CN1540042A - 硅单晶的生产方法及装置、硅单晶和硅半导体晶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据左科拉斯基法自保持在转动坩埚内的熔体中抽拉出单晶以生产硅单晶的方法，该单晶在一生长结晶面处生长，并通过一流向生长结晶面的热通量将热量特意地供给至生长结晶面的中心。本发明还涉及硅单晶，该硅单晶的氧含量为4×10¹⁷厘米^－3至7.2×10¹⁷厘米^－3、硼或磷的径向浓度变化低于5％并无聚集的固有点缺陷，并涉及由该硅单晶分离出来的半导体晶片、以聚集的空位缺陷(COPs)作为唯一的固有点缺陷类型的半导体晶片、以及具有特定其它缺陷分布的半导体晶片。

Description

硅单晶的生产方法及装置、硅单晶和硅半导体晶片

技术领域

本发明涉及一种根据左科拉斯基法(czochralski method)从保持在转动的坩埚内的熔体中抽拉出单晶以生产硅单晶的方法，其中该单晶在一生长结晶面(或结晶前沿)处生长，本发明还涉及硅单晶以及由该硅单晶分离出来的半导体晶片。

背景技术

众所周知，生产直径200毫米或更大的单晶代表着一项重大挑战，其原因在于在尽可能小的公差范围内特意调节径向晶体特性极为困难。这适用于杂质或掺杂物的浓度，特别适用于晶体缺陷、固有或自我点缺陷(self-point defect)及其聚集体。固有点缺陷包含填隙硅原子(硅自有空隙)以及空位，这些空位是在单晶生长结晶面处形成。这些空位主要确定以后单晶内所发生的径向以及轴向缺陷分布，而且这些空位还影响所发生的杂质分布。例如，空位是导致氧沉淀的原因。当这些空位尺寸超过约70纳米时，氧沉淀物形成氧致堆垛层错(OSFs)。这些空位本身可结合成聚集体并形成所谓的COPs(结晶起因微粒)。填隙原子的聚集体形成局部晶体位错，由于所用检测方法的原因，这些局部晶体位错也称为LPITs(大型腐蚀坑)。生长结晶面处以及固化单晶内的氧浓度以及热状况可确定晶体缺陷以及杂质的特性及分布。

抽拉单晶时的热状况由热源(即所用加热元件)以及固化期间所释放的结晶热体现出来。例如，经由熔体内的流动，通过辐射、热传导以及热输送将热能转移至单晶。生长结晶面附近热量的移除主要取决于单晶边缘所辐射的热以及单晶的热耗散。总体而言，拉晶系统的设计(即经由热传导部件的几何配置以及热屏蔽)以及额外的热源可影响热预算。加工条件，例如生长速率、透过拉晶系统的惰性气体的压力、数量、种类以及流速实质上进一步影响热平衡。例如，增加惰性气体的压力以及数量将降低温度。较快的拉晶速率可产生更多的结晶热。

熔体内输送热的流动极难预测。通常围绕坩埚呈环状配置的加热元件会在熔体内产生对流作用。结合单晶及坩埚常用的逆向转动，这将导致熔体内的运动模式，其特征是，坩埚边缘处的熔体向上流动以及生长中单晶的下方熔体向下流动。

如若干实验所显示，熔体的运动还与坩埚以及单晶的转动角度和方向有关。例如，同向转动及逆向转动可产生极不相同的对流模式。通过同向转动进行拉晶已经被研究(苏莱纳/胡伯，晶体8，斯普林格尔出版公司，柏林海德堡，1982，第44至46页)。与同向转动相比，通常以逆向转动为佳，这是因为逆向转动可导致富氧物质较少以及晶体生长条件的稳定性大幅提高。同向转动的变通方法通常在工业上不被采用。

在熔体内输送热以及氧的流动体也可被由所施加的电磁场所导致的力影响。静态场或动态场可改变熔体内流动体的角度和方向，因此可获得不同的氧含量。这些电磁场主要用以控制氧。磁场有许多使用方式，例如静电磁场(水平、垂直和CUSP磁场)、单相或多相交变磁场、转动磁场以及移动磁场。例如，根据专利申请US-2002/0092461 A1，为控制混入单晶的氧，采用一移动磁场。又如，在发表于晶体生长学报230(2001)第92至99页、名称为“在稳定和动态磁场的影响下，大直径CZ-晶体生长中硅熔体流动的数字研究”的文献中，给出了磁场对熔体运动的影响的最新数字模拟。

晶体生长结晶面处的径向温度分布对晶体的特性极为重要。该径向温度分布主要取决于单晶边缘所辐射的热量。通常，单晶边缘处的温度下降远比其中心处更为显著。轴向温度下降通常以G(轴向温度梯度)表示。其径向变化G(r)主要确定固有点缺陷分布以及其它晶体特性。由热预算所产生的温度梯度G的径向变化通常可通过数字模拟计算确定。由不同生长速率下径向晶体缺陷分布的特性可以实验方式确定温度梯度的径向变化。

