤还包括将大料块放置于一般沿坩埚的底和侧壁的区域内，将小料块放置于一般处于坩埚中部的沿底部的大料块上的区域内，将中料块放置于一般在坩埚中间区内小料块上。

6.根据权利要求3所述的方法，其中将源材料块放于坩埚中的步骤还包括按任何料块的钝头面向下的取向，沿坩埚底设置料块，并按使任何料块的尖角边缘躲开侧壁的取向，沿坩埚侧壁设置料块。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在坩埚的环境压力高于实施温度稳定化步骤的环境压力时，实施熔化料堆的步骤。

8.一种根据直拉法由大小不同的固体多晶硅源材料块形成单晶硅锭的改进方法，包括：

将源材料块放到坩埚中，在坩埚中形成料堆；

在坩埚内，在惰性环境下，升高的温度下，使料堆熔化形成熔化的源材料；

使坩埚和熔化的源材料的温度稳定到适于晶体生长的平衡温度；及

根据直拉法，从熔化的源材料中提拉单晶硅锭，

其中在坩埚的环境压力高于实施温度稳定化步骤的环境压力时，实施熔化料堆的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：根据大小将每块源材料分类，放弃最小料块，将其余料块分成小、中和大料块三组，其中在坩埚内放置源材料块的步骤包括将料块一般放置在坩埚内至少三个根据料块大小分类预选的区域内。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将源材料块放于坩埚中的步骤还包括将大料块放置于一般沿坩埚的底和侧壁的区域内，将小料块放置于一般处于坩埚中部的沿底部的大料块上的区域内，将中料块放置于一般在坩埚中间区内小料块上。

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