TW446762B - Method of pulling semiconductor single crystals - Google Patents

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446762 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（1) 本發明是有關於一種以Czochralski(以下簡稱CZ)法· 來製造半導體單結晶的方法，特別是有關於一種製造沿 其軸心具有均勻分佈之氧氣濃度及直徑為200mm的半 導體單結晶的方法。 半導體基底主要是由高純度矽單結晶所形成，其中 此矽單結晶是由傳統CZ法所製成《在CZ方法中，將複 晶石夕塊放入一砂单結晶成長裝置的石英甜瑪内β然後以 安裝在上述石英坩堝周圍的加熱器來熔化複晶矽塊，之 後將安裝在一種晶夾上的種晶（Seed)浸入溶液中。接下 來’將種明夾及石英掛禍個別以同向或反向方式來轉動 ，同時拉引上述種晶夾以便成長一具有預定直徑及長度 的單結晶梦鎊塊（Ingot)。 第6圖為顯示一用來拉引矽半導體單結晶之裝置的 剖面圖。 如第6圖所示，在主室t中，一石墨坩堝3是放置 於一旋轉坩堝軸2的上部頂端上，而此旋轉坩堝2可被 驅動而往上或往下延伸。複晶矽的熔液5是存儲存於一 石英坩堝4中’而此石英坩堝4是容納於上述石墨坩堝 令。一圓柱加熱器6及由絕熱材料所製成的一保溫圓 7是安裝在上述石墨坩堝3的四周。再者，支 " 是安裝在保溫圓筒7的頂端，以及―倒立圓錐形^ 8 整流筒9安裝在上述支持^件8上。㈣氣體，如p ’是從連接於上述主室"頁端上的一導二 Chamber)(未顯示於圖中）導入β此惰性氣體進入氣體整 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29^^ ) --------oi— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

、1T 446762 A7 j____ _B7 五、發明説明（2) — 流筒9的内部，並且沿㈣單結晶1〇往下流。然後，惰 性氣體通過溶液5及氣體整筒。再者， 藉由此佈置，㈣液5蒸發的氧切（SiGx)會排放到主 室1的外面。 由於石英坩堝4的表面與上述熔液5接觸，所以包 含在石英坩堝4表面的氧會溶入熔液5中。大部分溶入 嫁液5 t的氧會從賴5的爐中蒸發，並且與惰性氣體 一起排放到主室1的外面。但是部分氧會進入到正在拉 引的矽單結晶。通常在矽單結晶中的氧氣濃度在提立開 始時是較大的，之後會隨著矽單結晶之凝固率的增加而 減少。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 I HI I 1— -I i —J -1 士^I- I I --- I 〆：--、 - - r (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 眾所皆知，包含在矽單結晶中的氧氣濃度可藉由控 制坩堝及矽單結晶的旋轉速度來保持固定。例如，已被 揭露於曰本專利公報TOUKU KOU HEI 3 -21515 fMEMC Electronic Materials INC. USA]中之製造鑄塊（Ingot)的方 法。在上述方法中，矽單結晶的旋轉速度是保持在比坩 堝之最大旋轉速度還大的一固定值，以及在矽單結晶的 長度增加時控制坩堝的最大旋轉速度不可超過矽單結晶 的旋轉速度。因此使得在單結晶的縱向及徑向的氧氣濃 度會具有均勻的分佈》 上述方法只適用於矽單結晶的直徑少於1 〇〇mm，以及 拉引單結晶之裝置不具有氣體整流筒的情況下。但是， 如果單結晶具有比200mm大的直徑，則很難藉由控制掛 禍和單結晶的旋轉速度來使得氧氣濃度分佈均勻化。其 6 本紙張尺度適用中關家縣（CNS) Α4% 2ίαχ297公邀） 446762 A7, ------ -B7_ 五、發明説明（3 ) 理由為（1)縱使單結晶的旋轉速度保持一固定值，在液體 和固體間介面的周邊速度會隨著單結晶直徑的增加而增 加。如此對於可穩定成長單結晶的上述周邊速度為一限 制。