就晶体缺陷的产生而言，比率V/G(r)非常重要，其中G(r)是单晶生长结晶面处的轴向温度梯度，且视单晶内的径向位置(半径r)而定，V是自熔体抽拉单晶的速率。若比率V/G大于一临界值k1，则容易发生空位缺陷(空位)，例如，这些空位可聚集而被识别为COPs(晶体起因微粒)。根据检测方法的不同，这些空位缺陷有时称作LPDs(光点缺陷)或LLSs(局部化光散射点)。由于V/G呈径向递减方式分布，最大的COPs最常发生在晶体中心。通常其直径约为100纳米，因而导致元件制作方面的问题。COPs的尺寸和数目由空位的初始浓度、冷却速率以及聚集过程中杂质的出现决定。例如，氮的出现将导致尺寸分布朝着较小COPs的方向移动且缺陷密度较大。

若比率V/G低于一临界值k2(小于k1)，则固有点缺陷则主要以填隙原子(硅自有空隙)的形式出现，这些填隙原子也可形成聚集体且在显微镜下看为位错环。这些位错环经常称作A涡旋，较小者则形成B涡旋或因其外观所致则简称LPIT缺陷(大腐蚀坑)。LPITs的大小通常高达10微米。通常，即使外延层也不能将这些缺陷完全加以覆盖。这些缺陷同样也可损及制作在硅晶片上的电子元件的功能。

以最广义而言，凡既不发生空穴聚集作用又不发生填隙原子聚集作用的区域(即V/G处于k1和k2之间的区域)被称作中性区域或完美区域。晶体自过量空位转变至过量填隙原子时的V/G值位于k1和k2之间，且在文献中称作临界极限C_crit＝1.3×10^-3厘米²分钟^-1K^-1(安蒙，晶体生长学报，151，1995，第273至277页)。但是，以更狭义而言，仍有自由未聚集空位的区域与自由填隙原子的特殊区域也有显著差异。也称作V区域(空位)的空位区域的特征是，若单晶的氧含量足够高，该处可产生氧致堆垛层错，而i区域(空隙)仍保持完全无缺陷。所以，以更狭义而言，仅i区域是实际上的完美结晶区域。

直径超过约70纳米的大的向内生长的氧沉淀物也可显示为氧致堆叠层错(OSFs)。为此，自该单晶切割下来的晶片被施以特别的热处理(称作湿氧化作用)。拉晶过程中所产生的氧沉淀物(有时也称作长成的BMDs，大量微缺陷)的生长速率由硅晶格内的空位予以促进。因此，OSFs主要在V区域内产生。

若拉晶条件可加以适当调节以使缺陷函数V/G(r)的径向分布位于COP或LPIT形成的临界范围内，则单晶将实际上无缺陷。但是，这种情形不易得到，尤其是当抽拉的单晶直径相对较大时，这是因为G值主要因径向位置r而异。通常，由于辐射热损失，晶体边缘处的温度梯度G远大于中心处。

缺陷函数V/G(r)或温度梯度G(r)的径向分布可导致自单晶切割下来的半导体晶片上具有数个缺陷区域。COPs最好发生在中心位置。聚集空位的尺寸分布由生长结晶面附近单晶的冷却速率记录下来。通过高的冷却速率(超过2K/分钟)或在熔点至约1100℃的温度范围内的短暂驻留时间，或者通过将氮掺入熔体内，可以将COPs的尺寸分布自少数大型COPs转变成许多小型、低度混乱的COPs。此外，在COP区域内，发现这样的径向尺寸分布，即随着半径的增加，将形成更小的缺陷。由于空位与氧沉淀物的相互作用，继COP区域之后是一氧致堆垛层错环(OSF)。在此区域之外则是一完全无缺陷的区域，该区域再与一具有由空隙聚集体(LPITs)组成的晶体缺陷的区域邻接。在单晶边缘处，该间隙原子随热条件的改变而扩散，所以该处也可产生一厘米宽的无缺陷环。

艾顿逊/普沙诺夫在《无机材料》，第33卷、第3期，1997，第219至255页中，曾详细讨论了发生晶体缺陷的区域与径向V/G分布的关系。该文章曾提出一些制造无缺陷材料的可能方法。聚集作用过程中温度范围内的冷却速率、掺氮效果以及例如使生长速率波动的方法在本文中被引用。

