CN87101952A - 制造半导体单晶装置 - Google Patents

Abstract

一种制造半导体单晶用的装置，制造时是在半导体材料转动的同时，逐步将熔融在坩埚中的半导体材料从熔融池中提拉，并使半导体材料凝固成圆形棒条，由此制出半导体单晶棒条。该装置至少包括一长条半导体原材料、加热装置、支撑装置和表面镇静装置。加热装置用以加热初始原料体以便在料下端形成熔体，支撑装置用以通过预定缝隙将料体支撑在熔融池上方，表面镇静装置则用以防止因料体滴入熔融池表面所引起的破坏及熔融池中心表面区的凝固。

Description

本发明涉及制造半导体单晶用的装置，特别涉及连续制造均匀性优异的优质半导体单晶用的装置。

最近由于对单晶硅之类的半导体单晶的需求量与日俱增，而且半导体器件制造厂家为了提高生产率，产生了扩大半导体单晶生产装置规模和半导体单晶直径迅速加大的倾向。

在半导体单晶间歇生产装置中，由于该生产装置所固有的特性，半导体熔融池中的熔体量随半导体单晶从熔体池中的提拉和在提拉过程中的增长而减少，于是熔体池中掺杂剂的浓度增加，同时提拉和增长了的半导体单晶中的掺杂剂的分凝效应在纵向上逐步增加。换句话说，这种装置具有这样的缺点：制造出来的半导体单晶的特性沿纵向变化。

这就是说，由于掺杂剂的分凝效应，半导体单晶的电阻率随凝固过程的进行而逐步减小。例如，在互补金属氧化物半导体器件技术规格要求最严的情况下，薄片的产量能满足技术规范的要求的约小于增长了的半导体单晶长度的40%。采用连续供给原材料的方法是可以解决这个问题的。但目前的情况是，这个方法尚未付诸实践。

有关连续进料法的现有技术包括以下几种。例如，美国专利3，582，287，美国专利4，036，595，日本公开专利申请号56-164097，56-84397和59-79000提出了这样一些方法，即将半导体材料组成的原材料连续喂入熔体池中以防半导体单晶在生长过程中在质量上产生任何变化。

这样，半导体原材料连续进料法可以有效防止半导体单晶的质量沿纵向发生变化。但即使采用这种连续进料法，要生产出匀质的半导体单晶也必须满足这样一个必不可少的要求，即能令人满意地对喂入原材料进行正确的温度控制和进料速率控制。

在美国专利3，582，287公开的装置中，多晶条下端是用锥形感应线圈进行加热，使其熔融流入熔融池表面。这种装置需要将锥形感应线圈安置在熔融池表面正上方，结果感应线圈对池表面的加热不均匀，因而熔融池表面区的温度难以严加控制。

美国专利4，036，595的方法需用一个熔融半导体原材料用的坩埚和另一个提拉用的坩埚，这使结构变得更为复杂，从而使连接该两坩埚的流道管中的温度控制和极少量进料量的控制难以正确进行。

日本公开专利申请号56-164097所公开的方法是将粉状半导体原材料间歇地从一个单晶制造装置外部临时储存到装置内部的一个小型熔融坩埚设备中，再将原料在熔化状态下喂进熔融池中。这种方法和上述方法一样也需用熔融坩埚，而且装置的结构复杂。此外半导体原材料供入后是间接进行加热的，因而很难准确控制喂进熔融池中熔融料的温度。不管怎么说，间歇进料毕竟不可避免地会导致熔融料的进料速度发生变化。此外在粉状原材料生产阶段，不可能解决有杂质掺入的实质问题。

日本公开专利申请书56-84397的方法所用的装置在轴向上不对称，结果坩埚不能转动，而且从温度和掺杂挤浓度均匀性的角度来看，要生产出均质的半导体单晶有困难。

另一方面，日本公开专利申请书59-79000只采用坩埚加热器作为熔融原材料的热源，因而加热器的温度必须比间歇生产法加热器的温度高得多。结果坩埚内的径向温度梯度升高，晶体生长界面内温度的均匀性变差，因此，导致在径向单晶生长率中不均匀，以致很难保持在径向内的质量均匀。而且大大降低了晶体的生长速率。