在單結晶具有比200mm大的直徑的情況下，其旋轉 速度是被限制在揭露於TOUKUtCOUHEI 3-21515中之 旋轉速度的50%; (2)石英坩堝的周邊速度也會隨著其 本身直徑的增大而增加，由於在石英坩堝之真圖度錯誤 或者在安裝時因石英时禍脫離所產生的偏心而在溶液自 由表面所造成的波浪會變得強烈。因此，很難獲得穩定 的單結晶成長’而旋轉速度仍限制在揭露於τουκυKOU HEI 3-215115中之旋轉速度的50%; (3)如果坩堝之旋 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ^1^1 ^^^1 ^^^1 - ϋ^— n^i tt^i m ^^^1 nn \ J> ../ -'卩 - r (讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 轉速度小於5rmp ’則在熔液中的鉬然對流’亦即向上及 向下的流動’會變得重要，以及水平流動會被阻止。因 此，無法控制在單結晶中的氧氣濃度，且氧氣濃度所能 被控制之範圍變得非常的窄。因此，很難沿著單結晶的 縱軸方向維持均勻的氧氣濃度；（4)依據熱區域(h〇tz〇ne) 的設計’如果單結晶的旋轉速度偶而上升的太高，則結 晶的外周邊表面將變得不平坦，且不再是是圓筒形。在 拉引一直徑大於200mm之單結晶的情況下，結晶的最大 旋轉速度大約是20rpm。因此，縱使沿著徑軸將氧氣濃 度保持均勻，坩堝的旋轉速度不能增加到結晶旋轉速度 的一半。因此，無法增加在單結晶中的氧氣濃度，以及 很難在縱向維持均勻的氧氣濃度。 有鑑於上述的缺點’本發明的目的是要提共一拉引 本紙張尺度適用中關家標準（CNS ) A4規格（21()><297公 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ¢46762 A7 B7 五、發明説明（4 ) 石夕單結晶的方法。依據本發㈣方法，可製造直徑大於 随的單結⑽，且沿著其縱軸之氧氣濃度能均 勻的分佈。 為了完成上述的目的，依據本發明利用一具有安裝 於炼液上方之倒立錐形或圓柱形氣體签流筒的石夕單結 晶拉引裝置來拉引直棱大於綱麵的發單結晶的過程 中’驅動發單結晶和石英㈣使其以相反方向轉動，其 t梦單結之旋轉逮度是設定在8〜16啊之範圍内，此範 圍大約是掛堝之旋轉速度的2倍以上。 除此之外，在拉引半導體單結晶的過程中，在拉引 單結晶鑄塊的指定區段時上述坩瑪的旋轉速度是設定在 其最小的值，而此指定區段是從單結晶體的開端，到離 此開端有單結晶之全長的1 〇%距離為止的位置。之後， 坩堝之旋轉速度慢慢地增加，且其旋轉速度的設定並不 會比最大值8rpm大。 除了上述兩個特徵外，依據本發明之拉引半導體單 結晶的過程令’在拉引上述指定區段時，通過氣體整流 筒下端和熔液自由表面間之間隙的惰性氣體流速是設定 在最小值，之後，此惰性氣體的流速會慢慢地增加β 為使本發明前述之目的、特徵和優點能更易明瞭， 下乃舉一較佳實施例並配合圖式説明。 圖式之簡單說明： 第1(a)圖係顯示出拉引單結晶中氧氣濃度與坩禍旋 轉速度間的關係圖； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ2?7公釐） I—：一II----c./裝！ (諳先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂. 4' 4 S 7 6 2 A7 五 經濟部中央標隼局員工消费合作社印製 發明説明（5 ) 第丨單結晶巾氧氣濃度與單結晶 本身旋轉速度的關係圖； 第1(c)圖係顯示出拉引單結晶中氧氣濃度與惰性氣 體之流速間的關係圖； 第2(a)圖係顯不出依據本發明一實施例於拉引具有 低氧氣濃度之早結晶操作期間，拉引之結晶長度與掛瑪 旋轉速度間的關係圖； 第2(b)圖係顯*出依據本發明—實施例於拉引具有 低氧氣濃度之單結晶操作期間，拉引之結晶長度與拉引 之單結晶旋轉速度間的關係圖； 第2(c)圖係顯示出依據本發明一實施例於拉引具有 低氧氣讓度之單結晶操作期間，拉引之結晶長度與惰性 氣體流速間的關係圓； 第3⑷圖係顯示出依據昔知比較例於拉引具有低氧 氣濃度之單結晶操作期間，拉引之結晶長度與掛禍旋轉 速度間的關係圖； 第3(b)®係顯示出依據昔知比較例於拉引具有低氧 氣濃度之單結晶操作期間，拉引之結晶長度與上提單結 