例如，美国专利US-6153008中曾建议在固化结晶面附近利用被动或主动的热屏蔽件可达到某种程度的V/G(r)的径向均匀化。绝大多数文献涉及到由于热屏蔽件的改变而导致的对冷却特性的影响。但是，在已知的现有技术中，尤其在大的晶体直径的情况下，通过上述方式无法达到足够的径向V/G均匀化以生产完美的硅晶体。通过杂质，例如氮或碳，以及氧，可以影响缺陷分布的大小以及定位，从而也可影响杂质(例如氧)的沉淀作用。因此，能够特意地产生以及控制轴向和径向杂质分布非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，该方法可特意地形成顾客所需单晶(甚至大的晶体直径)内的缺陷分布，从而可制得尽可能多的具有特定单晶特性的半导体晶片。就此而言，本文中对仅有COPs(尤其具有预定大小及分布密度)的半导体晶片以及无固有点缺陷聚集体(完美硅)的半导体晶片特别感兴趣。然而，具有堆垛层错环(环晶片)、具有两种固有点缺陷或仅有一种固有点缺陷以及具有预定氧浓度或特别氧沉淀的半导体晶片也可由顾客特别指定。

本发明涉及一种根据左科拉斯基法自保持在转动坩埚内的熔体中抽拉出单晶以生产硅单晶的方法，该单晶在一生长结晶面处生长，其中，通过一流向生长结晶面的热通量将热量特意地供给至生长结晶面的中心。

本发明还涉及硅单晶，该硅单晶的氧含量为4×10¹⁷/厘米^-3至7.2×10¹⁷/厘米^-3、其硼或磷的径向浓度变化低于5％、无聚集的固有点缺陷以及可选地掺杂有氮和/或碳。氧浓度的径向变化(ROV)以最多5％为佳，尤以最多2％更佳。

本发明还涉及硅半导体晶片，该硅半导体晶片以聚集的空位缺陷(COPs)作为唯一的固有点缺陷类型，这些缺陷的平均直径的变动低于10％且出现于半导体晶片的一圆形表面上，该圆形表面的直径至少为半导体晶片直径的90％。

最后，本发明还涉及具有特定其它缺陷分布的半导体晶片。

在分析所实施的拉晶试验时，已经发现，比率V/G(r)的不充分径向均一化与自熔体向生长结晶面中心供给的不适当热量有关。过去，未认识到熔体的热供给对生产完美硅晶体的重要性。根据本发明，建议特意(或专门)地将热量供应至生长结晶面的中心，以使得每单位时间内到达生长结晶面中心的热量多于到达该中心周围的生长结晶面的边缘区域的热量。这一点可通过一作用在生长结晶面中心的热源和/或借助熔体中心处的向上熔体流动达到。除了流向生长结晶面的轴向热通量的重要性外，还发现，在生长中的单晶的5厘米以下的区域中，与生长结晶面平行的熔体内的等温分布对径向均质化特别有利。以熔体中的轴向温度梯度Gs(r)表示，其中熔体中的温度梯度的径向变化不高于15％的温度分布应在生长结晶面以下5厘米并至少为该单晶直径的90％的区域内产生。Gs(r)的径向变化最好小于10％，少于3％尤佳。因此，本发明提供了适于精细设计缺陷控制或生产完美硅的条件

特别从生产完美硅的角度看，试验显示，本发明的方法对抽拉速度的波动具有特别的容许度。例如，即使在抽拉速度波动±0.02毫米/分钟(特别优选为±0.025厘米/分钟或以上)的情况下，也可以拉出无聚集点缺陷的直径至少为200毫米的硅单晶，该波动范围指至少30毫米的单晶。该事实将显著提高产量，而并不需要增设用于控制抽拉速率的额外的错误倾向调整装置。

根据本发明的一个具体实施例，流向熔体中心的热通量通过由坩埚与生长单晶的同向转动所形成的向上熔体流动的方式产生，该坩埚以单晶转动速度的至少10％的速度转动。但是，由于单晶的氧含量增加到技术上认为浓度不适当的程度，最好以施加一磁场的方式阻碍氧气进入晶格。例如，产生与坩埚壁平行的向上流动或向下流动的移动磁场(TMFs)或减缓坩埚边缘附近的熔体运动的静态CUSP磁场均适于上述目的。通过所述磁场，氧含量可以降低至6.0×/10¹⁷厘米^-3以下，且同时可稳定生长条件。高达3000安培的电流以及高达50的线圈匝数可优选用于产生所需的磁场。

根据本发明的另一具体实施例，流向生长结晶面中心的热通量也可由热源产生，该热源旨在特意地提高坩埚底部中心的温度(与底部边缘的温度相比)。坩埚底部中心(即单晶的生长结晶面中心部位下方的区域)的温度比坩埚底部边缘的温度至少高2K，优选至少高5K，且最好至少高10K。本发明的另一具体实施例采用了加热电阻(器)，其安装于坩埚底部中心，或者安装在坩埚底部中心下方的坩埚轴上。替代加热电阻，也可采用感应线圈，其在中频至高频(50赫兹至500赫兹)下工作。由线圈产生的该电磁力驱动流向生长结晶面中心的向上流动。该熔体还从坩埚底部的中心加热。根据几何配置的不同，需要在1kw至60kw范围内的热能。

