TW202237910A - 用於製備摻雜單晶矽錠的設備和方法 - Google Patents

Abstract

一種用於製備摻雜柴可斯基晶體的設備和方法，包括壓力容器、位於壓力容器中並能夠容納液態矽的坩堝，以及用於摻雜熔體的設備，該用於摻雜熔體的設備包括外殼、用於容納摻雜劑的儲存容器、用於輸送摻雜劑的傳送帶、用於在傳送帶上成型傾倒床的設備、管，來自傳送帶的摻雜劑可進入該管第一端，且該管第二端指向液態矽的方向並用多孔分離元件與液態矽隔開。

Description

用於製備摻雜單晶矽錠的設備和方法

本發明涉及一種根據柴可斯基（Czochralski）法製備單晶矽錠的方法，包括在坩堝中熔化多晶矽、矽摻雜、以及從在坩堝中加熱的熔體中將單晶提拉到晶種上。

單晶矽，用於生產電子半導體元件的大多數方法的起始材料，通常藉由柴可斯基法（Czochralski，CZ）製備。在該方法中，將多晶體矽（多晶矽）引入坩堝中並熔化，使晶種與熔化的矽接觸，並藉由緩慢提取（extraction）以生長單晶。

坩堝通常由含二氧化矽的材料（例如石英）組成。它通常填充有多晶矽塊和／或多晶矽顆粒，藉由設置在坩堝周圍的側面加熱器和設置在坩堝下方的底部加熱器將所述多晶矽熔化。在熔體熱穩定階段之後，將單晶晶種浸入熔體中並提升（lift）。在這個過程中，矽係在被熔體潤濕的晶種末端結晶。結晶速率基本上受用以提升晶種的速度（晶體提升速度）和熔融矽結晶的介面處溫度的影響。藉由適當控制這些參數，首先提拉被稱為「頸」的部分，以消除差排（dislocation），然後是單晶的錐形部分，最後是單晶的圓柱形部分，隨後從中取出半導體晶圓。

例如，如在US 5954873 A中所述，調整晶體提拉方法的相應操作參數係使得晶體中的所得缺陷分佈是徑向均勻的。

特別要注意確保，如果有的話，僅在低於檢測極限的情況下形成空位團聚（agglomerates of vacancies），也稱為 COPs（crystal originated particles（晶體源顆粒））。下文中將1000個缺陷／cm ³的密度理解為COPs的檢測極限。

同時，如果有的話，要注意確保間隙矽原子的團聚（稱為LPITs）僅在檢測極限以下出現。下文中將1個缺陷／cm²的LPIT密度視為檢測極限。

在特定的應用中，將一定量的摻雜劑添加到熔體中，以在矽晶體中實現所需的比電阻（specific resistance）（電阻率（resistivity））。摻雜劑通常從位於矽熔體液面（level）上方數公尺處的填充漏斗（filling hopper）引入熔體中。然而，對於揮發性摻雜劑，此過程是不利的，因為此類摻雜劑傾向於不受控制地蒸發到周圍環境中，這可能導致氧化物顆粒（即，次氧化物）的形成，所述顆粒可能落入熔體中並被併入進成長中的晶體。這些顆粒可能作為異質成核位點，並藉由引起例如差排而最終導致晶體提拉操作失敗。

某些已知的摻雜劑系統係將氣體形式的揮發性摻雜劑引入生長室。然而，這樣的系統必須在每次執行摻雜程序時手動加滿。此外，這樣的系統在操作期間不能進行加滿。因此，這樣的系統對於單獨的生長操作具有有限的摻雜劑有效負載（payload）。這樣的系統因此限制了可生長的矽塊的尺寸。此外，此類系統傾向於在生長操作期間以不受控制的方式供應摻雜劑，從而以不受控制的方式沿著生長的錠的縱軸增加摻雜劑濃度的變化。

WO 2009/113 441 A1描述了一種用於摻雜矽的方法和一種設備，其中摻雜劑被昇華並且以氣體形式供應至熔體。

WO 2014/141 309 A1描述了一種晶體提拉設備，其包括摻雜劑供應系統，所述摻雜劑供應系統包括配備有特定腔室系統的摻雜劑導管，使得固體摻雜劑不能落入熔體中但氣態摻雜劑可以進入熔體。

