CN1372604A - 制备具有均匀热过程的单晶硅的方法 - Google Patents
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Abstract
一种生产单晶硅锭的Czochralski法具有一均匀的热过程。在该方法中,在晶锭的主体和尾锥生长的整个过程中使加到侧面加热器上的功率保持基本上恒定,而在主体的第二个一半和尾锥生长过程中逐渐增加加到底部加热器上的功率。本方法能得到一种晶锭,使从该晶锭生产出的晶片具有较少超过约0.2微米的光点缺陷,同时具有改善的栅氧化层完整性。
Description
发明背景
一般,本发明涉及按照Czochralski单晶拉制法的一种单晶硅锭的制备方法。尤其是,本发明涉及一种在晶锭生长时控制晶锭热过程的方法,以便限定由该晶锭得到的晶片中与空位有关的聚集缺陷的密度和尺寸,并改善晶片的栅氧化层完整性。
单晶硅是制造半导体电子元件的大多数方法中的原料,单晶硅通常用所谓的Czochralski单晶拉制法(“Cz”法,也称直拉法)制备。在这个方法中,将多晶硅(“polysilicon”)装到钳埚中并熔化使一个籽晶与熔融硅接触并通过缓慢提拉生长单晶。在锭颈形成完成之后,通过降低拉晶速率和/或熔体温度来扩大晶体的直径,直至达到所希望的或目标直径为止。然后通过控制拉晶速率和熔体温度来生长具有大致恒定直径的圆柱形单晶主体,同时补偿降低的熔体液面。接近生长过程结束但在钳埚排空熔融硅之前,必须逐渐缩小晶体直径,以便形成尾锥。通常,尾锥是通过增加晶体拉晶速率和加到钳埚上的热量来形成。当直径变得足够小时,然后使晶体与熔体分开。
近年来,已经认识到,单晶硅的许多缺陷是在晶锭从固化温度冷却时在生长室中形成。更具体地说,当晶锭冷却时,本征点缺陷,如晶体晶格空位或硅自填隙,在达到某个阈温度之前,仍然可溶于硅晶格中,在该阈温度之下,规定的本征点缺陷浓度变得临界过饱和。在冷却到这个阈温度之下时,发生反应或聚集(团聚)事件,结果形成聚集的本征点缺陷。
以前已经报道(见,例如,PCT/US98/07365和PCT/US98/07304),当晶锭从固化温度(亦即,约1410℃),冷却到高于约1300℃(亦即,约1325℃,1350℃或更高)时,决定了硅中这些点缺陷的类型和初始浓度。也就是说,这些缺陷的类型和初始浓度受比值V/G0控制,此处V是生长速度,而G0是在这个温度范围内的平均轴向温度梯度。具体地说,为了增加V/G0值,在V/G0的临界值附近,发生从渐减的自填隙为主的生长到渐增的空位为主的生长的转变,根据目前可获得的信息,该V/G0的临界值似乎约为2.1×10-5cm2/sk,此处G0是在上述温度范围内轴向温度梯度恒定的条件下测定的。因此,可以控制工艺条件,如生长速率和冷却速率(它们影响V),及热区结构(它影响G0),以便决定在单晶硅内的本征点缺陷主要是空位(此时V/G0一般大于临界值)还是自填隙(此时V/G0一般小于临界值)。
与晶体晶格空位的聚集(团聚)有关的缺陷,或者空位本征点缺陷,包括这些可以观察到的缺陷,如D-缺陷,流图缺陷(FPDs),栅氧化层完整性(GOI)缺陷,晶体原发微粒(COP)缺陷,和晶体原发光点缺陷(LPDs),及某些种类的用红外光散射技术(如扫描红外显微术和激光扫描层析摄影)观察的体缺陷。另外在过多空位的区域中存在的是对形成氧化感生堆垛层错(OISF)起核作用的那些缺陷。可以推测,这种特殊的缺陷是一种被过多空位存在而催化的高温成核的氧聚集物。
一旦达到“聚集阈”,只要晶锭那部分的温度保持高于第二温度(即,“扩散阈”),本征点缺陷,如空位,就穿过硅的晶格继续扩散,低于该第二阈温度时,在商业实用期间内本征点缺陷就不再活动。当晶锭保持高于这个温度时,空位本征点缺陷就穿过晶体的晶格扩散到聚集的空位缺陷已经存在的那些格点,同时有效地使给定的聚集缺陷生长成一定尺寸。这些聚集的缺陷格点基本上起“穴”(sinks)作用,同时因为聚集作用的更有利的能态吸引和收集空位本征点缺陷。
因此,聚集的空位缺陷的形成和尺寸依赖于晶锭主体在从“聚集阈”到“扩散阈”的温度范围内的热过程,而更具体地说,依赖于晶锭主体在上述温度范围内的冷却速率或停留时回。例如,高冷却速率通常造成硅锭具有大量直径比较小的聚集空位缺陷。这些条件例如,对于光点缺陷(LPDs)是有利的,因为集成电路制造者通常都要求,对200mm直径的晶片,尺寸超过约0.2微米的这些缺陷数不超过约20个。然而,这些条件也是不利的,因为它们通常生产出的晶片具有不合格的栅氧化层完整性(GOI);也就是说,这些条件造成晶片具有大量对栅氧化层完整性产生负面影响的小聚集空位缺陷。反之,缓慢的冷却速率通常造成晶锭具有少数很大的聚集空位缺陷,因此产生出的晶片具有合格的GOI值但具有不合格的LPD结果。