晶之旋轉速度間的關係圖； 第3(c)圖係顯示出依據昔知比較例於拉引具有低氧 氣濃度之單結晶操作_，㈣之結晶長度與惰性氣體 流速間的關係圖； 第4圖係顯示出沿著藉由第2圖所示之實施例方法 所拉引之單結晶的徑向轴之氧氣濃度散佈以及沿著縱向 衣紙張尺度適财_緖心CNS) x 297公釐） {請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝- 訂 44ST62 A7 五、發明説明（6) 軸之氧氣濃度分佈的關係圖； =5圓係顯示出沿著藉由第3圖所示之比較例方法 之單結晶的徑向轴之氧氣濃度散佈 以及沿著縱向 〈氧氣濃度分佈的關係圖；以及 第6 ϋ係n示出—用來拉引♦半導體 的部分剖面圖。 符號說明： 主至、4〜石英坩堝、5〜熔液、9〜氣體整流筒、 1〇〜矽單結晶。 實施例： 第1(a)圖、第1(b)以及第1(c)圖係顯示出拉引單結晶 中氧氣濃度與影嚮因素，如坩堝旋轉速度、拉引之單結 晶旋轉逮度及惰性氣體，之間的關係圖。如第】⑷圖： 第1(b)圖所示，當坩堝之旋轉速度及惰性氣體之流逮保 持在低值時，氧氣濃度也會保持在低值。相反地，當坩 堝之旋轉速度及惰性氣體之流速增加時，氧氣濃度也會 隨之增加。況且，當在第1(b)圖中之單結晶的旋轉速度 增加時，氧氣濃度會稍微減少。在此情況下，因為單結 晶的旋轉速度已設定在8〜16rpm範圍内，所以坩堝的旋 轉速度應處於4〜8rpm之間。結果’可獲得沿著其縱軸方 向具有一低且均勻之氧氣濃度分佈的矽單結晶。 在接近單結晶體開端時之坩堝的旋轉速度是最小的 ’然後其會隨著拉引的進行慢慢地增加，並且其設定是 不會超過最大值8rpm。因此，在接近單結晶體開端之氧 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） f讀先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 訂. 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 ^46762 A7 _____ ___Β7 五、發明説明（—-- 氣濃度是低的隨著單結晶之成長而增加。當凝固 率上升時，上述氧氣濃度的增加會藉由減少氧氣濃度之 傾向來補償。因此可獲得沿著其整個長度具有—低且均 句氧氣濃度分佈的矽單結晶。 除了坩堝及單結晶的旋轉速度之外，也可控制惰性 氣體的流速以便能容易地製造出具有所期望之氧氣濃度 的單結晶。如第！刚所示，當惰性氣體之流速大約為 —π時H農度是最小的’然而當惰性氣體之流速 接近2m/sec時，上述氧氣濃度則有增加的傾向。因此， 在形成單結晶體之開始時有高的氧氣濃度，而惰性氣體 的流速則限制在低準位。之後’慢慢地增加惰性氣體的 流速，而在形成單結晶體之後半部時則大量增加惰性氣 體的流速。如果依據上述實施拉引，則可得到平坦的氧 氣濃度。 以下是依據本發明之第一實施例並參考附圖描述拉 引單結晶的製程。在第一實施例所使用之裝置與昔知技 術中所使用之裝置是相同的（參考第6圖）。 藉由本發明方法所拉引之具有低氧氣濃度的矽單結 晶其直徑為210mm，體長為looomm以及氧氣濃度為 13xl017atoms/cm3。在拉引矽單結晶的過程中，將重I00kg 的複晶矽塊裝填到石英坩堝4中以便使其可熔化，以及 將20 Torr的氩氣環繞拉引矽單結晶之裝置的四周，其 中上述氬氣是依第2(a)圖、第2(b)圖及第2(c)圖中所顯 示的預定圖案所控制》 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格（210X297公發） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（8) 如第2(a)圖所示，坩堝的旋轉速度在體長之開端到 150mm處是保持在4rpm，然後慢慢地增加而在700mm 處其旋轉速度達到7rpm，之後就一直保持在7rpm。如 第2(b)圖所示，在整個長度形成過程中單結晶的旋轉速 度都是保持在16rpm。況且，如第2(c)圖所示，惰性氣 體的流速從單結晶體之開端到60mm處是保持在0.8m/s ，之後慢慢地增加惰性氣體之流速，而在700mm處達到 1.2m/s。