TW475951B - Method for fabricating a single-crystal semiconductor - Google Patents

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475951 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _ B7五、發明説明（i 本發明係有關於半導體單結晶製造裝置及半導體單結 曰曰製造方法，其係爲了謀求使用Cz〇chralski法所製造出之 半導體單結晶的軸方向之氧析出量及熱施子（thermal doner) 量之均一化，以降低剛長成之（as_gr〇wn)單結晶的缺陷，並 同時提高氧化膜之耐壓特性。 在半導體元件之基板上主要係使用高純度之單結晶矽，而 一般係使用Czochralski法（以下稱CZ法）作爲其製造方法。 CZ法係，將原料之塊狀的多結晶矽充填入設置於半導體單 結晶製造裝置内之坩堝中，藉由設置於前述坩堝周圍之加熱 器以加熱溶解原料而形成融液。接著，將安裝於種晶夾頭之 種結晶浸潰於融液内，一面使得種晶夾頭與坩堝互相呈同方 向或逆方向轉動一面拉引種晶爽頭而成長出早結晶秒。 由於藉由CZ法所拉引出之單結晶矽的品質特性，如氧 化膜耐壓特性、氧析出量、表面微小缺陷（bulk defects)等乃 是與單結晶矽之熱經歷有關，故從普知起即不斷進行前述熱 經歷之改善。依據日本特開平6-211591號公報及特開平6-211592號公報所揭示出之單結晶製造方法，藉由供給自加 熱控制裝置之電力而發熱之環狀的加熱器係’藉由兼作爲電 極之支持元件支持著，而藉由此以使得拉引中之單結晶矽的 外周面慢慢冷卻，以提高單結晶妙之氧化膜耐壓特性，同時 謀求氧析出量之均-化。又，藉由随意地調整則述環狀加熱 器之發熱量以積極地進行單結晶妙之熱^歷的調整。 然而，依據上述技術，由於環狀加熱器係設置於固定之位置，故會產生下述問題點。 請 先 閱 讀 背 之 注 項 再 填/ 寫 本 頁 會 訂 \本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公瘦 475951 A7 B7 2 五、發明説明（ (1) 無法迅速地針對由於石墨製爐内品質之劣化、或單 結晶拉引條件（融液面之位置、非活性氣體之導入條件等）之 變更所導致之爐内熱環境之變化產生對應。 (2) 爲了避免充填入坩堝内之塊狀原料與加熱裝置間產 生干涉，故在原料溶解時必需降低坩堝之位置。因此，會形 成不佳的原料溶解條件。 (3) 在拉引單結晶前所進行之扭轉種結晶而使其變細、 變長之無差排化時，由於環狀之加熱器會對視線產生妨礙， 因此無法進行無差排化之確認。 本發明係著眼於上述之問題點，其目的爲提供一種半導 體單結晶製造裝置及半導體單結晶製造方法，由於其可改善 氧化膜耐壓特性、氧析出量、表面微小缺陷等與單結晶矽之 熱經歷有強相關性之品質特性，且可迅速地對應爐内熱環境 之變化，故可有效率地進行原料之溶解及爲達成無差排化之 扭轉。 爲達成上述目的，本發明之單結晶製造裝置係，在藉由 CZ法時，設置環繞著拉引中的單結晶之環狀補助加熱器、 補助加熱器昇降裝置、及用來控制供給至補助加熱器的電力 及補助加熱器的位置之控制裝置。 又，本發明之單結晶製造方法爲，使用上述之半導體單 結晶製造裝置，當欲隨意地使得通過拉引中的單結晶之特定 溫度區域之温度梯度變化時，藉由在拉引中的單結晶中之溫 度比相當於前述特定溫度範圍之部位低100〜300 °C之部位 配置補助加熱器，一面加熱此部位一面進行單結晶之拉引。 \本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 請 先 聞 讀 背 之 注 項 再 % 寫' 本 頁 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 475951 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 B7五、發明説明（3 ) 在本發明之單結晶製造方法中，其特徵在於，使得當拉 引中之單結晶之温度由融點下降至1250 °C時之溫度梯度爲 20 °C/cm ;當自1200 °C下降至1000 °C時之溫度梯度爲20 °C /cm以下，且以15。0 /cm以下較佳。 再者，在溶解充填於坩堝内之塊狀原料時及爲了使得所 拉引出之單結晶無差棑化之扭動工程時，使得補助加熱器退 避至爐内之上方；而在拉引單結晶時令補助加熱器下降至既 定之位置以加熱單結晶之既定部位。 【本發明之實施形態及實施例】 本發明係在依據CZ法製造半導體單結晶時，爲了改善 拉引單結晶時之熱經歷而提出之製造裝置及製造方法。此製 造裝置係，由於在習知之半導體單結晶製造裝置中設置補助 加熱器、及用來控制補助加熱器之位置與輸入電力之控制裝 置，故可強制地加熱拉引中單結晶之既定的部位，而藉由加 熱以使得單結晶在特定溫度範圍之溫度梯度變小。又，可對 應於石墨製爐内品質之劣化及單結晶拉引條件之變更等爐 内熱環境之變化而迅速地變化補助加熱器之位置及輸出熱 力。 本發明之單結晶的製造方法係，由於在拉引中之單結晶 之溫度較相當於欲進行漸冷之温度區域部位低100〜300 °C 之部位設置補助加熱器，故可使得目標溫度區域之溫度梯度 變小，因此可改善與單結晶矽之熱經歷有關之氧化膜耐壓特 性、氧析出量、表面微小缺陷等之產生。 剛長成的（as-grown)單結晶矽之缺陷係，依據晶格與空 請 先 閲 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 Γέ 訂 I,本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 475951 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 B7五、發明説明（4 ) 孔數目間之均衡的變化而形成，而在單結晶矽之溫度達到 1180 °C附近時可決定出前述缺陷之大小及密度。本發明之 製造方法爲，爲了使得拉引中之單結晶矽的溫度自1200 °C 下降至1000 °C的部位之溫度梯度較爲緩和，故藉由補助加 熱器以加熱結晶溫度1100 °C〜700 °C附近之位置，且使得自 融點下降至1250 °C之溫度區域部分即固液界面附近之部位 形成較大的溫度梯度以使得結晶化較易進行，且不致降低生 產性，故可得高品質的單結晶。 又，由於在溶解塊狀原料時使得補助加熱器退避至爐内 上方，故可迅速且安定地進行原料之溶解。再者，當扭轉種 結晶而使其無差排化時，藉由補助加熱器之上昇而可使得無 差排化之確認變得容易。此外，由於對應於所拉引出之單結 晶的長度而形成所望之結晶熱經歷，故只要基於預先設定之 控制程式而變化補助加熱器之溫度或位置，即可進行廣範圍 且高精度之熱經歷控制。 接著，參照圖面以説明本發明之半導體單結晶製造裝置 的實施例。圖1係顯示本發明的第1實施例之半導體單結晶 製造裝置之概略構成的縱剖面圖。在主室1内，用來貯留作 爲單結晶矽的原料之石英坩堝3及用來收容石英坩堝3之石 墨坩堝4係，可轉動及可昇降般载置於坩堝軸5之上端。在 石墨坩堝4的周圍設置有環狀的主加熱器6及保溫筒7。 拉伸室（pull chamber)10係藉由接續室8及上室9而接續 於主室1之上方，而在藉由圖未示之金屬線捲起•轉動裝置 昇降及轉動之拉引金屬線11的前端安裝著種晶夾頭12。當 請 ka 閲 讀 背 之 注 意 事 項 再 本 頁 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