与聚集空位缺陷有关的问题还由于晶锭的冷却速率在主体长度范围内常常不均匀而变得更复杂。结果,在从这种晶锭得到的晶片中,缺陷的尺寸和浓度将不同。从单晶锭得到的晶片中的这种变化,对于那些提出在它们形成之后除去这些聚集缺陷的人产生了问题。更具体地说,某些人已经提出通过热处理晶片形式的硅,来消除在高拉晶速率下生长的晶锭中形成的缺陷。例如,Fusegawa等人在欧洲专利申请503,816 A1中提出,在超过0.8mm/分的生长速率下生长硅锭,并在1150℃-1280℃范围内的温度下热处理从晶锭切成的晶片,以便消除在晶体生产过程中形成的缺陷。这种热处理表明减少了靠近晶片表面的薄区域中的缺陷密度。然而,所必需的特定条件将随着,除了其它因素之外,缺陷的浓度和位置而改变。例如,这种热处理可以成功地消除从靠近籽晶锥的部分的部分晶锭得到的晶片中的聚集空位缺陷,但不能消除从靠近尾锥的部分晶锭得到的晶片中的聚集空位缺陷。因此,处理从具有不均匀轴向热过程并因此具有不均匀的聚集缺陷轴向浓度的晶锭得到的晶片,要求不同的加工条件。结果,这些晶片热处理是不经济的。另外,这些处理具有把金属杂质引入硅片的可能。
一规定晶锭的不均匀热过程可能由于,例如,与晶锭的主体或尾锥生长有关的条件。更具体地说,假定,通常是,(i)在生长了主体的仅仅20%之后就增加侧面加热器功率,和(ii)在晶锭的尾锥生长过程中增加侧面加热器功率和生长速率,则主体的后面部分和尾锥的冷却速率,常常与主体前面部分的冷却速率不同。侧面加热器功率通常是在主体生长过程中增加,因为当熔体的液面降低时,需要额外的热量,以保证多晶硅仍然处于熔融状态;也就是说,侧面加热器功率通常是随着多晶硅熔体消耗而增加,以保证它不重新固化或“冻结”。侧面加热器功率和/或生长速率通常是在尾锥生长过程中增加,以便使晶锭直径减小。
因此,必须继续有一种方法,该方法能以这种方式生长单晶硅锭,以便使晶锭主体具有比较均匀的热过程,即一种能使得到的晶片满足LPD要求并具有最佳GOI值的热过程。
发明概述
本发明的几个目的和特点之一是:提供一种用于控制单晶硅锭热过程的方法;提供这样一种方法,其中晶锭主体的冷却速率比较均匀;提供这样一种方法,其中拉晶机的侧面加热器功率在晶锭的主体和尾锥生长过程中保持基本上恒定;提供这样一种方法,其中在主体长度上晶锭中的聚集空位缺陷浓度比较均匀;提供这样一种方法,其中使呈晶片形成的硅中这种聚集缺陷的尺寸减至最小;提供这样一种方法,其中改善了晶片形式的硅中栅氧化层完整性;提供这样一种方法,该方法不要求对晶片形式的硅进行高温热处理,或者不要求对上述硅进行不同的高温热处理;提供这样一种方法,该方法不因在晶锭主体生长过程中降低拉晶速率而显著降低生产率;和提供这样一种方法,其中在高于本征点缺陷保持活动的温度下,控制拉晶机中晶锭的轴向温度梯度,以便改善晶锭主体热过程的均匀性。
因此,简单地说,本发明针对一种用于控制单晶硅锭在生长过程中热变化过程的方法,硅锭按照Czochralski法从硅熔体中拉出,晶锭按顺序具有籽晶锥、主体、和尾锥。此方法包括:在晶锭主体生长过程中,在从固化到温度不低于1325℃的的温度范围内,控制(i)生长速度,V,和(ii)平均轴向温度梯度,G0,以使得在主体中空位是主要的本征点缺陷;和在主体生长过程中用一侧面加热器和一底部加热器加热硅熔体,在主体和尾锥生长过程中,侧面加热器保持在一基本上恒定的功率水平上。
本发明还针对一种用于制备单晶硅锭的方法,从该单晶硅锭可以得到单晶硅片,这些单晶硅片具有至少约50%的栅氧化层完整性值和少于约20个尺寸超过约0.2微米的光点缺陷。单晶硅锭按照Czochralski法从硅熔体中拉出,其中在生长过程中,在从固化温度到不低于约1325℃的温度范围内,这样控制生长速度,V,和平均轴向温度梯度,G0,以便其中空位是主要的本征点缺陷。晶锭按顺序具有籽晶锥、主体、和尾锥。本方法的特征在于:在主体和尾锥生长过程中,侧面加热器功率保持基本上恒定,同时用一底部加热器从硅熔体下面加热,以防熔体重新固化。
本发明的另一些目的和特点,一部分将很明显,一部分将在后面指出。
附图的简要说明
图1A是按照本发明一个实施例所述的Czochralski生长装置的剖视图。
图1B是Czochralski生长装置其中一部分的剖视图,其中示出“缓慢冷却”热区的一个例子(装置40一般代表保温材料,屏/反射器或加热器,它可以从拉晶室和在熔体上方延伸,以便放慢正在生长的晶锭冷却速率)。
图2是示出用“敞开”式热区结构,按常规方式生长的整个晶锭主体中流图缺陷密度,及轴向变化的曲线图。
图3是示出当用常规方法和按照本发明的方法拉单晶硅锭时,加到侧面加热元件和底部加热元件的功率二者随着主体长度而变化的曲线。
图4是示出采用该技术中常用的装置构成的“缓慢冷却”热区,按照本发明的方法生长的整个晶锭主体上流图缺陷密度及密度轴向变化的曲线图。
图5是在具有侧面保温材料全部厚度一半的“缓慢冷却”式Czochralski生长装置中,单晶硅锭第二个一半(亦即,从约400mm的轴向置到约850mm)的轴向温度分布图随距熔体表面的距离而变的曲线图。