WO 2020/123 074 A1代表前述揭露的進一步發展，包括安裝在摻雜劑導管中的多孔分離元件，而不是所使用的腔室系統。多孔分離元件係防止在昇華過程中劇烈移動的固體摻雜劑顆粒從腔室系統中逸出，可能導致它們落入熔體中，並且可能首先降低摻雜劑操作的一致性，並且其次可能形成導致晶體差排的顆粒。

EP 0170 856 A1的說明書描述了一種在晶體提拉過程中使用傳送帶為坩堝再裝填矽的設備。這種佈置的缺點是進一步添加的矽的量可能會變化，並且因此它不適合用作摻雜劑的再裝填單元。

因此，需要改進用於摻雜矽熔體的摻雜劑供應系統，以藉由柴可斯基法生產矽摻雜塊。

因此，本發明的目的是提供一種方法和一種設備，所述方法和設備能夠藉由柴可斯基提拉法生產單晶錠，其中摻雜劑的軸向變化最小。

所述目的係藉由以下描述的方法和設備實現。

在本發明的一個方案中，一種用於製備摻雜柴可斯基晶體（doped Czochralski crystal）的設備，其包含： 壓力容器（103）， 位於該壓力容器中並能夠容納液態矽熔體（melt of liquid silicon）（101）的坩堝（113）， 以及用於摻雜該熔體的設備，其包含： 外殼（107）， 用於容納摻雜劑的儲存容器（108）， 用於傳送該摻雜劑的傳送帶（106）， 用於在該傳送帶上成型傾倒床的設備（109）， 管（110），來自傳送帶的摻雜劑可進入其第一端，且其第二端指向液態矽（101）的方向並用多孔分離元件（104）與液態矽隔開， 其中， 該用於在傳送帶上成型傾倒床的設備（109）係包括直徑小於傳送帶（106，205）寬度的半管（half-pipe），該半管一側封閉，另一側敞開，並且以使敞開側指向摻雜劑（208）的傳送方向（206）的方式安置在傳送帶（106，205）上方。

在一較佳的實施態樣中，該半管與傳送帶（106，205）之間的最小距離係小於該摻雜劑的顆粒尺寸分佈（particle size distribution）的最小尺寸。

在一較佳的實施態樣中，該在傳送帶（106，205）上成型傾倒床的設備（109）係藉由第二管（202）連接到該儲存容器（204）並且可藉由切斷設備（203）關閉，從而可以停止摻雜劑的進一步流動。

在一較佳的實施態樣中，該傳送帶（106，205）係由乾燥的氟橡膠（fluoro rubber）構成。

在一較佳的實施態樣中，該多孔分離元件（104）係由熔融石英纖維（fused quartz wool）組成。

在一較佳的實施態樣中，該外殼（107）包括載水冷卻系統（water-carrying cooling system）。

在一較佳的實施態樣中，該成型傾倒床的設備（109）係由硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass）製成。

在本發明的另一個方案中，一種製備摻雜單晶矽錠的方法，該方法包括： 從柴可斯基提拉單元（Czochralski pulling unit）中的坩堝提拉第一晶體，使用如請求項1所述的設備以第一摻雜劑摻雜第一晶體，傳送帶的速度係經設定以使其遵循由所提拉的第一晶體的目標速度和長度所形成的2元組（2-tuple）所組成的預定支撐點（predefined support point）， 確定第一晶體的軸向電阻分佈（axial resistance profile）， 根據第一個晶體的軸向電阻分佈來修改預定支撐點的目標速度， 使用修改後的支撐點來提拉第二晶體。

在一較佳的實施態樣中，在提拉第一和第二晶體之前，均先用混合了預定量的第二摻雜劑的多晶矽填充坩堝。

在一較佳的實施態樣中，該第一摻雜劑主要包括砷，且該第二摻雜劑主要包括硼。

在一較佳的實施態樣中，該第二晶體被切割成錠塊，切割的位置係對應於該預定支撐點的位置。

在一較佳的實施態樣中，該第二晶體被提拉以使其具有大於250毫米的直徑。

在一較佳的實施態樣中，以線鋸將該錠塊切割成半導體晶圓，並且該半導體晶圓被拋光以及視需要設置有矽的磊晶施加層（epitaxially applied layer of silicon）。

