TW202305204A - 晶種、拉晶方法及拉晶裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種晶種、拉晶方法及拉晶裝置，屬於半導體技術領域。晶種，包括：柱狀的晶種本體，晶種本體中摻雜有氫，晶種本體包括第一端部和第二端部；其中，第一端部設置有用於與晶種夾頭固定的凸緣結構；第二端部為錐形，在遠離第一端部的方向上，第二端部的直徑逐漸減小。

Description

晶種、拉晶方法及拉晶裝置
本發明為半導體技術領域，特別是指一種晶種、拉晶方法及拉晶裝置。
隨著半導體矽晶圓品質的不斷提高，對拉晶過程中晶棒的晶體缺陷有了更高的管控要求，影響晶體缺陷的因素包括拉晶技術參數，用優化的技術參數去拉晶能製得品質更好的晶棒。相關技術中拉晶技術過程包括：化料（Melting）-穩溫（STB）-浸漬（Dip）-縮徑（Necking）-放肩（Shoulder）-轉肩（Over Shoulder）-等徑（Body）-收尾（Tail）等技術。其中Necking階段很關鍵，其主要目的是消除晶種浸入矽溶液時因熱應力而引起的差排，通過Necking小尺寸細頸可以將差排排出晶體，使得在放肩階段及後續Body階段實現無差排生長。但隨著半導體拉晶技術的不斷反覆運算更新，需要在成本和經濟效益上更具競爭力，因此需要拉製直徑更大（12英寸以上），重量更重的晶棒（1000kg以上）。Necking的細頸已無法承受如此大的重量，需要開發一種無Necking拉晶技術。
本發明要解決的技術問題是提供一種晶種、拉晶方法及拉晶裝置，能夠實現生成大直徑、大重量的晶棒。
為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：一方面，本發明提供一種晶種，包括：柱狀的晶種本體，晶種本體中摻雜有氫，晶種本體包括第一端部和第二端部；其中，第一端部設置有用於與晶種夾頭固定的凸緣結構；第二端部為錐形，在遠離第一端部的方向上，第二端部的直徑逐漸減小。
一些實施例中，晶種本體的最大直徑為8mm，最小直徑為2mm。
一些實施例中，晶種本體中的氫含量為3E 13~2E 14ea/cm 3。
本發明的實施例還提供了一種拉晶方法，包括：在第一階段，將如上所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至550°C以上；在第二階段，將晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至1000°C以上；在第三階段，將晶種的第二端部浸入矽溶液中；在第四階段，提拉晶種。
一些實施例中，第一階段的持續時間為1~2小時，第一位置與矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，第二位置與矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或第三階段的持續時間為5~6小時。
一些實施例中，在第三階段，將第二端部的一半浸入矽溶液中。
本發明的實施例還提供了一種拉晶裝置，包括：烘烤元件，用於在第一階段，將如上所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至550°C以上；在第二階段，將晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至1000°C以上；提拉元件，用於在第三階段，將晶種的第二端部浸入矽溶液中；在第四階段，提拉晶種。
一些實施例中，第一階段的持續時間為1~2小時，第一位置與矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，第二位置與矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或第三階段的持續時間為5~6小時。
一些實施例中，提拉元件用於在第三階段，將第二端部的一半浸入矽溶液中。
本發明的實施例具有以下有益效果：上述方案中，當晶種浸入矽溶液時，晶種會因熱應力作用在接觸面產生差排，該差排有向晶種體內延伸的趨勢，但本實施例的晶種中氫可與差排結合，形成氫差排復合體，該結構不具備電活性，大部分將被釘紮住，極少量的差排可以經晶種的倒錐形結構排到表面，在晶種錐形的下半部分完全溶解後進行提拉，提拉過程中將不會產生差排，可直接進行Shoulder操作，能夠實現生成大直徑，投料量在1000kg以上的晶棒。
為使本發明的實施例要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於所描述的本發明的實施例，本領域具通常知識者所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明實施例提供一種晶種、拉晶方法及拉晶裝置，能夠實現生成大直徑、大重量的晶棒。
本發明實施例提供一種晶種1，如圖1所示，包括：柱狀的晶種本體，晶種本體中摻雜有氫，晶種本體包括第一端部11和第二端部12；其中，第一端部11設置有用於與晶種夾頭固定的凸緣結構；第二端部12為錐形，在遠離第一端部11的方向上，第二端部12的直徑逐漸減小。
一些實施例中，晶種本體的最大直徑為8mm，最小直徑為2mm，即第二端部12的最大直徑為8mm，最小直徑為2mm。
一些實施例中，晶種本體中的氫含量可以為3E 13~2E 14ea/cm 3，在氫含量低於3E 13ea/cm 3時，差排不能完全與氫反應生成複合體，釘扎作用不顯著；當氫含量大於2E 14ea/cm 3時，過多的氫會誘導產生新缺陷（Hydrogen Doped Paticle，HDP），該缺陷會影響晶種的強度。
本發明的實施例還提供了一種拉晶方法，如圖2所示，包括：步驟101：在第一階段，將如上所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至550°C以上；步驟102：在第二階段，將晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至1000°C以上；步驟103：在第三階段，將晶種的第二端部浸入矽溶液中；步驟104：在第四階段，提拉晶種。
本實施例中，當晶種浸入矽溶液時，晶種會因熱應力作用在接觸面產生差排，差排有向晶種體內延伸的趨勢，但本實施例的晶種中氫可與差排結合，形成氫差排複合體，該結構不具備電活性，大部分將被釘扎住，極少量的差排可以經晶種的倒錐形結構排到表面，在晶種錐形的下半部分完全溶解後進行提拉，提拉過程中將不會產生差排，可直接進行Shoulder操作，能夠實現生成大直徑，投料量在1000kg以上的晶棒，具有良好的應用前景。
一些實施例中，第一階段的持續時間可以為1~2小時，第一位置與矽溶液液面的距離可以為20mm~30mm；和/或第二階段的持續時間可以為2.5~3.5小時，第二位置與矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或第三階段的持續時間可以為5~6小時；這樣可以逐步進行穩溫，避免過大的熱應力引起大量差排釋放。
一些實施例中，在第三階段，將第二端部的一半浸入矽溶液中。
如圖1所示，單晶矽拉晶爐7包括爐體，爐體內設置有坩堝和加熱器，坩堝連接有坩堝軸6，坩堝包括用於盛裝矽熔體的石英坩堝4和包裹在石英坩堝4外的石墨坩堝5，以及位於石墨坩堝5上方的晶種夾頭，在拉晶過程中，多晶矽被裝進石英坩堝4內加熱熔化變為矽溶液3，把晶種1固定在晶種夾頭的下端，拉製單晶矽棒時，首先將晶種1與矽溶液3熔接，開始進入引晶階段；接著通過調整矽溶液3的溫度、晶棒2向上的提升速度等，使單晶矽經過放肩階段和轉肩階段不斷長大，最終拉製出晶棒2。
一具體示例中，在拉晶過程中，首先將晶種1在矽溶液3液面往上20mm~30mm處進行烘烤，使之溫度初步升高至550°C以上，持續1.5h，其次再將晶種1下降至距液面2mm~5mm處進行烘烤，使之溫度達到1000°C以上，持續3h，之後將晶種1快速浸入至矽溶液3中，使得晶種1錐形部分的一半沒入矽溶液3中。當晶種1浸入矽溶液3的液面時，晶種1會因熱應力作用在接觸面產生差排，差排有向晶種體內延伸的趨勢，但晶種1中的氫可與差排結合，形成氫差排復合體，該結構不具備電活性，大部分將被釘扎住，極少量的差排可以經倒第二端部12的錐形結構排到表面，這樣在該狀態下Dip5~6h，使晶種1錐形的下半部分完全溶解後進行提拉，提拉過程中將不會產差排，可直接進行Shoulder操作，可以很好地生成大直徑，投料量在1000kg以上的晶棒，本實施例中，整個拉晶技術流程為化料（Melting）-一次穩溫（550°C/1.5h）-二次穩溫（1000°C/3h）-無差排浸漬（Dip）-放肩（Shoulder）-轉肩（Over Shoulder）-等徑（Body）-收尾（Tail），其中，h為小時。
本發明的實施例還提供了一種拉晶裝置，包括：烘烤元件，用於在第一階段，將如上所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至550°C以上；在第二階段，將晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得晶種的溫度升高至1000°C以上；提拉元件，用於在第三階段，將晶種的第二端部浸入矽溶液中；在第四階段，提拉晶種。
一些實施例中，第一階段的持續時間為1~2小時，第一位置與矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，第二位置與矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或第三階段的持續時間為5~6小時。
一些實施例中，提拉元件用於在第三階段，將第二端部的一半浸入矽溶液中。
本實施例中，當晶種浸入矽溶液時，晶種會因熱應力作用在接觸面產生差排，該差排有向晶種體內延伸的趨勢，但本實施例的晶種中氫可與差排結合，形成氫差排複合體，該結構不具備電活性，大部分將被釘扎住，極少量的差排可以經晶種的倒錐形結構排到表面，在晶種錐形的下半部分完全溶解後進行提拉，提拉過程中將不會產生差排，可直接進行Shoulder操作，能夠實現生成大直徑，投料量在1000kg以上的晶棒，具有良好的應用前景。
一些實施例中，第一階段的持續時間為1~2小時，第一位置與矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，第二位置與矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或第三階段的持續時間為5~6小時；這樣可以逐步進行穩溫，避免過大的熱應力引起大量差排釋放。