图6是在具有侧面保温材料全部厚度一半的“缓慢冷却”式Czochralski生长装置中,单晶硅锭的第二个一半(亦即,从约400mm的轴向位置到约850mm)的轴向温度梯度随温度而变的曲线图。
图7是在具有侧面保温材料整个厚度八分之七的“缓慢冷却”式Czochralski生长装置中,单晶硅锭的第二个一半(亦即,从约400mm的轴向位置到约850mm)的轴向温度分布随距熔体表面的距离而变的曲线图。
图8是在具有侧面保温材料整个厚度八分之七的“缓慢冷却”式Czochralski生长装置中,单晶硅锭的第二个一半(亦即,从约400mm的轴向位置到约850mm)的轴向温度梯度随温度而变的曲线图。
图9a-9e是直方图(条带图),其中对许多晶片作存在超过约0.2微米光点缺陷的分析(Y轴=晶片数;X轴=超过0.2微米的LPSs数);图9a-9e分别表示由其得到晶片的晶锭依次相连的20%部分,单晶硅锭在“缓慢冷却”热区结构中生长,其中不用底部加热器,侧面加热器功率在生长过程中增加。
图10a-10e是直方图,其中对许多晶片作存在超过约0.2微米光点缺陷的分析(Y轴=晶片数;X轴=超过约0.2微米的LPDs数);图10a-10e分别表示由其得到晶片的晶锭依次相连的20%部分,单晶硅锭在一“缓慢冷却”热区结构中生长,其中采用底部加热器,侧面加热器功率在生长过程中保持恒定。
优选实施例的详细说明
本发明的方法有利地提供用其生长Czochralski式单晶硅锭的手段,并且优选的是晶锭具有硅晶格空位作为主要的本征点缺陷,其中在整个晶锭主体上热过程基本上是均匀的。更具体地说,按照本方法,生长条件这样控制,以便在聚集阈温度和扩散阈温度之间,晶锭主体的任何规定区段以与另外的各主体区段相同的速率冷却。用另一种方式说,生长条件这样控制,以便任何规定的区段在聚集阈温度和扩散阈温度之间,与其他的主体区段驻留大致相同的时间间隔。因此,与常规的方法相反——其中在主体和尾锥的生长过程中增加侧面加热器的功率,在本方法中的晶锭主体热过程,至少部分地,通过使加到侧面加热器上的功率保持在一基本上恒定的水平,而从底部加热器(亦即,加热器位于在装硅熔体的钳埚下面的拉晶机内部)供给热量来加以控制。
应该注意,如此处关于侧面加热器功率所用的术语“基本上恒定”,应理解为意思是指变化通常小于约10%,5%,或甚至2%。
现在参看图1A和1B,图1A和1B示出了一个拉晶装置8的例子,该拉晶装置8适合于按照本方法生产Czochralski式单晶硅锭10。拉晶装置8包括一个熔凝石英坩埚12,该坩埚12被一石墨承受器(基座)14包围,并装在水冷式不锈钢生长室16内,该生长室限定一个空间,或者“热区”,晶锭生长在该“热区”中进行。坩埚12盛装一种硅熔体18,该硅熔体18利用将故态多晶硅(未示出)加到坩埚12中来提供。多晶硅利用由侧面加热器20提供的热量熔融,该侧面加热器20围绕坩埚12。可供选择地,熔融多晶硅还可以利用位于坩埚12下面的底部加热器22帮助。侧面加热器20用保温材料24包围,以便帮助保持坩埚内的热量。在它的下端处支承单晶硅籽晶28的拉晶轴或拉晶索26位于硅熔体18的上方。
一般说来,在Czochralski法过程中,降下籽晶28,直至它接触熔融硅18的表面并开始熔融。在达到热平衡之后,然后收回拉晶索6,以便从硅熔体18中拉出籽晶28。随着籽晶28拉出,熔体18中的液态硅围绕熔体上方单晶中的籽晶固化。随着下面悬挂着形成的单晶的拉晶索26一边旋转而一边从熔体8连续地收回,形成圆柱形的锭颈区30。在晶锭颈形成之后,降低拉晶速率,产生一向外扩张的区域32,该区域32通常称之为晶锭的籽晶锥。当达到所希望的直径时,控制生长条件,以便为晶锭10的主体34提供一个基本上是连续的直径。
在提拉晶锭10的同时,通过轴36使坩埚12朝与晶锭旋转方向相反的方向旋转。随着晶锭0生长,在生长室16内将坩埚12升起,以便补偿硅熔体18的消耗。在常规的生长方法中,根据拉晶机热区的特定结构,一般是在生长了晶锭10主体34的约20%至约50%之后,才增加侧面加热器的功率,以便保持熔体的温度,并保证熔体仍处于熔融状态。当熔体接近耗尽时,在常规方法中,再增加侧面加热器功率,拉晶速率或二者都增加,以便减小晶锭10的直径,最终形成锥形尾锥(端锥)。一旦尾锥38的直径足够小,一般是2mm-4mm,可以完成晶锭10与硅熔体18分离,而不会造成位错扩散到晶锭的主体34中。然后从生长室4中取出晶锭10并进行加工,以便形成硅晶片。
通常,正在生长的晶锭的每个固化区段,随着它提升并离开硅熔体和坩埚而冷却,结果在晶锭主体的长度上产生一个温度梯度。例如,刚好在熔体固体界面上方的主体固化区段具有约1400℃的温度,而晶锭每个以前固化的区段具有相应较低的温度。然而每个区段冷却达到的精确温度度数至少部分地是随下列条件而变:(i)拉晶速率,(ii)加热器功率和(iii)热区设计(亦即,例如,反射器,辐射屏蔽,排气管,光导管,和二次加热器,它们在图1B中全都总体地以40表示)。更具体地说,应该注意,尽管每个固化区段通常都具有比随后区段低的温度,但可以控制生长条件和/或热区设计,以便改变这个结果。