關於本發明方法的上述實施態樣所指出的特徵可以相應地轉換到本發明的產品。反之，關於本發明產品的上述實施態樣所指出的特徵可以對應於本發明的方法進行轉換。這些和其他根據本發明的實施態樣的特徵係闡明在圖式和上述實施態樣的描述中。單獨的特徵可單獨地或組合作為本發明的實施態樣而實現。它們還可以描述具有獨立保護能力的有利配置。

用於提拉摻雜的柴可斯基晶體並在提拉過程中能夠連續計量添加摻雜劑的設備，所述設備包括用於藉由柴可斯基法提拉晶體的設備。

如圖1所示，晶體（105）係從熔體（101）中拉出，用一或多個擋熱板（102）限制輻射熱。熔體（101）的摻雜是藉由以下來完成的：將摻雜劑從位於外殼（107）中的儲存容器（108）經由傳送帶（106）傳送到收集漏斗（110）中，摻雜劑經由管從所述收集漏斗落到多孔分離元件（104）上。

本發明的一個關鍵特徵是傳送帶（106）。它的作用是輸送摻雜劑。摻雜劑，較佳為砷，可以更佳地由具有合適顆粒尺寸分佈的塊組成，或者可以由砷的顆粒或合適的化合物組成，例如矽化砷、氧化砷或砷酸鹽。進一步佳的摻雜劑包括以下：Se、Bi。

傳送帶的帶材料係較佳被構成為使其在提拉單元的環境中具有功能。更具體地說，該功能在真空（低至10毫巴）、高達150℃的輻射溫度下對選定的摻雜劑化合物是抗化學腐蝕的（chemically resistant），並且應該既不發射粒子也不發射揮發性物質。發明人已經認識到在上下文中較佳的帶材料係由乾燥的氟橡膠組成。

該功能係藉由驅動器而實現，所述驅動器藉由馬達而實現，馬達更佳係設置在提拉單元的真空區域之外。

驅動力係藉由軸而傳遞，所述軸被設計為真空旋轉通道。驅動馬達本身係較佳被配置為電動馬達，更佳為所謂的步進馬達（stepper motor）。扭矩係較佳藉由傳動裝置（transmission）而增加。該傳動裝置可以較佳藉由齒輪而配置；同樣可能的是鏈條驅動（chain-driven）或皮帶驅動（belt drive）。

用於在傳送帶上成型傾倒床的設備（109）係對於摻雜劑的流動和所得傾倒床（208）的橫截面而言是關鍵的。出於組裝目的，特別佳的是，整合了可用於停止摻雜劑的持續流動的切斷設備（203）。該配置是具有開／關限制的控制裝置，較佳配置為水龍頭（tap）或滑塊（slide）。

管道的內徑必須足夠大，以使摻雜劑能夠不間斷地流動。例如，在顆粒的情況下，該直徑至少是特定顆粒尺寸分佈的最大顆粒尺寸直徑的五倍。

傳送帶的連續移動係傳送摻雜劑，以使摻雜劑連續流經管。在決定橫截面的裝置（109，201）中，確保了傾倒床（208）係經形成以在其整個長度上具有最大程度的橫截面均勻性，從而確保推進和摻雜質量的比率之間的線性關係。傾倒床的開始和結束（這種關係還不是線性或不再是線性）係不應超過傾倒床長度的20%。

發明人已經認識到，如果用於在傳送帶上成型傾倒床的設備是直徑小於傳送帶寬度的半管，則特別有利。在此特別重要的是，該設備一側封閉，另一側敞開，並且以敞開的一側指向摻雜劑的運行方向的方式安置在傳送帶上方。這確保了摻雜劑可以在沒有明顯附加污染的情況下運輸，並且所形成的摻雜劑傾倒床的形狀係在其整個長度上具有最大可能的均勻性。

用於成型傾倒床的設備的位置係較佳設置在傳送帶上方，使得距傳送帶的最小距離係小於摻雜劑顆粒尺寸分佈的下限。一方面，這可以防止顆粒卡在設備和傳送帶之間，另一方面也可以防止摻雜劑從傳送帶上掉下來。

用於成型傾倒床的設備的底部邊緣係較佳被構成為使得在傳送方向上它與傳送帶形成小於3°、更佳小於1°的最小張角（open angle）。

用於成型傾倒床的設備係更佳由硼矽酸鹽玻璃（實驗室玻璃，即Duran®）製成。

儲存容器（108）含有摻雜劑儲存器。儲存器的質量係至少對應於提拉操作所需的質量。

儲存容器較佳係設計成適合用於在毒理學上完美的裝填站進行裝填。理想情況下，它還考慮了純度（金屬）和潔淨室（顆粒）的特殊要求。

儲存容器的較佳構造材料是硼矽酸鹽玻璃（實驗室玻璃，即Duran®）。特別佳地，不僅儲存容器（108）且切斷設備（203）和用於成型傾倒床的設備（109）亦具有一體式配置（one-piece configuration）。

外殼（107）是提拉單元的真空區域的延伸。它允許所描述的設施在晶體提拉過程中被操作。

外殼（107）係更佳被設計為具有例如呈夾套（jacket）形式的載水冷卻系統。用於查看移動部件的視窗係便於操作和監控。所有移動部件（傳送帶、真空旋轉通道、傳動裝置和驅動馬達）都以機械方式連接到外殼上。

直接位於小傳送帶下方較佳的是收集設施（110），其可以被配置為收集漏斗，並且其過渡到管（302）中。收集設備的上直徑較佳係至少等於摻雜劑傾倒床的寬度，較佳至少是其三倍大。

管（302）的直徑係較佳被選擇為使得它不會導致操作中的阻塞。這可以藉由使管的內徑至少為所用摻雜劑的顆粒尺寸分佈上限的五倍來確保。

管（302）係將最初仍為固體的摻雜劑向下滴流引導到熔體上方的晶體提拉單元的限定區域中，在該區域中，環境條件（壓力、溫度和摻雜劑蒸氣的分壓）係確保摻雜劑的昇華。晶體提拉單元的限定區域係較佳經選擇以使得昇華過程可以藉由觀察鏡而目視監測。

在擴徑區域和管之間安裝有管保持設備（303），可以簡單地固定管子。管保持設備（303）係較佳由聚合物的環製成並且與外殼氣密閉合。

在管面向熔體的一側，管係用多孔分離元件（301）密封，其防止顆粒進入熔體但允許氣體（昇華的摻雜劑）擴散通過。

發明人已經認識到，用於這種多孔分離元件的材料為何是非常重要的。如果，例如，如WO20123074 A1中所建議的，僅使用固體材料，那麼在撞擊固體屏障時可能形成的極小顆粒仍然可能透過多孔分離元件而進入熔體並在所述熔體中引入晶體差排（且因此導致完全失效）。

因此，多孔分離元件（301）係較佳由石英玻璃製成的纖維（wool）所製成。甚至較佳地，多孔分離元件（301）係在面向矽的一側由硬質、多孔材料製成，較佳由熔融石英製成，並且在遠離矽的一側由二氧化矽玻璃纖維製成。

當摻雜劑昇華時，其氣體係與單元中已經存在的氣體混合，並且所述摻雜劑能夠透過多孔分離元件（301）在液態矽的方向上擴散。

通常，晶體提拉單元中的主要氣體是氬氣。在某些情況下，也可能存在氮的混合物。

在柴可斯基晶體提拉單元中，尤其重要的是從液態矽中釋放出的由氧和矽（Si _xO _y）成分組成的氣流被儘快運走，否則單元內可能會出現沉積物，這可能會導致在晶體的提拉後打開單元時出現問題。

因此，較佳地，氬氣還用作施加到儲存容器和到管的載氣。特別佳地，在通向液態矽方向的管中建立氣流。這有兩個影響：首先，在晶體提拉過程中形成的氣體不會被輸送到摻雜設備中，這也可能導致拆卸和再裝填的問題；其次，確保沒有昇華的摻雜劑流回儲存容器或管中，可能的後果包括相當大的毒理學風險（砷）。