然後，再慢慢地增加惰性氣體的流速以便在 950mm處達到2.0m/s，並一直維持在2.0m/s。藉由一大 量流速控制器來控制來自上提室之氬氣流速以調整惰性 氣體的流速。在拉引期間，經由一壓力感應器來自動地 控制一安裝在爐之排放邊牆上的節流閥，以便調整爐中 的内部壓力，使之維持在20 土 0.5 Torr。 第3(a)圖、第3(b)圖及第3(c)圖分別顯示出依掾相對 於本發明一實施例之昔知比較例的控制圖案。如第3(a) 圖所示，掛竭的旋轉速度從單結晶體的開端到150mm處 是保持在4rpm，然後慢慢地增加以便在700mm處達到 8rpm，之後再慢慢地增加而在1000mm處達到13rpm。 如第3(b)圖所示，在形成整個單結晶長度期間，單結晶 的旋轉速度是保持在16rpm。如第3(c)圖所示，在形成 整個單結晶長期間，惰性氣體的流速是維持在lm/s。 第4圖係顯示出沿著藉由第2圖中之第一實施例所 拉引之單結晶的徑軸之氧氣濃度的散佈以及沿著其縱軸 的氧氧氣濃度分佈的關係圖。第5圖係顯示出沿著藉由 12 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝·

A 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2;OX 297公釐） ^46762 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9) 第3圖所示之比較例方法所拉引之單結晶的控向軸之乳 氣濃度散佈以及沿著縱向軸之氧氣濃度分佈的關係圖。 在依據本發明一實施例所拉引的石夕結晶中，沿著縱軸的 氧氣濃度分佈是位於12〜13乂1017&1;〇1113/(：]113的範圍内， 而沿著徑軸之氧氣濃度的散佈會超出％4的值》相反地， 在依據比較例所拉引之矽單結晶沿著縱軸之氧氣濃度 分佈無法做適當的調整，以及在800mm以上之位置的氧 氣濃度很明顯地減小。再者，傾向於藉由增加掛堝的旋 轉速度來調整氧氣濃度。但是，沿著徑軸之氧氣濃度的 散佈會慢慢地增加，並在單結晶體的端部達到8.8%的值 〇 在第4圖所示的結果中，很明顯地在沿著縱軸及徑 軸上之氧氣濃度維持固定方法中，本發明之拉引方法是 優於傳統的方法。在依據本發明方法中，可減小坩堝及 單結晶的旋轉速度《因此可穩定地成長單結晶^ 依據本發明之製程已描述於上。在製造具有大於 200mm之直徑的單結晶製程中，單結晶的旋轉速度及惰 性氣體的流速是可控制的。因此，包含在單結晶中的氧 氣濃度可簡潔地被控制，以及沿著其縱軸與徑軸具有均 勻分佈的氧氣濃度的單結晶是寸以得到的。 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4规格（210X297公釐） --------^ ί I- '* (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂

Claims (1)

1. 446 762

   六、申請專利範圍 1. 一種拉引半導體單結晶的方法，其中該單結晶具 有大於2〇〇mm的直徑，且由一矽單結晶拉引裝置所拉引 ’而該石夕單結晶拉引裝置具有安裝於熔液上方的一倒立 圓錐形或圓柱形氣體整流筒，其特徵在於： 驅動矽單結晶及石英坩堝以使其以相反方向旋轉， 且石夕單結晶的旋轉速度是設定在8〜16rpm，其為:¾禍之 旋轉速度的2倍以上。 2. 如申請範圍第1項之拉引半導體單結晶的方法， 其中在拉引單結晶鑄塊的預定區段期間該坩堝的旋轉速 度是設定在最小值’其中該區段是從單結晶體的開端到 單結晶全長之1 〇%距離處為止之間的區段，之後，慢慢 地增加坩堝的旋轉速度，並將其設定為不大於最大值 8rpm。 3. 如申請範圍第1項之拉引半導體單結晶的方法， 其中在拉引單結晶鑄塊的預定區段期間經由該氣體整流 筒之下端及該熔液之自由表面間夂間隙的惰性氣體的流 速是設定在最小值’其中該區段是從單結晶體的開端到 單結晶全長之10%距離處為止之間的區段，之後，慢慢 地增加該惰性氣體的流速》 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- i.v. 經濟部t央標準局員工消費合作社印策 本紙張尺度適用中國囷家操準（CMS ) A4規格（210X297公麓）