作为上面所述的一个例子,在常规工艺条件(亦即,在生长主体过程中增加侧面加热功率,和在尾锥生长过程中增加侧面加热器功率和拉晶速率二者)下,在标准的“敞开”热区设计(亦即,一个在熔体上方没有提供用于降低生长的晶锭的冷却速率的反射器,辐射屏蔽,排气管,光导管,或二次加热器的热区)中,所生长的200mm标称直径的晶锭,在刚与硅熔体分离之后的温度梯度范围,将是从靠近尾锥尖头的约1400℃到靠近籽晶锥的低于约750℃。另外,由于增加的拉晶速率并且晶锭正变得与熔体分离,这使晶锭失去传导由其接收热量的好处,所以晶锭主体的后面部分和籽晶锥比主体的前面部分冷却更快。
现在参见图2,对晶锭各种不同区段的冷却速率差异,在整个晶锭长度上可能影响,其中包括,聚集的缺陷,比如流图缺陷或光点缺陷的尺寸和分布,(比如,见在约900mm轴向位置处的缺陷密度,与前面固化和冷却的区段的密度比较)。用另一种方式说,由于对晶锭各区段的冷却速度上的差异,所以晶锭的后面部分将产出一些具有较高密度小光点缺陷或流图缺陷的晶片,并因此与以晶锭前面部分得到的晶片相比,具有较差的GOI值。
如前所述,热区设计可以影响正在生长的晶锭在拉晶机内冷却的速率,结果,将得到的缺陷的尺寸和分布也会不同。例如,与从标准的“敞开”热区所得到的预期结果相反,如果上述方法在一“缓慢冷却”的热区完成(亦即,在熔体上方存在有反射器,辐射屏蔽,排气管,光导管,二次加热器,或者它们的组合,如图1B中总体以40表示的,以便将正在生长的晶锭的温度分布图通常限制到约2℃/mm,约1℃/mm或更少),则侧面加热器功率的增加实际上造成晶锭后面部分轴向温度分布图的下降,使这部分以比以前部分更慢的速率冷却。这种效果即使在尾锥形成过程中增加生长速率也能得到。
现在参见图9a-9e,图9a-9e一般表示的是,用该技术中常用的手段,对一些晶片中存在的尺寸大于约0.2微米的LPDs的分析结果。具体地说,这些晶片是以在“缓慢冷却”的热区中制得的晶锭上得到,其中侧面加热器功率是在每根晶锭的主体生长约50%之后增加。正如从这些结果可以看到的(此处图9a-9e分别表示从晶体主体依次相连的20%部分得到的晶片),这种侧面加热器功率的增加最终影响所形成的大的LPDs数量。尤其是,应该注意,在从晶锭主体最初40%得到的晶片中(见图9a和9b),只有约5个晶片具有超过约0.2微米的不合格数目的LPDs(亦即,大于约20LPDs)。反之,在从接下来40%的同一晶锭主体得到的晶片中(见图9c和9d),约8个晶片不合格。然而,最显著的是,事实是从同一晶锭最后20%部分得到的晶片中(见图9e),有超过25个晶片不合格。
不用借助任何特殊的理论,一般都认为,为限制热分布图而加到热区的材料,当增加功率并且然后这个热量朝晶锭主体的相邻部分方向辐射时,都吸收由侧面加热器所产生的额外的热量。结果,这部分主体及待生长的主体其余部分的冷却速率降低。用另一个方式说,在临界温度范围(亦即,具有作为上限的“聚集阈”温度和作为下限的“扩散阈”温度的温度范围)内,主体这些部分的“停留时间”增加。因此从这部分晶锭上得到的晶片与从晶锭主体较早部分上得到的晶片相比,将具有较低密度的较小聚集缺陷和较高数量的较大缺陷。
如前所述,大规模集成电路的制造者对合格的硅片在聚集缺陷的数量和尺寸及因此在GOI方面,提出了严格的限制。鉴于上述情况,可以看出,优选的是在晶锭主体生长过程中保持某种平衡,以便保证在整个晶锭长度上都满足这些限制。更具体地说,优选的是保持生长条件,以便保证晶锭主体任何规定的区段都冷却足够快,使得由其得到的任何规定的晶片都不超过所提出的对尺寸大于约0.2微米的LPDs的数量限制,而同时又不让冷却大快,以使同样的晶片不含太多的小LPDs,并因此没有不合格的GOI值。
一般说来,本发明的方法有利地提供了用其生长Czochralski式单晶硅锭的方案,其中在整个硅锭主体上热过程基本上是均匀的。按照本方法,将晶锭的热过程控制在阈温度之上,在该阈温度下本征点缺陷是活动的(亦即,“扩散阈”,通常是约800℃,900℃,950℃或甚至1050℃),使得基本上保证晶锭主体以大致相同的速率冷却,或者可供选择地,基本上保证主体在高于这个温度上停留大致相同的时间量。与常规的方法相反,在常规方法中,在主体和尾锥生长过程中增加侧面加热器功率,在本方法中,至少部分地,通过在主体和尾锥二者生长过程中使供给侧面加热器的功率保持在一基本上恒定的水平,来控制冷却速率或停留时间。