在儲存容器和提拉單元之間的壓力差變得太大的不希望的情況下，較佳係在儲存容器和提拉單元之間的附加管線中安裝用於壓力平衡的超壓閥或補償閥（111）。

管（302）的面向液態矽的一側係較佳定位在擋熱板（102）下方。這允許使富含摻雜劑的傳輸氣體與熔體直接接觸，因為只有藉由這種方式才能實現熔體中濃度的期望增加。

為防止砷蒸氣對生長中的晶體（105）表面產生蝕刻作用，導管端部位置不能太靠近晶體。

發明人已經認識到，所描述的用於在柴可斯基晶體提拉過程中摻雜晶體的設備是特別有利的。如果晶體的直徑大於250毫米，則使用該設備的最大經濟效益會出現。

較佳的實際操作是提拉第一晶體並在提拉過程中借助所述設備摻雜第一摻雜劑，傳送帶的速度係與生長晶體的長度相關。這較佳係發生以使得，在非常特別地位於晶體隨後被切割成錠塊的位置處的預定支撐點處，首先規定傳送帶的目標速度。在支撐點外的傳送帶速度的目標值係被內插（interpolated）。

因此，支撐點係形成由晶體長度和傳送帶速度組成的2元組（2-tuple）。

當第一個晶體被提拉時，測量錠以確定其比電阻。為此目的，較佳係將其切割成錠片，其端面經受電阻率的測量。

將相應獲得的測量值與沿其軸的期望電阻分佈進行比較，並形成測量值與期望值之間的差異。

該差異隨後被用於為第二個晶體使用新的、改變的支撐點。

該過程可以特別佳地進一步重複，以生產盡可能接近沿晶體軸的期望電阻分佈的晶體。

將第二摻雜劑混入坩堝中的多晶矽的方法係特別佳的。因此，該方法例如能夠產生具有特別平坦的軸向電阻分佈的晶體。

第一摻雜劑較佳是砷。第二摻雜劑更佳包含硼。

以這種方式獲得的晶體係較佳在藉由線鋸切割成半導體晶圓之前藉由鋸切割成錠片。所得到的半導體晶圓係較佳被拋光並且視需要設置有矽的磊晶施加層。

101:矽熔體 102:擋熱板 103:壓力容器 104:多孔分離元件 105:晶體 106:傳送帶 107:外殼 108:儲存容器 109:用於在傳送帶上成型傾倒床的設備 110:收集漏斗／收集設施 111:壓力平衡補償閥 112:壓力容器和外殼之間的氣體管線 113:坩堝 201:用於在傳送帶上成型傾倒床的設備 202:連接管 203:切斷設備 204:儲存容器 205:傳送帶 206:傳送帶運行方向 207:用於在傳送帶上成型傾倒床的設備的半管開口側 208:摻雜劑的傾倒床 301:多孔分離元件 302:輸送摻雜劑的管 303:管保持設備 304:收集漏斗／收集設施

圖1顯示了本發明用於連續矽摻雜的佈置。柴可斯基晶體提拉單元包括盛有液態矽（101）的坩堝（113），並且位於壓力容器（103）中。晶體（105）係從熔體（101）中提拉出來，用一或多個擋熱板（102）限制輻射熱。熔體（101）的摻雜是藉由以下來完成的：將摻雜劑從位於外殼（107）中的儲存容器（108）經由傳送帶（106）而傳送到收集漏斗（110）中，摻雜劑經由管從收集漏斗（110）落到多孔分離元件（104）上。多孔分離元件（104）所在位置的普遍條件會導致摻雜劑昇華。以這種方式獲得的氣體係摻雜液態矽並因此摻雜晶體。安裝在傳送帶上方的是用於在傳送帶上成型傾倒床的設備（109），其在傳送帶（106）上形成明確定義的摻雜劑的傾倒錐體，在這樣做時不會造成額外的污染。藉由在壓力容器和外殼之間的氣體管線（112）中額外安裝的補償閥（111），可以視需要在外殼和壓力容器之間執行壓力平衡。

圖2顯示了充滿摻雜劑的儲存容器（204）。藉由切斷設備（shutoff apparatus）（203），摻雜劑能夠藉由連接管（202）而到達用於在傳送帶上成型傾倒床的設備（201），該設備確保明確定義的摻雜劑的傾倒床（208）係在傳送帶（205）上形成。用於在傳送帶上成型傾倒床的設備的半管開口側（207）在此指向傳送帶運行方向（206）。

圖3顯示了傳送帶和熔體之間的連接。摻雜劑從傳送帶落入收集漏斗（304），並經由管（302）進入多孔分離元件（301），在此它可以昇華。該設備係由保持設備（holding apparatus）（303）所保持。

101:矽熔體

102:擋熱板

103:壓力容器

104:多孔分離元件

105:晶體

106:傳送帶

107:外殼

108:儲存容器

109:用於在傳送帶上成型傾倒床的設備

110:收集漏斗/收集設施

111:壓力平衡補償閥

112:壓力容器和外殼之間的氣體管線

113:坩堝

Claims (13)

1. 一種用於製備摻雜柴可斯基晶體（doped Czochralski crystal）的設備，其包含： 壓力容器（103）， 位於該壓力容器中並能夠容納液態矽熔體（melt of liquid silicon）（101）的坩堝（113）， 以及用於摻雜該熔體的設備，其包含： 外殼（107）， 用於容納摻雜劑的儲存容器（108）， 用於傳送該摻雜劑的傳送帶（106）， 用於在該傳送帶上成型傾倒床的設備（109）， 管（110），來自傳送帶的摻雜劑可進入其第一端，且其第二端指向液態矽（101）的方向並用多孔分離元件（104）與液態矽隔開， 其中， 該用於在傳送帶上成型傾倒床的設備（109）係包括直徑小於傳送帶（106，205）寬度的半管（half-pipe），該半管一側封閉，另一側敞開，並且以使敞開側指向摻雜劑（208）的傳送方向（206）的方式安置在傳送帶（106，205）上方。
2. 如請求項1所述的設備，其中該半管與傳送帶（106，205）之間的最小距離係小於該摻雜劑的顆粒尺寸分佈（particle size distribution）的最小尺寸。
3. 如請求項1或2所述的設備，其中，在傳送帶（106，205）上成型傾倒床的設備（109）係藉由第二管（202）連接到該儲存容器（204）並且可藉由切斷設備（203）關閉，從而可以停止摻雜劑的進一步流動。
4. 如請求項1或2所述的設備，其中傳送帶（106，205）係由乾燥的氟橡膠（fluoro rubber）構成。
5. 如請求項1或2所述的設備，其中多孔分離元件（104）係由熔融石英纖維（fused quartz wool）組成。
6. 如請求項1或2所述的設備，其中外殼（107）包括載水冷卻系統（water-carrying cooling system）。
7. 如請求項1或2所述的設備，其中成型傾倒床的設備（109）係由硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass）製成。
8. 一種製備摻雜單晶矽錠的方法，該方法包括： 從柴可斯基提拉單元（Czochralski pulling unit）中的坩堝提拉第一晶體，使用如請求項1所述的設備以第一摻雜劑摻雜第一晶體，傳送帶的速度係經設定以使其遵循由所提拉的第一晶體的目標速度和長度所形成的2元組（2-tuple）所組成的預定支撐點（predefined support point）， 確定第一晶體的軸向電阻分佈（axial resistance profile）， 根據第一個晶體的軸向電阻分佈來修改預定支撐點的目標速度， 使用修改後的支撐點來提拉第二晶體。
9. 如請求項8所述的方法，其中在提拉第一和第二晶體之前，均先用混合了預定量的第二摻雜劑的多晶矽填充坩堝。
10. 如請求項9所述的方法，其中該第一摻雜劑主要包括砷，且該第二摻雜劑主要包括硼。
11. 如請求項9所述的方法，其中該第二晶體被切割成錠塊，切割的位置係對應於該預定支撐點的位置。
12. 如請求項9所述的方法，其中該第二晶體被提拉以使其具有大於250毫米的直徑。
13. 如請求項11所述的方法，其中以線鋸將該錠塊切割成半導體晶圓，並且該半導體晶圓被拋光以及視需要設置有矽的磊晶施加層（epitaxially applied layer of silicon）。

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