根据本发明的另一具体实施例，在传统的用于生产具有至少200毫米的直径的单晶的抽拉系统中出现的底部加热器被利用，以从坩埚底部中心加热熔体，并利用绝热措施确保底部加热器在坩埚底部中心处的加热强度高于坩埚底部边缘。为此，一个填充有绝热材料的同心间隙设置在基板和/或坩埚的外部区域上，以使石英坩埚在外部区域上被更好地绝热。该基板承载着坩埚且一石墨外坩埚环绕着后者。当利用底部加热器加热时，由于基板中或坩埚的环形外部绝热件的作用，热量主要仅仅在石英坩埚的底部中心供应给熔体。例如，石墨板或石墨毡适于作为绝热材料以填充基板和/或外部坩埚的间隙。所需底部加热器的功率最好在20kw至80kw的范围内，其高于传统功率。绝热件也可整体结合到坩埚轴中，以使经由坩埚轴向下的热耗散降至最低。

根据本发明的另一具体实施例，为特意将热量供给至生长结晶面的中心，采用了安装于在熔体内生长的晶体的中心下方的热源。例如，可将一电动石墨加热元件嵌入于石英中，或采用由其它工艺相容材料构成从而使之免受熔体侵蚀的加热元件。

根据本发明的另一具体实施例，流向生长结晶面中心的热通量通过电磁场产生，其中熔体暴露于该电磁场中，且通过至少屏蔽坩埚壁面积的10％的方式使得该电磁场被部分屏蔽，以抵抗该电磁场对熔体的作用。产生这种热通量的一种特别适宜的方法为利用移动磁场。磁场力取决于屏蔽材料、流过用于产生磁场的线圈的电流的振幅及频率。金属材料可用作磁屏蔽件，例如可将厚度为厘米级的铜板安装在磁线圈和坩埚之间，其因此可使坩埚壁的一部分区域以及位于其后的熔体免受磁场的影响。由两个相互对置的板组成且每个板具有90度顶角的屏蔽件被证实特别有效。优选使用从10赫兹至1000赫兹的频率。当采用移动磁场且具有呈矩形铜板的局部屏蔽件时，特别适宜采用30赫兹至100赫兹的频率。优选采用高达500安培的电流强度和高达50匝的线圈数以生产该移动磁场。至少为3rpm的快速坩埚转动可降低磁场作用，因此向生长结晶面的额外热量的预定供给将受到坩埚转动速度的影响。坩埚内的熔体量应被考虑，因为作为熔体量的函数可形成不同的熔体流动模式。必要的条件，即磁场、屏蔽的比率以及抽拉工艺参数如坩埚转动等中的每一个可粗略地通过实验和近似模拟计算得到，其中它们均作为熔体量的函数。

本发明的上述具体实施例可与众所周知的适于使轴向温度梯度G(r)均质化的其它措施相结合。优选的结合为将热量额外供给至由生长的单晶、周围气氛以及熔体形成的相界。例如，这一点可通过采用美国专利US-6,153,008所揭示的热屏蔽件/隔热罩的方式实现。特别有利的是，采用如本申请所述的位于该热屏蔽件的下边缘上的加热元件。如US-5,567,399中所述，也可将一作用在单晶上的冷却器另外安装在该加热元件上。这样可提高抽拉速率以及可进一步调整G(r)的径向均质化。加速冷却以及上述进一步的措施使得残余的COPs显著减小。这些COPs的尺寸大小可以由此而处于临界值以下，这样，这些缺陷将不再对元件功能产生任何影响。

附图说明

本发明将借助附图更详细地描述本说明。其中：

图1为根据本发明的方法的原理的示意图。

图2示出了作为单晶半径的函数的比率V/G(r)的分布曲线。

图3示出了传统的左科拉斯基法(单晶和坩埚逆向转动)中的典型熔体流动。

图4示出了熔体内的轴向温度梯度G(r)的典型分布曲线。

图5、图6分别示出了实施本发明时的熔体流动模式以及轴向温度梯度Gs(r)的分布曲线。

图7至图13示出了本发明的优选实施例的各种配置。

图14示出了根据图11的配置，其中还提供了加热和冷却元件。

图15至图17示出了本发明的一些例子，并示出了各种晶体区域的缺陷类型的分布。

具体实施方式

图1为本发明原理的示意图。单晶1在生长结晶面2上生长，热通量3通过熔体被特意地供给至该生长结晶的中心。借助于所示的额外的轴向热供给，可在足以生产完美硅的生长结晶面上实施径向温度梯度G(r)的均质化或建立对于具有至少200毫米的大直径的单晶的特定/精细缺陷控制所需的温度梯度G(r)。G(r)均质化的品质由熔体内的温度分布所指示。特别优选的是，熔体内所建立的轴向温度梯度Gs(r)具有尽可能小的径向变化，以获得所示的与生长结晶面平行的等温分布7。

本发明的方法的有效性通过图2所示的针对具有300毫米的直径的单晶的比率V/G(r)的曲线得以显示，其中该比率V/G(r)作为单晶半径的函数。如曲线(c)所示，根据本发明，通过单晶与坩埚的同向转动产生的熔体内流向生长结晶面中心的热流导致了极显著的V/G(r)的轴向同质化。与之对照，根据不同设计(a)和(b)(并非根据本发明)借助于热屏蔽所期望的均质化并不足以生产完美硅。随后的附图以模式计算结果的方式对比了本发明的中央热通量(图5和图6)与传统的熔体对流(图3和图4)的效果。

图3示出了产生于传统左科拉斯基法中(单晶与坩埚逆向转动)的典型熔体流，其以朝向坩埚底部的轴向流动为特征。在这种情况下，图4所代表的温度条件是在生长结晶面以下几厘米处获得的。Gs(r)显示出作为半径的函数的显著变化。该晶体直径中的Gs(r)的径向变化约为17％。

当实施根据本发明的方法时，其条件则显著不同。例如，根据该实施例，熔体暴露于由两个屏蔽件产生的不对称移动磁场中，其将至少10％的坩埚的壁区域屏蔽。图5所代表的熔体流型式或图案显示了朝向生长结晶面的轴向熔体流。与图4相比，该熔体流的热传送导致了生长单晶下方的流体中的熔体内的显著不同的温度分布(图6)。可见，在熔体内呈现出显著的更加均质化的温度梯度Gs(r)，其提供了单晶中的固有点缺陷、杂质以及掺杂物的理想的轴向均质化。在一硅熔体内，Gs(r)的径向变化低于15％。在图6所依据的条件下，Gs(r)的平均径向变化为7％。

图7至图13代表本发明的优选实施例各种配置。加热元件在图7至图10中扮演着主要角色，其可设计成加热电阻器、感应加热器或辐射加热器，并分别安装在生长单晶下面的不同位置上。每一加热元件起到热源的作用，其产生朝向单晶生长结晶面中心的热通量。为了增强加热元件的效果，绝热元件6(如石墨片或石墨毡)可安装在石英坩埚下面的环内，尽管不是位于坩埚底部中心的下面。它们阻碍在轴向以外向熔体供给热。为了将加热效果集中在朝向生长结晶面中心的熔体流中，具有较高或极高热传导率的元件(例如由石墨或其它工艺相容材料制成)可嵌入坩埚底部中心。在每种情况下，通过加热元件供给的能量应适应于几何形状以及与工艺有关的工况，并且例如必须根据坩埚内的熔体余量重新调整，其中该熔体余量随着晶体的生长逐渐减少。

图7示意性地示出一种配置，其中，除了传统的主加热器4之外，还具有一附加加热元件8，其作为位于石墨外部坩埚5的下面的一坩埚底部加热器，并借助于绝热件6产生向上通向单晶1的生长结晶面2的中心的热通量3。绝热件6可成一体地形成于外部坩埚和/或承载着该外部坩埚的基板中。该附加坩埚底部加热器8的加热功率优选大于主加热器的加热功率的2％，以生产出有效的热通量。坩埚底部加热器可以例如设计为由石墨制成的加热电阻器，并可随意构造，以便其可以平移。所需加热功率必须适应各熔体量(视已固化的晶体长度而定)。其处于大于5kw的范围内。

图8代表其它设计特征，其导致坩埚中心的改进热传递。例如，中央热通量可通过一位于石英坩埚中心的加强材料基底(例如外部坩埚的中央增厚部12)增强。为阻止经由坩埚轴的热散逸，可插入隔热元件16。

根据图9的配置，一可产生热通量的附加加热元件9成一体地结合在外部坩埚5的底部。在该具体实施例中，可使用感应加热元件或电阻加热元件，或二者的结合。

根据图10的配置，根据本发明在生长结晶面中心处所需的热通量由布置在生长单晶的生长结晶面的下面的熔体中的加热元件10产生。为此，可采用石英包层石墨加热器，例如在图10A中以放大比例显示的加热区具有曲折构造的加热器。

根据图11的配置，流向生长结晶面中心的预定热通量3由单晶与蚶埚的同向转动产生。为此，坩埚的转速应设定成至少为晶体转速的10％。一优选的流动模式11在熔体中建立。在抽拉过程中，为了补偿变化的热预算，可能需要坩埚或晶体转动的额外变化。由坩埚与单晶的同向转动所致的熔体内的高的氧含量可由作用在主要处于坩埚边缘区域中的熔体上的磁场予以降低。静磁场以及CUSP磁场特别适宜，并便于使熔体内的氧含量低于6.0×10¹⁷厘米^-3而无需损害根据本发明的工艺条件。

根据图12的配置，流向生长结晶面中心的预定热通量3由坩埚和单晶之间的静态电场产生。为此，超过100伏特的正电压必须施加于坩埚上。一优选的流动模式11在熔体中建立。