在生长单晶硅锭时保持侧面加热器功率一般恒定的水平,是通过用一底部加热器(亦即,加热器位于在坩埚和硅熔体下方的生长室内)将热量加到硅熔体上来完成,而更具体地说,是通过在主体的后面部分和尾锥二者生长过程中增加到这个底部加热器上的功率来完成。一般来说,当侧面加热器功率保持基本上恒定时,在主体生长过程中,在原来增加侧面加热器功率的同一工艺点上通过底部加热器将热量加到熔体上。例如。在常规的“敞开”热区中的标准生长方法中,通常包括在主体已生长的约20%-约30%或更多之后增加侧面加热器功率。与之相反,底部加热是在主体生长约40%,50%,60%或更多之后在“缓慢冷却”热区中开始。因此,应该注意,底部加热开始的精确点,至少部分地随所用的热区设计而变,结果是,因拉晶机的不同而改变。
现在参见图10a-10e,图10a-10e一般表示的是利用本技术中检测LPDs的常用手段对一些晶片进行分析的结果,这些晶片是从在“缓慢冷却”热区中制得的晶锭上得到的,其中侧面加热器保持恒定,而在晶锭主体生长约50%之后将功率加到底部加热器上。正如从这些结果可以看到的(此处图10a-10e代表从晶锭主体依次相连的各20%部分得到的晶片),与图9a-9e所表示的对应结果相比,保持恒定的侧面加热器功率显著减少了得到含大LPDs的晶片数。具体地说,可以看出,在晶锭主体的第二个40%中,发现少于约2个晶片不合格,而在最后20%晶锭主体中,只发现约2个晶片不合格。
在单晶硅锭主体生长过程中,加到侧面和底部加热元件上的功率精确值,可以根据,其中包括,热区的设计和多晶硅装料的尺寸而改变。然而,通常是,在一“缓慢冷却”热区结构中,基本上是整个主体(亦即,约80%,90%,95%或更多)和尾锥生长过程中,将加到侧面加热器上的功率,保持在约100和约150KW之间,优选的是在约120KW和约130KW之间,而最优选的是在约124KW和约126KW之间。反之,对相同或类似的热区,在主体生长约头一半(亦即,在主体的约40%和60%之间)的过程中,将加到底部加热器上的功率保持在约0和约5KW之间,而优选的是保持在约0和约3KW之间,而在生长主体其余部分和尾锥过程中,加到底部加热器上的功率通常是从起始值缓慢增加到小于约30KW的值,优选的是小于约25KW,而更优选的是小于约20KW,及最优选的是小于约15KW。
关于增加底部加热器功率的方式,应该注意,在某些实施例中,功率是沿着一条二次曲线增加,如图3中所例示的,而在另一些实施例中,功率通常是增加约0.01-约0.1KW/mm,优先的是增加约0.01-约0.05KW/mm,和最优选的是增加约0.02-约0.03KW/mm。
更均匀的热过程能使得到的硅锭在整个主体长度上具有更均匀的聚集空位缺陷分布;也就是说,通过控制晶锭主体在聚集缺陷开始形成时的温度和在商业实际利用期间空位不再充分地活动时的温度之间冷却的方式,可得到更均匀的FPDs分布。更具体地说,将侧面加热器功率保持在一基本上恒定的水平上,而从坩埚下面将热量加到熔体上,以便使正在生长的晶锭主体能在从约900℃和约1150℃的温度范围内,而优选的是在约1000℃和约1100℃的温度范围内,以实质上相同的速率冷却。用另一种方式说,如果主体的每个区段都能在所述温度范围滞留大致相同的时间,则缺陷的均匀度增加。
鉴于上述情况,本发明的方法在整个晶锭的主体和尾锥生长期间都利用一种基本上恒定的侧面加热器功率,而用一底部加热器将热量加到硅熔体上。一般来说,必要时利用底部加热器来保证多晶硅装料在整个工艺中都保持熔融。更具体地说,在形成主体约40%,50%,60%或更多之后,在“缓慢冷却”式热区中将热量加到熔体上,以保证主体的后面部分以与前面固化的部分大致相同的速率冷却。因此,对主体的给定区段这样控制冷却速率,以使它与其他区段相比,变化小于约50%,而更优选的是变化小于约35%,20%和10%。然而,最优选的是,对规定的主体区段,与其它的主体区段相比,其冷却速度的变化将小于约5%。
现在参看图5-8,按照本发明的方法,利用一基本上恒定的侧面加热器功率,与从坩埚和硅熔体的下方加热相结合,以便通常使晶锭主体轴向温度梯度保持在小于约2℃/mm。然而,优选的是,轴向温度梯度不超过约1.5℃/mm,更优选的是约1℃/mm,和最优选的是约0.5℃/mm。
晶锭主体的热过程可以另外通过在整个主体和尾锥生长过程中保持比较恒定的拉晶速率来控制,同时,如有必要,调节晶锭和坩埚的旋转速率。在本方法中,在晶锭主体,在其第一个一半和第二个一半两者生长过程中,晶锭的平均拉晶速率基本上与尾锥的平均拉晶速率相似。因此,通常对主体的第一个一半、主体的第二个一半和尾锥的平均拉晶速率的改变不多于约50%。然而,优选的是第一个一半、第二个一半和尾锥的平均拉晶速率的改变不多于约35%,更优选的是不多于约20%,和再优选的是不多于约10%。然而,最优选的是,主体的第一个一半、第二个一半和尾锥的平均拉晶速率的变化不多于约5%。
在主体和尾锥生长过程中,拉晶速率通常是在约0.4mm/分-约1.25mm/分之间的范围内。更具体地说,主体的第一个一半、主体的第二个一半和尾锥的平均拉晶速率,优选的是在约0.45mm/分-约0.75mm/分之间,而更优选的是在约0.45mm/分-约0.65mm/分之间的范围内。然而,应该注意拉晶速率至少部分地随晶锭的直径而变;因此,对直径超过约200mm的晶锭,拉晶速率通常将相应地较低。