修iE

0 B7 475951 —^% 85108351號說明書修正頁 五、發明説明（5) 1補充 使得安裝於種晶夾頭12之種結晶潰浸於融液中並^ 一面使得種晶夾頭12及石墨坩堝4互相呈同方向或逆方 向轉動一面拉引種晶夾頭12以成長單結晶石夕13，而妆弓丨 至拉伸室10内。前述接續室8係，為了確保後述之補助 加熱器及熱遮蔽筒之昇降行程而設置者，當既有的主室工 已具備對於前述昇降行程而言為足夠之高度時，將主室i 直接接績於拉伸室9亦可。 於拉伸室10之外側設置昇降裝置14，在沿著導桿15 昇降之2根軸16的下端分別安裝有呈水平之支持元件17。 而可拆裝般裝設於前述支持元件17前端之支持元件18的 下端設置有如圍繞單結晶矽13般之補助加熱器19。轴16、 支持元件17、18及補助加熱器19皆為石墨製。此補助加 熱器19係，藉由來自圖未示之電力控制裝置21並經由轴 16、支持元件17、18而供給之高頻電力或阻抗加熱而將 單結晶矽13之特定部位加熱至既定之加熱溫度。在補助 加熱态19之周圍设置有可藉由不同於用來昇降補助加熱 器的昇降裝置之另外的昇降裝置（未圖示）而進行昇降之圓 錐狀的熱遮蔽筒20。 接著，說明有關本發明之半導體單結晶製造方法的實施 例。當將塊狀之多結晶矽充填入石英坩堝内時，驅動昇降裝 置14而如圖2所示般使得補助加熱器1〇往上昇，然後，再 驅動圖未示之昇降裝置以使得熱遮蔽筒20往上昇。藉由此 操作，由於在坩堝3之上方可形成空間，故可避免多結晶石夕 22與補助加熱器19、熱遮蔽筒20間之干涉。又，由於將石 本纸?f:尺度逆州十拽國家標卑（CNS ) Λ4規格（210X 297公釐） f詞先閱讀背面之注意事項再硪寫本頁) 訂_ 475951 A7 B7 五、發明説明（6 ) 英坩堝3固定於熱效率良好的位置，故可迅速地形成融液。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當充填於石英坩堝3之多結晶矽22溶解並形成融液 後，驅動圖未示之金屬線捲起•轉動裝置以使得種結晶潰浸 融液2中。接著，慢慢地捲起拉引金屬線，而開始進行爲了 達成無差排化之扭轉工程。此時，由於補助加熱器19及熱 遮蔽筒20已被拉引至上方，故可容易地藉由目祝確認扭轉 工程之進行狀況。當完成紐轉工程後，如圖1所示般令熱遮 蔽筒20及補助加熱器19下降至既定的位置，例如下降至拉 引中之單結晶矽13之温度爲800〜700 °C之位置。接著，一 面拉引種晶夾頭12 —面令單結晶矽13成長而拉引至拉伸室 10内。藉由圖所未示之溫度計檢驗出補助加熱器19之發熱 溫度，並將結果回授至電力控制裝置。藉由此以使得補助加 熱器19之發熱温度維持一定。藉由固定於前述位置之補助 加熱器19加熱單結晶矽13之特定部位，而使其自1200 °C 慢慢地冷卻至1000 °C。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 又，由於補助加熱器19之發熱溫度或補助加熱器19之 位置係爲了使得單結晶矽獲得所望之結晶熱經歷，故藉由圖 未示之電力控制裝置而按照拉引長度（結晶固化率）之不同 而進行不同設定程式之變化亦可。 現在説明應用上述之製造方法以製造出半導體單結晶 的實驗例。在此實驗例中，補助加熱器之輸出爲5kW或 7kW，補助加熱器之設置位置爲自單結晶之溫度爲11〇〇 t 至單結晶之溫度爲400 °C爲止分爲5個階段。又，亦使用習 知之未設置補助加熱器之方法作爲比較例而進行實驗。此等 9 ..本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）

X 475951 A7 B7五、發明説明（7 ) 實驗的結果所得之半導體單結晶之溫度梯度、良品率及單結 晶拉引的難易度係如表1所示。； 【表1】 _ 5kW TkW 1100 °C 1000 °C 800 °C to°c 400 °C 1100 〇C 1000 °c 800 °C TO°C 400 °C 〇〇3η m -1250 °C 175 192 253 2&7 29J0 15j0 16« 232 262 2&0 321 1200 eC 〜1000〇C 182 168 133 11.4 ld8 179 166 11.1 10.0 168 25.7 (%) 55 56 70 80 55 55 58 75 88 56 50 拉嫩度 X △ O ◎ ◎ X △ O ◎ ◎ ◎ 拉引難易度記號◎:極容易〇：容易△:困難 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 X:無法控制直徑 由表1可知，不管補助加熱器之輸出爲5kW或7kW， 只要將補助加熱器設置於單結晶之溫度爲800 °C或700 °C之 部位即可提高良品率，而可使得單結晶之拉引變得更容易。 當將補助加熱器設置於單結晶之溫度爲1100 °C或1000 °C之 部位時，由於希望進行快速冷卻之融點〜1200 °C區域之溫度 梯度形成不到20 °C/cm，且希望漸冷之1200 °C〜1000 °C區 城之溫度梯度形成超過15 °C/cm，故所得良品率未達60%， 因此造成拉引時不易控制直徑（X代表無法控制直徑）。當將 補助加熱器設置於單結晶溫度400 °C之部位時，良品率亦未 達60%。又，在比較例之未設置補助加熱器時，希望漸冷之 10 ，、本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 475951 A7 B7 五、發明説明（8 ) 1200 °C〜1000 °C區域之溫度梯度形成超過25 °C/cm，而良品 率爲50%〇 由上述之實驗結果可知，藉由補助加熱器加熱單結晶溫 度爲800〜700 °C之部位，以使得單結晶在通過1200 °C〜1000 。(：之溫度區域時可形成15 °C/cm以下之溫度梯度而進行漸 冷，故可使得單結晶矽具有較佳的熱經歷。 圖3係本發明之第2實施例之單結晶製造裝置的部分模 式圖，在上室9之上端設置有朝向下方之短的熱遮蔽筒23。 由於補助加熱器19可上昇至前述熱遮蔽筒23的下端附近， 故具有可漸冷單結晶13之任何部位之功能。 圖4係本發明之第3實施例之單結晶製造裝置的部分模 式圖，在上室9之上端垂設有朝向下方之短的熱遮蔽筒24。 熱遮蔽筒24之下端係與如圖1所示之熱遮蔽筒20同樣般可 到達融液2附近之上方。藉由前述熱遮蔽筒24可遮蔽主室1 及上室9内的輻射熱，因此雖然拉引中的單結晶矽13之首 部係進行急速冷卻，但所要求之部位係藉由補助加熱器19 而進行漸冷。補助加熱器19係可沿者前述熱遮蔽筒24之内 面而進行昇降。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖5係本發明之第4實施例之單結晶製造裝置的部分模 式圖，此單結晶製造裝置係具備同前述各實施例般之可昇降 的補助加熱器19，但並未設置熱遮蔽筒。藉由補助加熱器 19以使得拉引中之單結晶秒13之所望的部位進行漸冷。 在上述實施例2〜4中，藉由同第1實施例般之使得拉引 中之單結晶矽之所望的部位進行漸冷，故可使得單結晶矽具 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 9 五、發明説明（ 有所望之結晶熱經歷。且用來控制補助加 置的機能係與第！實施例相同。 、、、^力#制裳 再者，依據本發明之單料製造裝置係，不 拉引出單結μ熱經歷，亦可增大料晶原収 2所 即:如圖6所示般當充填於石英料3之塊狀的多結 解後，藉由使用補助加熱器19加熱吊掛於拉引金屬^了 疋多結晶料25，可*致造成石英_3之過大的 簡單地使得進料量增大。 >、何而 依據以上所説明般之本發明可得下述之效果。 ⑴由於開發出-種半導體單結晶之製造裝置及 法，在依據CZ法製造半導體單結晶時，t單結晶在妹 長之後的冷卻過程中通過特定的溫度區域時，藉由補助^叙 器以使得溫度梯度㈣緩和，故可將單結晶之熱經歷朝所: 之方向調整，因此可容易地製造出氧化膜耐壓特性、氧析= 量、表面徵小缺陷等與熱經歷有關之品f特性優異之單結晶 秒。 (2) 由於補助加熱器爲可昇降的，且其發熱溫度爲可變 的，故可將單結晶賴核經歷進行高精度、廣範圍地控 制。 二 (3) 藉由使得補助加熱器上昇，可容易地進行塊狀原料 之溶解、及爲了達到無差排化之扭動。 (4) 依據本發明之半導體單結晶製造裝置係，由於使用 現有的設備即可低成本地設置，故不需要大規模的投資。 【圖面之簡單説明】 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4^ΤΤΐ〇>097^ 10 丄 五、發明説明（ 圖1係顯示依據本發明之第1實施例之半導體單結晶製 把裝置的概略構成之縱剖面圖。 ^ ^ 2係顯不在圖丨的半導體單結晶製造裝置中，當補助 加二器及熱遮蔽筒爲上昇的狀態下之縱剖面圖。 、圖3係顯示本發明的第2實施例中補助加熱器昇降之模 式圖。

I 圖4係顯示本發明的第3實施例中補助加熱器昇 式圖。 T〜佚 、圖5係顯示本發明的第4實施例中補助加熱器昇降之模 式圖。 圖6係顯示本發明之其他利用方法之模式圖。 【符號説明】 訂 1〜王至，2〜融液，3〜石英坩堝，6〜主加熱器，8〜接繪 加熱器’ 9〜上室，1G〜拉伸室’ η〜拉引金屬線，13〜科 晶矽，14〜昇降裝置，19〜補助加熱器，20、23、24〜敛遮 蔽筒，22〜多結晶矽。 .、 13 :\手紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐）

Claims (1)

1. 475951 修正 修曰 4 :爽).12.28 A8 --fig. ___第85108351號申請專利範圍修正 六、申請專利範圍 1一種半導體單結晶之製造方法，其係使用設置有圍繞 拉引中之單結晶的環狀補助加熱器之半導體單結晶製造裝 置，當欲使得通過拉引中之單結晶的特定溫度區域之溫度 梯度變化時，在拉引中的單結晶之溫度較相當於前述特定 溫度區域的部位低1〇0~3〇(rc之部位處配置補助加熱器， 以一面加熱此部位一面進行單結晶的拉引，其中，使得拉 引中之單結晶的溫度自融點下降至時之溫度梯度為 2〇t：/c:m以上；自12〇〇。(：下降至1〇〇〇t：時之溫度梯度為小 於 20〇C /cm。 -1. -------------.0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) til· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ϋ ϋ i_i I I *1 I ϋ n ϋ n ϋ ϋ 1 n n n I ϋ ϋ .1 ϋ ϋ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）