根据本发明，其它优选实施例涉及使用电磁场，由于施加于熔体上的力的缘故，其产生的热通量垂直于生长结晶面，该作用在熔体上的力通过屏蔽掉坩埚壁面积的至少10％的方式被限制。产生该磁场的线圈可布置在拉晶系统的外部或内部。这种类型的一实施例包含部分屏蔽的移动磁场。图13示出了一适宜的配置，其具有在生长结晶面2处生长的单晶1、由移动磁场产生并通向生长结晶面的中心的热通量3、以及环绕着坩埚布置的环形加热元件4。一优选的流动模式11在熔体中建立。移动磁场由磁体13产生，该磁体13也以环绕加热元件4的环的方式布置。已经发现，在线圈匝数高达50匝以及线圈直径大于500毫米的情况下，100安培至500安培的电流特别适宜产生该磁场。为部分屏蔽该移动磁场，两个彼此相对的屏蔽件14径向布置于磁线圈内部，因此磁场的旋转对称性被破坏，从而在屏蔽方向上形成在一定程度上与垂直方向不同的情况。该屏蔽件优选由具有90度顶角的铜板组成。这些屏蔽件将至少10％的坩埚壁面积屏蔽。

作为本发明的一特别优选实施例，图14示出了图11的实施例和一附加热源19的结合，借此，额外的热量被供给至单晶的相界、围绕该相界的外部气氛以及熔体。该热源19优选包括设计成环形的加热电阻(器)，其在相界附近环绕着该单晶1。热源19优选具有5kw以上的功率，从而单晶相界处的温度梯度G(r)将被均质化。该热源通过绝热措施与传统的热屏蔽件18相连，该热屏蔽件18确保充分屏蔽掉熔体对单晶的热辐射，并从而影响单晶内的温度分布。为此，采用具有根据需要而设计的几何形状的热屏蔽件，例如其可以由多层石墨、石墨毡、钼板或其组合构成。一附加冷却装置17布置在热源19的上方。该冷却装置17提供了调整必要的温度分布的又一种方式。此外，该冷却装置还在总体上增加梯度G，并因而有可能采用更快的抽拉速度，例如以超过0.36毫米/分钟的速度抽拉，以生产完美的300毫米晶体。静态磁场或动态磁场通过环绕坩埚布置的磁线圈13在熔体中产生，从而用于输送热量和氧的必要的熔体流动可准确地建立。

当然，本发明还涵盖上述实施例以及特征的其它结合或组合，即使这些结合并未明确提及。

例如，另一优选实施例基于图14所描述的内容，但是代替环形加热器19，提供如图8所示的局部绝热件6或如图9所示位于坩埚底部附近的加热元件9等特征部件。该实施例使得可以按照至少0.6毫米/分钟的相对较快的抽拉速率拉出具有300毫米或更大直径的单晶，其中径向温度梯度与临界值C_crit的偏差不超过10％。因此，可以提高单晶产量，由于其小尺寸及组成所产生的聚集的固有点缺陷使得在电子元件的生产过程中无生产力损失，或使生产力损失明显减少。

本发明的特别用途通过以下三个例子予以说明，其中涉及到使用如图14所示的装置生产硅半导体晶片。

借助于载流子寿命测量法(μPCD)确定未聚集的固有点缺陷区域。为此，例如，单晶的轴向部分被平滑地蚀刻、清洁、在800℃的温度下热处理4小时以及在1000℃的温度下热处理16小时，且寿命测量由随后的图像处理完成。因为所形成的氧沉淀将产生变化的寿命，因此可以探测到空位区域。

图15示出了针对一轴向晶体部分借助于μPCD测量法所确定的分布情况。该单晶通过一增加的抽拉速率抽拉。因降低的氧沉淀而表现出无结构的径向区域以由填隙硅原子主宰为特征，在其它区域则由空位缺陷居主宰地位。随着抽拉速率的增加，可观察到从聚集的填隙原子(LPITs30)经由未聚集的填隙原子31过渡到未聚集的空位32。如图15所示，取自单晶的部分位置A处的硅晶片因此具有空位32的径向区域，即使在晶片边缘处也是如此。对于超过大约5×10¹⁷升/立方厘米的氧含量，所形成的区域顺序可通过氧致堆垛层错精确测定。根据本发明的方法，热条件可以被设定，从而可以得到任何所需的预定径向缺陷分布。

通过借助Secco蚀刻(21分钟，30℃温度下)的传统方法分析聚集的固有点缺陷(COPs或LPITs)的分布，并用光学显微镜平滑蚀刻测试晶片。传统的光散射法也用于抛光晶片(SP1)上，从而具有大于90纳米的直径的较大COPs可以检测出来。为了检测较小的COPs，其在光散射测量之前通过标准蚀刻方法被放大到可量测范围，SC1处理(在过氧化氢及水性氨中，3小时)或栅极氧化层完整性测试(GOI测试)被进行。聚集固有点缺陷的详细尺寸分析通过透射电子显微镜(TEM)完成。此种测试方法已多次公开且详尽地叙述于以下文献中，例如发表于日本应用物理期刊，36(1997)，L1217-L1220，第2部分，9A/B、H·本德，J·威黑勒孟特，R·谢莫勒克的“成长于左科拉斯基硅中的八面体空位缺陷的高分辨率结构图像”。下面的例子主要涉及(100)取向的具有300毫米直径的单晶。但是，其结果也适用于其它取向例如(110)或(113)以及更大直径的单晶。