在一个优选实施例中,本方法是在“缓慢冷却”式热区中进行并利用底部加热器,与恒定的侧面加热器功率和拉晶速率控制相结合,以保证主体的后面部分(亦即,大约最后的60%,50%或更少)以低于约2℃/分,优选地是低于约1.5℃/分,更优选的是低于约1℃/分,和最优选的是低于约0.5℃/分的速率冷却。用另一种方式说,应用一底部加热器于控制拉晶速率和侧面加热器功率相结合,以保证基本上是整个晶锭主体停留在约900℃和约1150℃之间,而优选地是在约1000℃和1100℃之间,至少约25分钟,优选的是至少约50分钟,而更优选的是至少约75分钟,而在某些情况下,可以优选的是至少约100分钟,150分钟或更多时间。然而,应该注意,优选的是这种“停留时间”足够长,以得到比较高的GOI值,但不超过会造成LPDs超过约0.2微米的不合格数的时间。因此,通常一个给定的晶锭区段不会在这个温度范围内停留多于约250分钟。
然而,应该注意,冷却速率和停留时间的绝对值将根据热区设计,晶锭直径和拉晶速率等而改变。因此,为了缺陷均匀性起见,绝对值对本方法不是关键;相反,对任何规定的区段,冷却速率和停留时间的绝对值之间的相对差异是重要的考虑事项。
现在参见图4,用本方法生长的单晶硅锭,尤其是整个晶锭主体,显示出空位聚集缺陷,如FPDs,比较均匀的轴向浓度。这种均匀度,除了其它优点以外,可以减少与不均匀单晶有关的生长后处理问题和费用。然而,除了在整个晶锭长度上得到缺陷分布方面的均匀性之外,重要的是控制所形成的聚集缺陷的尺寸和数量。因此本方法将加以优化,以便也限制尺寸超过约0.2微米的光点缺陷数,同时保证得到合格的GOI值(亦即,至少约50%,60%,70%或更多的GOI值)。更具体地说,通过以上述方式控制热过程,可以控制主体中大光点缺陷的密度和均匀度,同时还限制较小的缺陷数,如对GOI产生负影响的FPDs。
因此,通常是,本方法能将单晶硅锭制备成在主体的基本部分(亦即,约70%,80%,90%或更多)上具有比较均匀的FPDs密度,该密度通常少于约150个缺陷/cm2,优选的是少于约100个缺陷/cm2,更优选的是少于约75个缺陷/cm2,和最优选的是少于约50个缺陷/cm2。而且,本方法能由此得到一种硅片,其中在表面上大LPDs(亦即,大于约0.2微米)数少于约20个缺陷/片,优选的是少于约15个缺陷/片,和更优选的少于约15个缺陷/片。因此,本方法能使得到的晶片满足或超过目前由集成电路制造者所提出的要求。
在这方面应该注意,FPDs和LPDs是用该技术中常用的手段检测和测量的。例如,对FPDs,富含空位的晶片通常被浸入Secco腐蚀液中约30分钟,然后在显微镜下目视检查,以便检测这些缺陷。LPDs通常是利用Surfscan 6200型或者Tencor SP-1型仪器,通过离开晶片表面的反射激光检测和测量。
还应注意,除了LPD限制之外,集成电路制造者还对硅片的栅氧化层完整性提出限制,通常是要求每个晶片当用该技术中的标准手段进行测定时,都具有至少50%的GOI。因此,通过用本发明的上述方式控制晶锭主体的热变化过程,可以使由其得到的硅片具有至少约50%的栅氧化层完整性(GOI),优选的是约60%,更优选的是约70%,还更优选的是约80%,和最优选的是约85%。因此,本方法是有利的,因为它提供了一种手段,用该手段能得到在单晶硅锭基本上是整个可用长度(亦即,至少约70%,80%,90%,95%或更多)上满足现行LPD和GOI要求的硅片。
除了在晶锭主体生长过程中控制加热器功率外,重要的是还要在尾锥生长过程中控制加热器功率。更具体地说,虽然在主体和尾锥二者在整个生长过程中侧面加热器功率保持基本上恒定,但在整个主体和尾锥的生长过程中加到底部加热器上的功率一旦起动通常是增加的。如上所述,在某些实施例中,功率是沿着一条二次曲线增加的,如图3中所例示的。而且。应该注意,在尾锥的生长过程中,加到底部加热器上的平均功率,通常是在主体生长过程中加到底部加热器上平均功率的至少约110%,更优选的是具有平均功率水平至少约200%,300%或甚至400%。
然而,应该注意,即使在生长过程中在底部加热器功率中有这些增加,但在大多数情况下,加到底部加热器上的平均功率只是加到各加热器元件上总功率的一小部分。更具体地说,在尾锥的生长过程中,加到底部加热器上的功率通常只是在尾锥的生长过程中加到侧面加热器上的平均功率的5%和约15%之间。
关于侧面加热器功率,如前所述,优选的是在整个生长过程中(亦即,主体及尾锥二者生长),这个侧面加热器功率保持基本上恒定。然而,在尾锥的生长过程中,此功率水平可以改变,所加的平均功率常常是在主体生长过程中加到侧面加热器上平均功率的约90%和约110%之间的范围内。