一些實施例中，提拉元件用於在第三階段，將第二端部的一半浸入矽溶液中。
如圖1所示，單晶矽拉晶爐7包括爐體，爐體內設置有坩堝和加熱器，坩堝連接有坩堝軸6，坩堝包括用於盛裝矽熔體的石英坩堝4和包裹在石英坩堝4外的石墨坩堝5，以及位於石墨坩堝上方的晶種夾頭，在拉晶過程中，多晶矽被裝進石英坩堝4內加熱熔化變為矽溶液3，把晶種1固定在晶種夾頭的下端，拉製單晶矽棒時，首先將晶種1與矽溶液3熔接，開始進入引晶階段；接著通過調整矽溶液3的溫度、晶棒2向上的提升速度等，使單晶矽經過放肩階段和轉肩階段不斷長大，最終拉製出晶棒2。
一具體示例中，在拉晶過程中，首先將晶種1在矽溶液3液面往上20mm~30mm處進行烘烤，使之溫度初步升高至550°C以上，持續1.5h，其次再將晶種1下降至距液面2mm~5mm處進行烘烤，使之溫度達到1000°C以上，持續3h，之後將晶種1快速浸入至矽溶液3中，使得晶種1錐形部分的一半沒入矽溶液3中。當晶種1浸入矽溶液3的液面時，晶種1會因熱應力作用在接觸面產生差排，該差排有向晶種體內延伸的趨勢，但晶種1中的氫可與差排結合，形成氫差排復合體，該結構不具備電活性，大部分將被釘扎住，極少量的差排可以經倒第二端部12的錐形結構排到表面，這樣在該狀態下Dip5~6h，使晶種1錐形的下半部分完全溶解後進行提拉，提拉過程中將不會產差排，可直接進行Shoulder操作，可以很好地生成大直徑，投料量在1000kg以上的晶棒，本實施例中，整個拉晶技術流程為化料（Melting）-一次穩溫（550°C/1.5h）-二次穩溫（1000°C/3h）-無差排浸漬（Dip）-放肩（Shoulder）-轉肩（Over Shoulder）-等徑（Body）-收尾（Tail）。
需要說明，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於實施例而言，由於其基本相似於產品實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見產品實施例的部分說明即可。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的具通常知識者在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。
1:晶種 11:第一端部 12:第二端部 2:晶棒 3:矽溶液 4:石英坩堝 5:石墨坩堝 6:坩堝軸 7:單晶矽拉晶爐 101~104:步驟流程
圖1為本發明實施例進行拉晶的示意圖； 圖2為本發明實施例拉晶方法的流程示意圖。
1:晶種
11:第一端部
12:第二端部
2:晶棒
3:矽溶液
4:石英坩堝
5:石墨坩堝
6:坩堝軸
7:單晶矽拉晶爐

Claims (9)

  1. 一種晶種，包括： 柱狀的晶種本體，該晶種本體中摻雜有氫，該晶種本體包括第一端部和第二端部； 其中，該第一端部設置有用於與晶種夾頭固定的凸緣結構； 該第二端部為錐形，在遠離該第一端部的方向上，該第二端部的直徑逐漸減小。
  2. 如請求項1所述的晶種，其中該晶種本體的最大直徑為8mm，最小直徑為2mm。
  3. 如請求項1所述的晶種，其中該晶種本體中的氫含量為3E 13~2E 14ea/cm 3。
  4. 一種拉晶方法，其步驟包括： 在第一階段，將如請求項1至3項中任一項所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得該晶種的溫度升高至550°C以上； 在第二階段，將該晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得該晶種的溫度升高至1000°C以上； 在第三階段，將該晶種的第二端部浸入該矽溶液中； 在第四階段，提拉該晶種。
  5. 如請求項4所述的拉晶方法，其中該第一階段的持續時間為1~2小時，該第一位置與該矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或該第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，該第二位置與該矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或該第三階段的持續時間為5~6小時。
  6. 如請求項4所述的拉晶方法，其中在該第三階段，將該第二端部的一半浸入該矽溶液中。
  7. 一種拉晶裝置，其主要包括： 烘烤元件，用於在第一階段，將如請求項1至3項中任一項所述的晶種在矽溶液液面上方第一位置處進行烘烤，使得該晶種的溫度升高至550°C以上；在第二階段，將該晶種下降至矽溶液液面上方第二位置處進行烘烤，使得該晶種的溫度升高至1000°C以上； 提拉元件，用於在第三階段，將該晶種的第二端部浸入該矽溶液中；在第四階段，提拉該晶種。
  8. 如請求項7所述的拉晶裝置，其中，該第一階段的持續時間為1~2小時，該第一位置與該矽溶液液面的距離為20mm~30mm；和/或該第二階段的持續時間為2.5~3.5小時，該第二位置與該矽溶液液面的距離為2mm~5mm；和/或該第三階段的持續時間為5~6小時。
  9. 如請求項7所述的拉晶裝置，其中該提拉元件用於在該第三階段，將該第二端部的一半浸入該矽溶液中。
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