例1

硅单晶被生产，其中具有下述特性的半导体晶片可以从中分离出来：

在聚集的固有点缺陷方面，该具有300毫米直径的单晶只有聚集空位缺陷(COPs)，这些缺陷的平均直径低于50纳米并被一氧化物层覆盖，其厚度低于1纳米。该氧化物层的厚度通常超过2纳米。

图16示出了这样一种经抛光和SC1处理的300毫米硅晶片，通过激光散射法检查直径小于50纳米的小空位聚集体(小COPs)。其缺陷分布也由轴向晶体部分的测量以及GOI研究进行确认。

该半导体晶片的特别的优点在于缺陷(小COPs)在电子元件的生产中不会产生问题，这是因为，至少在该元件被整合的区域上，该小尺寸的聚集体以及小厚度的氧化物层可通过热处理消除。热处理不必独立实施，因为在元件制造开始时该半导体晶片在任何情况下均暴露于至少为1000℃的所需温度下。

所采用的工艺参数可从以下公式中得出，其给出了COPs的尺寸分布。

$V_{\mathrm{COPs}}\∞{[\frac{1}{q}\·(1-\frac{C_{\mathrm{crit}}}{(V/G)})]}^{\frac{3}{2}}$

COPs的尺寸分布由体积V_COPs给出。

q是在固化结晶面处在1100至约1000℃温度范围的晶体冷却速率。如上所述，缺陷函数V/G(r)描述与所出现的缺陷相关的结晶过程，临界极限为C_crit＝1.3×10^-3厘米²分钟^-1K^-1。

结晶过程的典型正比因子确定之后，COPs的尺寸分布可通过V/G以及冷却速率调整。

在所讨论的例子中，在1100℃至950℃的温度范围内的冷却速率由相关模型模拟计算确定为大约0.8℃/分钟。为此，对于50厘米处的圆柱形晶体位置，坩埚转速与晶体转速之比为1∶2，主加热器4、底部加热器8以及环形加热器19的供热量之比约为1∶0.3∶0.2。比率V/G比C_crit最多高10％。

例2

硅单晶被生产，其中具有下述特性的半导体晶片可以从中分离出来：

该半导体晶片中无聚集的固有点缺陷，其具有两个或更多个彼此分离的轴向对称区域，其中未聚集的空位作为主要的缺陷类型。该半导体晶片因此具有与图15中的部分A相应的硅晶片特性。生产这种半导体晶片的特别优点在于生产单晶期间的工艺管理被简化，因为在控制技术上需要花费较少的开支。这是因为在V/G的可容许变化方面，其具有一特别宽的工艺窗口。在该半导体晶片的情况下，空位区域中产生的氧沉淀可进一步精确调整，以满足元件制造的需要。

在该例子中，在沿柱形晶体长度大约30厘米的截面位置上，坩埚转速与晶体转速之比为1∶2.4，主加热器4、底部加热器8以及环形加热器19的热供给之比约为1∶0.3∶0.24。比率V/G接近C_crit。

例3

本例子涉及具有与例2所示半导体晶片类似的缺陷分布的半导体晶片，其区别在于，在两个或更多个彼此分离的轴向对称区域中，未聚集的填隙硅原子作为主要的缺陷类型。在该半导体晶片的情况下，该单晶生产期间的工艺管理也被简化，其理由如上所述。

该分布如图17所示。在固化结晶面处的热分布的特意或精心控制使得有可能在中心处产生由填隙原子主宰的区域31，或在径向序列中与富含空位的环形区域32交替。

所述分布是通过在固化结晶面中心提供较强的热供应的方式得到的。为此，通过热能、晶体位移以及坩埚和晶体转动连同工艺压力和氢流量控制，为每一晶体位置产生所需的热通量。

在该例子中，在沿柱形晶体长度的大约45厘米的截面位置上，坩埚转速与晶体转速之比为1∶2.1，主加热器4、底部加热器6以及环形加热器19的供热比约为1∶0.4∶0.24。比率V/G也接近于C_crit。

通过本发明，还可以获得这样的半导体晶片，其中聚集的填隙原子(LPITs)作为由填隙原子主宰的区域中的缺陷类型，尽管其尺寸如此小，以至于无可导致A涡旋的二次位错形成。