尽管如上所述迄今提出了许多有关连续直拉法的建议，但这些建议都有许多困难，而且至今尚未付诸实践。

本发明能正确控制原材料的进料温度和进料速度（熔体表面高度）。换句话说，本发明的目的是提供一种能连续制造在径向和纵向上电阻率均匀的半导体单晶制造装置。

本发明的半导体单晶制造装置是将半导体材料从熔融池熔入坩埚中，再使半导体材料转动的同时，将其逐步提拉，使其凝固成圆形棒条，从而得到半导休单晶。该装置中至少装有一长条半导体原材料、加热装置、支撑装置和表面镇静装置。加热装置用以加热原材料体，以便在料体下端形成熔体，支撑装置用以通过预定间隙支撑所述熔融池，使料体下端的半导体熔体滴入池中，表面镇静装置则用以防止因上述料体的滴入在熔融池表面引起的破坏及池中心表面区的上述凝固部分。

根据本发明，待送入熔融池中的半导体原材料的温度可自然而准确地控制在正好高于原料熔点的温度，而且原材料可按对应于凝固量的量稳定而连续地进行滴料，并提拉成半导体单晶。

显然，根据这个原理，本发明高度精确的温度控制是自动化进行的。原因在于，虽然这是理所当然的，当原材料体达到正好高于其熔点的温度或半导体单晶最适宜生长的温度时，原材料体就开始熔化，在此熔化过程的同时，熔融料就滴入半导体料的熔融池中。

根据这个事实就可以无需影响半导体晶体界面的温度分布而确保晶体生长速度的均匀性。此外还可以通过对加热器的控制将原材料的滴入调节到适当的速度，从而轻易地控制原材料的进料速度。换句话说，可以使半导体材料熔融池中的熔体量保持恒定，而且可以防止熔融池的掺杂剂浓度发生任何变化。

图1    是本发明一个实施例的示意图。图2是从图1的Ⅱ-Ⅱ箭头方向看的视图。图3和图4是本发明另一个实施例的示意图。图5是凝固部分比例值与电阻率的关系曲线图。

参看图1和图2。图1是本发明一个实施例的示意图。图2是从图1的Ⅱ-Ⅱ箭头方向看起的视图。图中，数字（1）表示碳质坩埚，（2）是环包着碳质坩埚的加热器，（3）是保温材料，（4）是套在碳质坩埚（1）内的石英坩埚，（5）是固定在石英坩埚中的半导体材料熔融池，（6）是配置在半导体材料熔融池上方的半导体单晶生长炉，（7）是从熔融池逐步少量提拉然后凝固制取的半导体单晶圆棒条，（8）是毗邻单晶生长炉（6）配置的一对半导体原材料进料炉，（9）是通过进料炉中的一个缝隙悬挂在池表面上方的一对多晶半导体原材料棒条，（10）则是加热原材料棒下端使其熔融料滴（11）滴入熔融池（5）中用的一对高融频感应加热线圈。应该指出的是，单晶（7）可用环形护圈（12）包起来，如图3所示，或者也可以在各原材料棒（9）正下方设一个漏斗形护圈（13）。（如图4所示）在这些情况下，护圈（12）或（13）大大减少了熔融池（5）表面的破坏和掺杂剂浓度的变化。数字（14）表示将进料炉（8）中的原材料与池隔离用的闸阀，若物料不是长期连续进料时则这些闸阀不是特别需要的。此外，单晶生长炉（6）和进料炉（8）无需彼此分开。高频感应加热线圈（10）设有在对应于单晶提拉量正好高于熔点的温度下熔融原材料棒条（9）时控制半导体熔体进料速率用的熔体控制装置。

根据具有上述基本结构的本发明就可以将正好高于熔点的温度下熔融的原材料稳定而连续地喂入熔融池中而不致影响熔融池中的温度场，从而使熔体量和掺杂剂浓度保持恒定。换言之，可以防止制造出来的半导体单晶的质量在纵向和径向上产生任何变化。

将直径4英寸含有掺杂剂的原材料棒条（9）熔融成料滴，在将熔融料滴（11）喂入熔融池（5）（直径25英寸的坩埚（4））的同时长出直径6英寸长（2）米的半导体单晶或硅单晶（7）。其工序如下。令30公斤（5厘米深）左右含掺杂剂的熔融硅（5）保持在给定温度，在此情况下，将喂入的原材料棒（9）的前端降低到高频感应加热线圈（10）中，从一个高频电源给线圈（10）供电对棒条（9）加热。虽然线圈（10）与池表面之间的距离等于线圈的半径，高频感应加热对池表面并无实质性的影响。为了使喂入的原材料棒（9）的熔耗量均匀，令棒条（9）以5转/分的速度转动。为防止产生任何大量的热对流，熔融池（5）的深度最好越小越好，同时在本实验实例中，为了使温度和掺杂剂保持均匀，选用5厘米的熔融池深度。

浸入籽晶和进行颈形成工序时，将预热完毕的原材料棒（9）熔融，同时令达到正好高于熔点温度的熔融料滴（11）慢慢滴入熔融池（5）中。然后调节来自电源的供电量并以这样的方式控制原材料的进料速度，使表面液面位置始终保持恒定。这样，在这种没有位错的单晶情况下，就易于进行单晶的提拉。

应该指出的是，当原材料棒（9）消耗到一定的程度后，应熔融和喂入其它预先装入的原材料棒（9）。在此期间，闸阀（14）合上，新的原材料棒代替消耗到一定程度的原材料棒（9）。交替重复此工序就可以连续长出长条的单晶棒。晶体的其它生长条件包括令晶体以15转/分的转速转动，令坩埚以3转/分的转速反向转动，和在晶体直径恒定的部分0.75毫米/分的速度提拉晶体。

在本实验实例中，熔体表面液面位置是用原材料棒的喂入速率进行控制的;因此坩埚不需要作垂直运动。但为了细调熔体表面液面位置也可令坩埚作垂直运动。不过在这种情况下，熔融池中掺杂剂的浓度会有偏离恒定情况产生微小变化的危险。

在实验实例中，为了补充原材料棒（9），采用了两个高频感应加热线圈（10），并改变电源的接线，从而可以连续喂入熔融了的原材料。但即使只采用一个高频感应加热线圈并采用级联原材料棒（9）的方法，结果也没有多大差别。

现在参看图5，这是本实验实例制造出来的半导体单晶（对应于凝固部分的比例）在纵向电阻率分布示意图。与普通间歇式生产的分布曲线（15）比较，本发明的电阻率分布曲线（16）大体上在整个晶体长度上的变化率小于1%。考虑互补金属氧化物半导体薄片的情况时，其连续生产率几乎增加100%，相比之下常规生产率仅为40%左右。

虽然在本发明中原材料棒（9）下端的熔融是采用高频感应加热线圈（10）进行的，但也可以采用其它任何熔融方法如激光、电子束和直接通电等。另外，所提拉的半导体材料单晶（7）和原材料棒（9）也可采用硅以外的其它材料。不言而喻，原材料体的形状可以是棒形、条形、线形或带形。此外，从提高单晶生长性能和单晶质量的观点出发，也可以在本发明的结构中加上一个施加磁场以防止硅熔体产生任何流动的设备。

Claims (7)

1、一种制造半导体单晶用的装置，制造单晶时是将半导体材料转动的同时，逐步将熔融在坩埚中的半导体材料从熔融池中提拉，并使半导体材料凝固成圆形棒条，由此制造出半导体单晶棒条，该装置的特征在于，它至少包括一长条半导体原材料加热装置、支撑装置和表面镇静装置；加热装置用以加热所述原材料体以便在料体下端形成熔体，支撑装置用以通过预定缝隙将所述料体支撑在所述熔融池上方，表面镇静装置则用以防止因料体滴入熔融池表面所引起的破坏及熔融池中心表面区的所述凝固部分。

2、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，所述加热装置包括一个围绕着所述原材料体的高频感应线圈。

3、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，所述半导体为硅。

4、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，所述支撑装置包括在所述加热装置加热和熔化料体下端时转动所述原材料用的装置。

5、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，该装置还包括一个闸阀用以隔离原材料体与熔融池。

6、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，所述表面镇静装置包括一个环形护圈，该环形护圈配置在所述池中环包着池表面中心部分，晶体棒条即从该部分中提拉。

7、如权利要求1所提出的制造半导体单晶用的装置，其特征在于，所述表面镇静装置包括一个漏斗形护圈，该护圈配置在所述池中，正好在所述料体的正下方，用以接收料体滴来的料滴。

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