TW202300730A - 一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例公開了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括限定出熱處理室的加熱器，該加熱器在該拉晶爐中設置成使得，該單晶矽棒能夠通過沿著拉晶方向移動而進入到該熱處理室中。通過使用本發明實施例的拉晶爐，在單晶矽棒被拉制出之後就繼續在拉晶爐中對單晶矽棒進行熱處理，由於熱處理室就設置在拉晶爐內，不需要對矽棒進行轉移運送，而且可以在拉晶爐內對整根單晶矽棒進行熱處理，因此大大提高了熱處理的效率，另外，由於是對單晶矽棒而非晶片進行熱處理，因此避免了晶片熱處理過程中的交叉汙染以及由於晶片與晶舟接觸可能造成的晶格滑移位錯問題。

Description

一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐。
用於生產積體電路等半導體電子元器件的矽片，主要通過將直拉（Czochralski）法拉制的單晶矽棒切片而製造出。Czochralski法包括使由石英製成的坩堝中的多晶矽熔化以獲得矽熔體，將單晶晶種浸入矽熔體中，以及連續地提升晶種移動離開矽熔體表面，由此在移動過程中在相介面處生長出單晶矽棒。
在上述生產過程中，提供這樣的一種矽片是非常有利的：該矽片具有從正面開始向體內延伸的無晶體缺陷區域（Denuded Zone，DZ）以及與DZ鄰接並且進一步向體內延伸的含有體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）的區域，這裡的正面指的是矽片的需要形成電子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因為為了在矽片上形成電子元器件，要求在電子元器件的形成區域內不存在晶體缺陷，否則會導致電路斷路等故障的產生，使電子元器件形成在DZ中便可以避免晶體缺陷的影響；而上述的BMD的作用在於，能夠對金屬雜質產生內在吸雜（Intrinsic Getter，IG）作用，使矽片中的金屬雜質保持遠離DZ，從而避免金屬雜質導致的漏電電流增加、柵極氧化膜的膜質下降等不利影響。
而在生產上述的具有BMD區域的矽片的過程中，對矽片進行摻氮是非常有利的。舉例而言，在矽片中摻雜有氮的情況下，能夠促進以氮作為核心的BMD的形成，從而使BMD達到一定的密度，使BMD作為金屬吸雜源有效地發揮作用，而且還能夠對BMD的密度分佈產生有利影響，比如使BMD的密度在矽片的徑向上的分佈更為均勻，比如使BMD的密度在臨近DZ的區域更高而朝向矽片的體內逐漸降低等。
除此之外，在矽片生產過程中，還可以通過對氮摻雜的矽片進行熱處理以使其BMD密度進一步提高，因為若對這樣的矽晶片進行熱處理，則矽晶片內過飽和的氧會作為氧析出物而析出，而這樣的氧析出物也就是BMD。然而，在相關技術中，對矽片的熱處理需要在獨立於拉晶爐的熱處理爐內進行。相關技術的熱處理爐按照爐內結構可大致分為臥式和縱式兩種。無論是臥式熱處理爐還是縱式熱處理爐，由於受結構的限制，一次至多能對上百片的矽片進行熱處理，效率較低，而且，在對批量晶片進行熱處理時，容易發生交叉汙染，也就是說，部分晶片上的雜質可能會影響到其他晶片。此外，由於晶片通常都是放置在熱處理爐內的晶舟中進行熱處理的，因此，晶片的與晶舟相接觸的部分還可能引入因熱應力所造成的晶格滑移位錯。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，解決矽片熱處理效率低的問題，避免了矽片熱處理過程中的交叉汙染問題以及由於晶片與晶舟接觸而可能造成的晶格滑移位錯問題。
本發明的技術方案是這樣實現的： 本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括限定出熱處理室的加熱器，該加熱器在該拉晶爐中設置成使得，該單晶矽棒能夠通過沿著拉晶方向移動而進入到該熱處理室中。
本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，不同於常規拉晶爐，該拉晶爐還包括限定出熱處理室的加熱器，因此，與常規技術中針對矽片進行熱處理的方式不同，通過使用本發明的拉晶爐，在單晶矽棒被拉制出之後就繼續在拉晶爐中對單晶矽棒進行熱處理，由於熱處理室就設置在拉晶爐內，不需要對矽棒進行轉移運送，而且可以在拉晶爐內對整根單晶矽棒進行熱處理，因此大大提高了熱處理的效率，另外，由於是對單晶矽棒而非晶片進行熱處理，因此避免了晶片熱處理過程中的交叉汙染以及由於晶片與晶舟接觸可能造成的晶格滑移位錯問題。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1，其示出了常規的拉晶爐的一種實現方式。如圖1所示，拉晶爐1包括：由殼體2圍成的爐室、設置在爐室內的坩堝10、石墨加熱器20、坩堝旋轉機構30和坩堝承載裝置40。坩堝10由坩堝承載裝置40承載，坩堝旋轉機構30位於坩堝承載裝置40的下方，用於驅動坩堝10繞自身的軸線沿方向R旋轉。
當使用拉晶爐1拉制單晶矽棒時，首先，將高純度的多晶矽原料放入坩堝10中，並在坩堝旋轉機構30驅動坩堝10旋轉的同時通過石墨加熱器20對坩堝10不斷進行加熱，以將容置在坩堝10中的多晶矽原料熔化成熔融狀態，即熔化成融湯S2，其中，加熱溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的氣體通常是惰性氣體，使多晶矽熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。當通過控制由石墨加熱器20提供的熱場將融湯S2的液面溫度控制在結晶的臨界點時，通過將位於液面上方的單晶籽晶S1從液面沿方向T向上提拉，融湯S2隨著單晶籽晶S1的提拉上升按照單晶籽晶S1的晶向生長出單晶矽棒S3。為了使最終生產出的矽片具有較高的BMD密度，可以選擇在單晶矽棒的拉制過程中對單晶矽棒進行摻氮，例如可以在拉直過程中向拉晶爐1的爐室內沖入氮氣或者可以使坩堝10中的矽熔體中摻雜有氮，由此拉制出的單晶矽棒以及由單晶矽棒切割出的矽片中便會摻雜有氮。
為了進一步提高單晶矽棒內的BMD密度，本發明的實施例提出了一種帶熱處理室的拉晶爐，以在單晶矽棒拉制出之後可以繼續在拉晶爐中進行熱處理。具體地，參見圖2，本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒S3的拉晶爐1'，該拉晶爐包括限定出熱處理室501的加熱器50，該加熱器50在該拉晶爐中設置成使得，該單晶矽棒S3能夠通過沿著拉晶方向T移動而進入到該熱處理室501中。
在圖2示出的實施例中，拉晶爐1'的殼體2在坩堝10的上方的部分形成為大致筒形，加熱器50設置在該筒形部分的內周向壁上並且限定出熱處理室501。熱處理室501也大致呈筒形並且開口朝向下方的坩堝10。熱處理室501的直徑大於單晶矽棒S3的直徑，使得從坩堝10中拉制出的單晶矽棒S3能夠繼續沿著拉晶方向T移動進入熱處理室501中。
單晶矽棒S3在熱處理室501中通過加熱器50被熱處理，由此單晶矽棒S3內過飽和的氧作為氧析出物而析出，即析出BMD，以使單晶矽棒S內的BMD密度達到所需的水準，而無需在將單晶矽棒切割成矽片之後再次放入單獨的熱處理爐中進行熱處理，由此提高了熱處理的效率，也避免了矽片狀態下進行熱處理所帶來的交叉汙染問題以及因與晶舟接觸而可能造成的晶格滑移位錯問題。
為了實現單晶矽棒S3沿拉晶方向T的移動，可選地，參見圖3，該拉晶爐1'還包括提拉機構60，該提拉機構60用於使該單晶矽棒S3沿著該拉晶方向T移動以使該單晶矽棒S3從相介面處生長並且進入到該熱處理室501中。
為了使單晶矽棒S3能夠經受預定條件下的熱處理，可選地，該提拉機構60構造成使整個該單晶矽棒S3在該熱處理室501中停留所需的熱處理時間。如圖4所示，單晶矽棒S3已由提拉機構60提拉至完全位於熱處理室501中，並且提拉機構60能夠使單晶矽棒S3保持處於該位置直至經歷了預設的熱處理時間。
由於單晶矽棒S3是沿提拉方向T進入熱處理室501，因此單晶矽棒S3的在長度方向上的各個部分實際進入熱處理室501內的時間點不相同。為了使單晶矽棒S3的各個部分都能夠經歷相同的條件下的熱處理，單晶矽棒S3的各個部分在熱處理室501內停留的時間應當是所需的熱處理時間。
對此，在本發明的可選實施例中，該提拉機構60構造成使該單晶矽棒S3以恆定的速度移動穿過該熱處理室501，使得該單晶矽棒S3的任一橫截面在該熱處理室501中停留所需的熱處理時間。由此，單晶矽棒S3的各個部分在熱處理室501中實際停留的時間相同，確保了單晶矽棒S3整體上收到了均勻的熱處理。
在熱處理過程中，除了需要對熱處理時間的控制，對加熱溫度的控制也至為關鍵，對此，在本發明的可選實施例中，參見圖5，該拉晶爐還包括： 設置在熱處理室501內的用於對該單晶矽棒S3的溫度進行檢測的溫度感測器70和與該溫度感測器70連接的控制器80， 其中，該控制器80設置成用於根據該溫度感測器70檢測到的溫度控制該加熱器50的加熱溫度，以提供所需的熱處理溫度。
如圖5所示，作為示例，溫度感測器70設置在加熱器50上，並且較為接近單晶矽棒S3，由此，加熱器50並非始終按照某一設定的恆定溫度進行加熱，而是可以根據單晶矽棒S3的實際溫度情況提供適當的熱處理溫度。溫度感測器70和控制器80的設置可以使熱處理步驟以更為精確的方式執行。
為了進一步精確控制加熱器50提供的熱處理溫度，在本發明的可選實施例中，該加熱器50可以被該控制器控制成該加熱器50的沿該拉晶方向T的不同部分同時提供不同的溫度。由此，如果在熱處理過程中，單晶矽棒S3的沿拉晶方向T的不同部分的實際溫度不相同，加熱器50的各個部分能夠根據這些實際溫度提供加熱溫度，使得單晶矽棒S3的各個部分實際經歷的熱處理溫度相同。
在本發明的可選實施例中，該單晶矽棒的熱處理溫度可以為800攝氏度。
在本發明的可選實施例中，該熱處理時間可以為2小時。
在本發明的一種實施例中，該拉晶爐1'設置成能夠使整根單晶矽棒S3同時處於熱處理室501中進行熱處理，對此，可選地，如圖6所示，該熱處理室501的沿該拉晶方向T的長度H大於等於該單晶矽棒S3的長度L使得該單晶矽棒S3能夠完全位於該熱處理室501中。
通過使用根據本發明實施例的拉晶爐，單晶矽棒S3內的BMD密度得以進一步提升，可選地，該單晶矽棒S3在該熱處理室501中被熱處理之後具有的BMD密度不小於1E8 ea/cm 3（1E8個/立方公分）。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
1:拉晶爐 1':拉晶爐 2:殼體 10:坩堝 20:石墨加熱器 30:坩堝旋轉機構 40:坩堝承載裝置 50:加熱器 501:熱處理室 60:提拉機構 70:溫度感測器 80:控制器 S1:單晶籽晶 S2:融湯 S3:單晶籽晶 T:方向 R:方向 H:長度 L:長度
圖1為常規拉晶爐的一種實現方式的示意圖； 圖2為根據本發明的實施例的拉晶爐的示意圖； 圖3為根據本發明的另一實施例的拉晶爐的示意圖，其示出了正在從融湯中拉出單晶矽棒； 圖4為圖3的拉晶爐的另一示意圖，其示出了單晶矽棒已經被完全拉出融湯並且處於熱處理室中； 圖5為根據本發明的另一實施例的拉晶爐的示意圖； 圖6為根據本發明的另一實施例的拉晶爐的示意圖。
1':拉晶爐
2:殼體
10:坩堝
20:石墨加熱器
30:坩堝旋轉機構
40:坩堝承載裝置
50:加熱器
501:熱處理室
S1:單晶籽晶
S2:融湯
S3:單晶籽晶
T:方向
R:方向

Claims (10)

  1. 一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括限定出熱處理室的加熱器，該加熱器在該拉晶爐中設置成使得，該單晶矽棒能夠通過沿著拉晶方向移動而進入到該熱處理室中。
  2. 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該拉晶爐還包括提拉機構，該提拉機構用於使該單晶矽棒沿著該拉晶方向移動以使該單晶矽棒從相介面處生長並且進入到該熱處理室中。
  3. 如請求項2所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該提拉機構構造成使整個該單晶矽棒在該熱處理室中停留所需的熱處理時間。
  4. 如請求項2所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該提拉機構構造成使該單晶矽棒以恆定的速度移動穿過該熱處理室，使得該單晶矽棒的任一橫截面在該熱處理室中停留所需的熱處理時間。
  5. 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該拉晶爐還包括設置在熱處理室內的用於對該單晶矽棒的溫度進行檢測的溫度感測器和與該溫度感測器連接的控制器， 其中，該控制器設置成用於根據該溫度感測器檢測到的溫度控制該加熱器的加熱溫度，以提供所需的熱處理溫度。
  6. 如請求項5所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該加熱器能夠被該控制器控制成該加熱器的沿該拉晶方向的不同部分同時提供不同的溫度。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該單晶矽棒的熱處理溫度為800攝氏度。
  8. 如請求項3或4所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該熱處理時間為2小時。
  9. 如請求項1至6中任一項所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其特徵在於，該熱處理室的沿該拉晶方向的長度大於等於該單晶矽棒的長度使得該單晶矽棒能夠完全位於該熱處理室中。
  10. 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該單晶矽棒在該熱處理室中被熱處理之後具有的體微缺陷BMD密度不小於1E8 ea/cm 3。
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