一例子还涉及这样的半导体晶片，其中聚集的填隙原子(LPITs)作为缺陷类型，尽管其尺寸如此小，以至于仍无二次位错形成。

另一例子涉及这样的硅半导体晶片，其至少一个区域中以聚集的空位缺陷(COPs)作为缺陷类型，这些缺陷的平均直径低于50纳米并由一氧化物层覆盖，该氧化物层的厚度低于1纳米，以及至少一个区域中以聚集的填隙原子(LPITs)作为缺陷类型，尽管其尺寸如此小，以至于仍无二次位错形成。

Claims (32)

1.一种根据左科拉斯基法自保持在转动的坩埚中的熔体中抽拉出单晶以生产硅单晶的方法，该单晶在一生长结晶面处生长，其特征在于，通过一流向生长结晶面的热通量将热量特意地供给至生长结晶面的中心。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，生长结晶面的曲率被减小或增大。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，生长结晶面的轴向温度梯度G(r)被调整，其中r从0延伸至生长单晶的半径。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，熔体中的温度梯度的径向变化不高于15％的温度分布在生长结晶面以下5厘米并至少为该单晶直径的90％的区域内产生。

5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，热通量由一热源产生，与坩埚底部边缘的温度相比，其特意地提高坩埚底部中心的温度。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，一底部加热器布置在坩埚下面，且绝热件被采用，以确保底部加热器对坩埚底部中心的加热强度高于坩埚底部边缘。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该热源布置在坩埚底部中心。

8.如权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，相对于坩埚底部边缘的温度，坩埚底部中心的温度至少提高2K。

9.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，一热源布置在熔体中生长结晶面的下面。

10.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该热通量由单晶与坩埚的同向转动产生，坩埚的转动速度至少为单晶转动速度的10％。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该熔体暴露于一CUSP磁场中。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该熔体暴露于一移动磁场中。

13.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该热通量由一电磁场产生，其中该熔体暴露于该电磁场中，且至少坩埚壁面积的10％被屏蔽，以抵抗电磁场对熔体的作用。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该热通量由一移动磁场产生。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该电磁场的旋转对称性被该电磁场的部分屏蔽所破坏。

16.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，该热通量由向该坩埚施加超过100伏特的正电压所产生。

17.如权利要求1至16之一所述的方法，其特征在于，额外的热量供应至单晶的相界、周围气氛以及熔体。

18.如权利要求1至17之一所述的方法，其特征在于，生长的单晶由一冷却装置冷却。

19.如权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，抽拉直径至少为200毫米的硅单晶时，在采用既无聚集空位缺陷也无聚集填隙原子缺陷产生的抽拉速率的情况下，抽拉速率的变化至少为±0.02毫米/分钟，且单晶被抽拉的长度至少为30毫米。

20.一种硅单晶，其氧含量为4×10¹⁷厘米^-3至7.2×10¹⁷厘米^-3，硼或磷的径向浓度变化低于5％，该硅单晶无聚集的固有点缺陷。

21.如权利要求20所述的单晶，其特征在于，其掺杂有氮和/或碳。

22.如权利要求20或21所述的单晶，其特征在于，径向氧浓度变化(ROV)至多为5％。

23.从如权利要求20至22之一所述的单晶中分离出的半导体晶片。

24.硅半导体晶片，其以聚集的空位缺陷(COPs)作为唯一的固有点缺陷类型，这些缺陷的平均直径变化低于10％并出现于半导体晶片的一圆形表面上，该圆形表面的直径至少为半导体晶片直径的90％。

25.硅半导体晶片，其以聚集的空位缺陷(COPs)作为缺陷类型，这些缺陷被一氧化物层覆盖，该氧化物层的厚度小于1纳米。

26.如权利要求25所述的半导体晶片，其特征在于，这些点缺陷的平均直径小于50纳米。

27.硅半导体晶片，其无聚集的固有点缺陷，并具有两个或更多个彼此分离的轴向对称区域，其中未聚集的空位作为其主要缺陷类型。

28.硅半导体晶片，其无聚集的固有点缺陷，并具有两个或更多个彼此分离的轴向对称区域，其中未聚集的填隙硅原子作为其主要缺陷类型。

29.硅半导体晶片，其以聚集的填隙原子(LPITs)作为缺陷类型，尽管其尺寸如此小，以至于无二次位错出现。

30.硅半导体晶片，其具有至少一个以聚集的空位缺陷(COPs)作为缺陷类型的区域，这些缺陷由厚度小于1纳米的氧化物层覆盖，以及至少一个以聚集的填隙原子(LPITs)作为缺陷类型的区域，尽管其尺寸如此小，以至于无二次位错出现。

31.如权利要求30所述的半导体晶片，其特征在于，该聚集的空位缺陷的平均直径小于50纳米。

32.一种根据左科拉斯基法生产单晶的装置，其包括容纳熔体的坩埚、环绕着该坩埚的加热装置、环绕着该坩埚以产生静态磁场或动态磁场的磁设备、布置在熔体上方以向单晶的相界、气相以及熔体供热的热源、环绕着该单晶的冷却装置、环绕着该单晶的热屏蔽件、以及使单晶与坩埚同向转动的控制部件。

Images