除了控制加热器功率和拉晶速率之外,在主体和/或尾锥的生长过程中还可以调节晶锭和坩埚的旋转速率。通常,在主体生长过程中,晶锭的旋转速率和坩埚的旋转速率分别保持在约10rpm-约15rpm之间和约5rpm-约10rpm之间。在尾锥的生长过程中,这些旋转速率的其中之一或二者通常增加,同时在尾锥生长过程中的平均值小于主体生长过程中相应的平均值。例如,在尾锥生长过程中晶锭的旋转速率优选的是小于约10rpm,而在尾锥生长过程中坩埚旋转速率优选的是小于约6rpm。更优选的是,晶锭和坩埚的旋转速率下降。最优选的是,晶锭和坩埚的旋转速率分别从约10rpm下降到约5rpm,和从约6rpm下降到约1rpm。
本发明的方法特别适合于改善从单晶硅锭得到的硅片中的栅氧化层完整性,同时限制超过约0.2微米的LPDs数,上述单晶硅锭是在下述生长条件下于“缓慢冷却”热区中制得的,该生长条件使硅晶格空位成为晶锭主体的基本部分,优选的是其整个长度部分,主要的本征点缺陷。一般来说,可以通过控制V/G0比使单晶硅锭生长成“空位型”,控制使这个比值大于V/G0的临界值(根据目前可获得的信息,该临界值V/G0似乎约为2.1×10-5cm2/sK,此处G0是在下述条件下测定的:其中,在由固化温度和一大于约1300℃的温度所限制的温度范围内,轴向温度梯度是恒定的)。在例如PCT/US98/03686,PCT/US98/07365和PCT/US98/07304中详细讨论了V/G0比的控制方法,此外将它们作为参考文献包括在本文中。
正如在下面例子中所说明的,本发明的方法可以更精确地调整单晶硅锭的热变化过程。通过调节加到侧面加热元件和底部加热器元件上的功率分配,改善了晶体热变化过程的均匀性。功率的控制分配也因允许更恒定的晶体拉晶速率/生长速率而改善了热过程的均匀性。结果,按照本发明制备的单晶硅锭,可以用该技术中常用的手段进一步加工,以便在具有改善的栅氧化层完整性和较少光点缺陷的整个晶锭长度上,始终如一地生产单晶硅片。
例子说明了对可以用来获得所希生结果的条件的特殊见解。然而,应该注意,根据象晶锭的标称直径,热区设计,坩埚直径和装料尺寸这些参数,可能最好是在生长过程中的某些点处,改变这些条件,例如调节生长速率,晶锭和坩埚的旋转速率,及加到加热器上的功率。因此,这些条件不应按限制的意义看待。
例子
按照本方法,一些单晶硅锭是按照Czochralski法,在保证空位是硅内主要本征点缺陷(亦即,晶锭是空位型)的条件下生长而制得的。具体地说,每个晶锭成长成具有标称直径约200mm和主体长度约850mm,每个晶锭都是从装有100kg多晶硅料的22英寸直径坩埚中拉出。在所有情况下都应用具有“缓慢冷却”热区结构的铁磁流体学(Ferrofluidics)拉晶机。
在主体生长过程中,拉晶速率在从约0.6至约1mm/分的范围内(为了,其中包括,保证硅保持空位型起见,必要时调节该速率)。晶锭的旋转速率约为15rpm,而坩埚的旋转速率在从约6rpm至约8rpm范围内。在主体和尾锥生长过程中加到侧面加热器上的功率基本上是恒定的,通常是在约120KW至约130KW范围内。加到底部加热器上的功率在主体已生长了约一半(亦即,约400mm)之前保持断电,在主体生长了约一半的那一点处开始供电,并沿着一条二次曲线缓慢增加到最终约30KW的水平。更具体地说,在约400mm-约850mm的轴向位置上,功率从约0KW增加到约10KW。当尾锥的生长开始时,为了开始逐渐变细,必要时增加坩埚和/或晶锭的旋转速率,或者可供选择地增加生长速率,并将电源功率从约10KW增加到最终约30KW的数值。
为了比较起见,对一些单晶硅锭除了在生长过程中不用底部加热和增加侧面加热器功率之外,其余都按同样方式(亦即,用样的生长速率、晶锭和坩埚旋转速率、拉晶机/热区结构等)进行制备。更具体地说,在整个过程中底部加热器都保持断电,同时在主体生长约一半之后,将侧面加热器功率逐渐地从约120KW增加至约140KW。另外,一当尾锥开始生长,将侧面加热器功率从约140KW增加至约160KW。
一旦生长好了,就用该技术中常用的手段将每个晶锭的主体切成许多晶片,然后将这些晶片按照它们从中得到的晶锭主体20%区段进行分组。然后用该技术中常用的手段,对这些晶片分析超过约0.2微米的LPDs的存在。本发明的方法所得的结果在图10a-10e中示出,而从不用恒定的侧面加热器功率/底部加热生长的那些晶锭所得到的对照结果在图9a-9e中示出。如上详述,可以看出,当侧面加热器功率增加时,在晶锭后面部分中超过约0.2微米的LPDs数显著增加。
鉴于上述情况,可以看出,本发明的几个目的都达到了。因为在不脱离本发明范围的情况下可以在上述工艺条件上作各种改变,所以应把上面说明中所包括的所有情况都看成是例证性的,并且没有限制的意义。
Claims (26)
1.一种用于控制单晶硅锭在生长过程中的热过程的方法,该硅锭是按照Czochralski法从硅熔体中拉出,该硅锭按顺序具有籽晶锥,主体,和尾锥,该方法包括:
在晶锭主体生长过程中,在一从固化温度到不低于约1325℃的温度范围内,控制(i)生长速度,V,和(ii)平均轴向温度梯度,G0,以使得空位是所述主体中主要的本征点缺陷;和
在主体生长过程中用侧面加热器和底部加热器加热硅熔体,在所述主体和所述尾锥生长过程中,将侧面加热器保持在一基本上恒定的功率水平。
2.根据权利要求1所述的方法,其中在主体生长过程中,底部加热器功率在主体生长了约40%之后起动。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,在主体生长过程中,底部加热器功率是在主体生长了约50%之后起动。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,在主体生长过程中,底部加热器功率是在主体生长了约60%之后起动。
5.根据权利要求2,3或4所述的方法,其中,在尾锥生长完成之前,底部加热器功率按约0.01-约0.05KW/mm增加。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述主体具有一低于约1℃/mm的平均轴向温度梯度。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述主体具有以低于约0.5℃/mm的平均轴向温度梯度。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述晶锭主体的至少约75%具有少于约100个缺陷/cm2的流图缺陷浓度。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,所述晶锭主体的至少约85%具有少于约100个缺陷/cm2的流图缺陷浓度。
10.根据权利要求1所述的方法,其中,在所述主体和所述尾锥生长过程中,侧面加热器功率保持在约120KW和约130KW之间。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,底部加热器一旦起动,功率就从约0KW增加到少于约25KW。
12.根据权利要求1所述的方法,其中,让晶锭主体的基本部分在约1000℃和约1100℃之间停留约25-约100分钟。
13.根据权利要求12所述的方法,其中让晶锭主体的基本部分在约1000℃和约1100℃之间停留约50-约75分钟。
14.根据权利要求1所述的方法,其中,将硅锭主体的基本部分切片,以便得到具有少于约20个其尺寸小于约0.2微米的光点缺陷的硅片。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,所述晶片是从晶锭主体的至少约85%上得到的。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述晶片是从晶锭的至少约95%主体上得到的。
17.根据权利要求14,15或16所述的方法,其中,所述晶片具有少于约15个其尺寸小于约0.2微米的光点缺陷。
18.根据权利要求14,15或16所述的方法,其中,所述晶片具有至少约70%的栅氧化层完整性。
19.根据权利要求14,15或16所述的方法,其中,所述晶片具有至少约80%的栅氧化层完整性。
20.一种用于制备单晶硅锭的方法,由该硅锭可以得到具有至少约50%的栅氧化层完整性值和少于约20个其尺寸超过约0.2微米的光点缺陷的单晶硅片,该单晶硅锭按照Czochralski法从硅熔体中拉出,在生长过程中,对生长速度,V,和平均轴向温度梯度,G0,在从固化温度到不低于约1325℃的温度范围内进行控制,以使其中空位是主要的本征点缺陷,所述晶锭按顺序具有籽晶锥,主体,和尾锥,该方法的特征在于:在所述主体和尾锥生长过程中,侧面加热器功率保持基本上恒定,而用底部加热器从硅熔体下面加热,以防熔体重新固化。
21.根据权利要求20所述的方法,其中,所述晶片具有至少约70%的栅氧化层完整性。
22.根据权利要求20所述的方法,其中,所述晶片具有至少约80%的栅氧化层完整性。
23.根据权利要求21,22或23所述的方法,其中,所述晶片具有少于约15个超过约0.2微米的光点缺陷。
24.根据权利要求21,22或23所述的方法,其中,所述晶片具有少于约10个超过约0.2微米的光点缺陷。
25.根据权利要求20,21或22所述的方法,其特征还在于,所述晶片从所述晶锭主体的至少约85%上得到。
26.根据权利要求20,21或22所述的方法,其特征还在于:所述晶片从所述晶锭主体的至少约95%上得到。
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Legal Events
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---|---|---|---|
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |