TWI301858B - - Google Patents
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Description
1301858 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種使用cz(Czochralski)法 單結晶石夕等單結晶半導體時,能以無錯位來製造大。、1 ^ 重量之單結晶半導體之製造裝置及製造方法。 ^大 【先前技術】 單結晶矽製造方法之一係α法。 以cz法來成長單結晶石夕時,無法避免的問題之〜 種子結晶接觸到熔液時產生在種子結晶固液界面部:有 ^前述錯位,係在種子結晶接觸到熔液時,因為誘= 種子結晶内之熱應力所產生。 ”毛於 為了將此錯位穿透到結晶外,需使結晶直徑細小化到. 〜4lDm’亦即使其縮頸。第7圖係表示形成結晶直徑為3〜/ 之縮頸部21,使錯位穿透到結晶外部。 mm 可是:近年來有直徑3_m以上大口徑石夕晶圓製造之需 而要求順利地牵引大口徑大重量之單妹晶 者从而 頸處理,使缩頸邻亩辦始, "夕’ ®糌由縮 直押合/ 3〜4随_,去除錯位之物件 广太細’而無法避免在製造時大口徑 鑄塊會掉落。 里I早〜晶矽 (先前技術1 ) 後述之專利文獻1中,記#右 之石夕種子° Μ 濃度雜質 、〇日日 口杈大重量之單結晶矽鑄塊無須杂# J处理,而於無錯位之狀態下牵引鑄塊之發日月。、& 【專利文獻丨】日本特開2001-240493號公報 【發明内容】
7054-6736-PF 6 1301858 【發明所欲解決的課題】 本發明,係新發現將導人種子結晶之錯位加以抑制之史 且,在無須實施縮頸處理且在無錯位化之狀態下,能 谷易貫施單結晶半導體之牽引。 【用於解決課題的手段】 第1發明係一種單結晶半導體 ,^ ^ +Ja^ 干导體之製造裝置,以加熱機構 =竭内之溶液’使添加有雜質之種子結晶接觸到熔液, =^丨種子結晶來製造單結晶半導體,其特徵在於:在種 子、、、口日日接觸到熔液時,以加埶機 …、機構調整熔液,同時施加磁場 到熔液,以使種子結晶與炼 狀间之/皿度差,係在錯位不導入 種子結晶中之容許溫度差以下。 第2發明係一種單結晶半導體之製造裝置,以加 加熱坩堝内之熔液,使添加 …冓 Μ * ^ H, ^ ^ ^ 畀雜質之種子結晶接觸到熔液, =牵引種子結晶來製造單結晶半導體,其特徵在於·在掛 塌外侧設置獨立調整對於ω 乃登對於坩堝加熱量之複數調整 子結晶接觸到熔液時,以複 ^在種 磁尸β Μ數凋整機構調整熔液,同時施加 磁场到熔液,以使種子結晶 導入籍^日/ 日日,、熔液間之溫度差,係在錯位不 導入種子結日日中之容許溫度差以下。 第3發明係如申請專利範圍第1或2項所述之單社曰半 導體之製造裝置,其 :一 濃度與種子結晶之尺寸,w =加到種子結晶之雜質 溫度差。 t I出錯位不“種子結晶中之容許 第4發明係如申請專利範圍第2項所述 之製造裝置,其特徵在於:複數調整機構中,至少㈣:: 側之加熱機構,在種子結晶接觸到熔液時之加熱量,與在牵
7054-6736-PF 1301858 位導入被抑制。 而且’當種子結晶14接觸到熔液 處理,就能牵引單結晶矽。 貫施鈿頌 種子結晶14接觸到熔液5後,在牵引單結 續控制投入主加熱器9之雷夬r r ^ ”0 9之電力(Kw),以使在投入底部加埶 态19之電力(Kw)與種子鈐曰技鉋卜★士 …、 、口日日接觸仏液時相同地維持3 之狀況下,使熔液5之溫度變成 广5(KW) 殳風目铩/皿度。對於熔液5則持 、.,貝轭加相同磁場強度3〇〇〇 (高斯)之磁場。 結果,無須實施縮頸處理,就能無錯位地培養單結晶石夕。 如上所述’本發明係在種子結晶雜質濃度之外,新發現 將導入種子結晶之錯位加以抑 I市彳扪苓數。而且,藉此,在盔 須實施縮頸處理且在無錯位化 ^ θ ^ … 半導體之牵引。 狀恕下’能容易實施單結晶 亦即,在種子結晶接㈣液時與錢,皆使投 熱器19之電力維持不變或幾半 ^ 飞成子不變,就能實現被牽引出之 皁結晶無錯位化,所以,你* 章者…而曰: 器調整作業簡易化,減輕作 業者的負擔。而且,當使用本 時盥1徭,#浐入Λ 月時,在種子結晶接觸熔液 守,…、後使才又入底部側加埶5| 1 q ★中丄^ 上之高值(),就能實現被?電力維持-定水準以 19之電力升高,而使被牵接:二 出之早結晶直徑變化很大。 在第1發明、第3發明、筮口女 ^ 第5發明及第6發明中,力^ 熱機構之概念中,也包含加埶 , 3加熟機構非複數而為單一 當使用本發明時,在稽;从 ^ ^ ^ ^ ^ Φ …晶接觸熔液時與其後,皆使 扠入(早一)加熱态之電力維 寺不變或幾乎不變,就能實現
7054-6736-PF 9 4 13〇1858 出之單結晶無錯位化,所以,使加熱器調整作業簡易 ’減輕作業者的負擔。 可而且,^使用本發明時,因為無須實施縮頸處理,所以, ^ W在種子結晶接觸炼液後,馬上逐漸擴大直徑同時加以牵 ,到所謂肩工序,如第8圖所示,也可以在種子結晶 熔液後,在大概一定直徑下,實施結晶成長部22 (例如 2度約5〇mm)之牽引,在確認熔液溫度適當後,轉移到肩工 〇 【實施方式】 以下,參照圖面來說明實施形態之裝置。 土 第1圖係表示本發明實施形態之單結晶牵引裝置之示 圖。 如第1圖所示,實施形態之單結晶牵 ^ K ^ ^ ^ 曰年刃衷置1,係具備
為早1日日牽引用容器之CZ爐(腔體)2。 E 牽引#署1及&人 弟1圖之早、、、口日日 〜裝置卜係適合於製造大直徑(例如3〇〇mm)、大重量之 單、、吉晶硬鑄塊。 加以二CZ爐2内,設有將熔融多結晶石夕原料所成之熔液5 石夕,3二广禍3。而且’為了牵引直徑3°〇龍單結晶 LL左右之多結晶石夕係被裝填到石英掛禍3内。石 兴坩堝3之外側以碳坩堝i i覆蓋。 讯女丄血 ^、石央掛堝3外側側面, 叹有加熱熔融石英坩堝3内之多結晶 哭Q & — ΰ日日矽原枓的圓筒狀主加熱 i石4石央㈣3底部,設有辅助加熱石英料底面,防 :央掛塌3底部熔液5固化之圓環狀底部加熱器Η。主加 熱益9及底部加熱器19之輸出( 扼士神姑 刀手’ kW)係獨立控制, 獨立调整對於熔液5之加熱量。例 王加熱器9及底部加 7054-6736-PF 10 1301858 熱器19之各輸出係被控制’以使檢出熔液5之溫度,將檢 出溫度當作反饋,使熔液5溫度達到目標、溫度。 而且,於實施形態中,雖麸蕤 叫Ί Λ A 雒“、、藉由主加熱器Θ及底部加熱 裔1 9自外部加熱熔液5,但是,加埶撬 加熱機構並不侷限於加熱器, 也可採用其他加熱機構。例如,也 照射加熱法。 也了‘用電磁加熱法或雷射 於主加熱器9與CZ爐2内壁間’設有保溫筒13。 ,石英_3上方設有牵引機構4。牵引機構‘係由牵 引軸4a及牵引軸4a前端之種子έ士曰水 扁—丄 于、、、口日日夾碩4c。種子結晶14 係糈由種子結晶夾頭4c來把持。於此, M& ^ ^ ^ 牢与I轴4a係例如轴 體或繩索’以軸體牽引或以繩索捲揚。 多結晶矽(Si )係於石英坩堝3 c ^ Μ被加熱熔融。當熔潘 5之溫度穩定化時,牵引機構4會動作,而士 晶石夕鑄塊)會自熔液5被牵引出 =Ba/(早~ α叫’晕引軸4a下降, 而被牽引轴4a前端種子結晶夾頭4c 寻之種子結晶14會 …液5中。使種子結晶14浸入溶液5後,牵引轴4a: j升。對應被種子結晶夾頭化夾持之種子結晶"的上升: 早結晶矽會成長。牵引時,石英掛 « d稽由旋韓 ω 1旋轉速度旋轉。又,gg ^ 4 , 』 機稱4之牵引軸4a係以盘旋棘 軸1〇相同或相反的方向,以…旋轉速度旋轉。Ά轉 又,旋轉軸1〇可垂直方向驅動 動到任意位置。 冑石央W上下移 藉由切斷以爐2内部與外部大氣之聯繫力爐 維持真空狀態(例如20T〇rr左右)。亦 孤 ’、 乳7到CZ爐2中,cz爐2以幫浦自 飞
娜汛α排氣。藉此,CZ 7054-6736-PF 11 1301858 爐2内係減壓到既定壓力。 :單結晶牵引工序中(1批次)’於 種蒸發物質。於此,供給氬氣7到以壚 内:產生種 與氬氣7同時排出(:2爐2。氬氣7之 係^發物質 各工序而分別設定。 -里係们批次中 隨著單結晶矽之牵引,熔液5會 少,…與石英掛竭3之接觸面積會〔變=液/之減 產生的乳溶解量會改變。此變化會影響被 夬掛禍3 氧濃度分佈。於此,為了防止上述現 早-晶石夕中之 原料或單結晶矽原料於牵引後或牽 以將多結晶矽 逐漸少的石英掛螞3内。 追加供給到… 於石英甜禍3上方,在單結晶石夕周圍 座形的遮熱板8 (氣體整流^絲板=略成倒圓錐 支撑》遮熱板8,係使自上方供給到^ 保溫筒13所 體的氬氣7,被導$丨到熔液表面5a中央T而作為载體氣 面5a被導引到溶液表面5a周緣部。而且,”通過溶液表 熔液5蒸發之氣體,自設於cz爐2下部 係與自 此’能使液面上之氣體法、穿薅—.> A 軋口’出。因 之氧氣保持在穩定狀態。 使自…条發出 的單:::熱不板二係使種子結晶14與自種子結晶“成長 石英_3、熔液5及主加熱器9等的 二之雜質=熱所影響。又,遮熱板8’係能防止爐 止妨礙單== 氧化物)等料於單W,而能阻 妨礙早一夕培養的因素。遮熱板8下端與熔液表 間之間隙G,可藉由上升下降旋轉轴1Q,改變石英㈣3之
7054-6736-PF 12 1301858 η置來调整。又’也可以藉由上下移動升降裝置來調整 於α爐之外側周圍,設有施加磁場(橫磁場 掛瑪3内熔液5之磁鐵20。 、 第2圖係表示種子結晶接觸到熔液5時,種子鲈曰 洳知面與熔液5 (接觸面)間之溫度差△τ (亡),及 处 晶14中最高解析剪斷應力MRSS(Mpa)間之關係。戶^ == 、:晶14中最高解析煎斷應力聰(Mpa),係接觸到:液5 :施^在種子結晶14上之熱應力最高值,其表為 =導入錯位到種子結晶“中之指標。第2圖係畫出藉: …傳解析汁异(FEMAG)算出之溫度差ΛΤ 計算(FEMAG)算出之最高解析剪斷應力_傳解析 如第2圖所示,當溫度差ΔΤ愈小時,種子結晶“中 最高解析剪斷應力聰會愈小,因熱衝擊所導致之錯位較 不易導入種子結晶1 4中。 另外’本發明者們已經專利申請有:依據添加姓 晶之雜質濃度與種子結晶尺寸,預先求取錯位不導入種^ 晶:之容許溫度差(熱應力),當種子結晶接觸到熔液時、: 射卜側之加熱器輸出,以使種子結晶與熔液間之溫度 差成為該容許溫度差以下6 η 圭以下C日本特願2002-2041 78號)。於 該日本特願2〇〇2-2041 78號中,開示有添加到種子結晶14 之雜質(例如硼B)濃度C、種子結晶14之尺寸(直徑㈧、 臨界解析剪斷應力(CRSS;MPa)與容許溫度差^之關係。 亦即’弟3圖,係使種子纟士曰1 / 一土 口货便裡于、、、口曰日14尺寸(直徑D) (_) 為檢軸,接觸熔液時之種子結晶14前端溫度與溶液5(接觸 7054 ~ 673 6-PF 13 1301858 面)溫度間之容許溫度差△ Tc為縱軸,直徑D與容許溫度差 △ Tc間之對應關係以特性u,l2, L3表示。如特性L1,L2 L3 所不,種子結晶直徑D與容許溫度差△ Tc之間約略成反比關 係。亦即,隨著種子結晶直徑D變大,施加在接觸熔液時之 種子結晶1 4上之熱衝擊應力會變大,對應於此,有必要減 少容許溫度差△ Tc。 4 於此’所谓容許溫度差△ T c,係不會使錯位導入種子名士 晶14之上限溫度差。 特性L1,L2,L3,係表示種子結晶14機械強度指標之一 的臨界解析剪斷應力(CRSS ; Mpa )大小之不同。所謂臨界 解析剪斷應力(CRSS),係當超過應力時,錯位會導L種子 結晶14之臨界應力。於圖中,特性u係臨界解析剪斷應力 (CRSS)為最小(5MPa)、特性L2係臨界解析剪斷應力(a%) 比特性U大小(10MPa)、特性L3係臨界解析剪斷應力(crss) 為最大小(15MPa) 〇 臨界解析剪斷應力(CRSS),係因為添加到種子結晶ι 之雜質種類、濃度C而改變。於本實施形態中,雜質種: 設為硼B。 對應添加到種子結晶1 4 剪斷應力(CRSS)也會變大。 度C對應Cl,C2, C3逐漸變高 第3圖中,雖然雜質濃度c以 應雜質濃度C之更多階段或連 或連續性改變。 之雜質濃度C變高,臨界解析 添加到種子結晶i 4之雜質濃 特性變為L1,L 2,L 3。而且於 3種來代表’但是,也可以對 續性改變’而特性有更多階段 時,對應雜質 因此,當種子結晶14直徑D為例如D,
7054-6736-PF 1301858 5 (測4 ( 1 )〜(3))時,調查錯位是否導入矽種子結晶。 於第4圖中,對於錯位有導人砍種子結晶14而單結晶石夕係 有錯位化者才不5己X符號;對於錯位無導入石夕種子結晶K 而單結晶矽係無錯位化者,標記〇符號。於實驗中,裝填3⑽。 多結晶石夕,牵引直徑300mffi之單結晶石夕。又,於實驗中,使 投入底部加熱器19之電力固定在各值(〇Kw、1〇Kw、35Kw), 以閉回路控制系統控制投入主加熱器9之電力,以使熔液5 中之種子結晶14接觸的液面為目標溫度(例如134〇它)。 如第4圖所不,當不施加磁場到熔液5 (測試(})〜 (3))時,僅有調整對底部加熱器19之投入電力為 調整對主加熱器9之投入電力& 138 (Kw)時之測試⑺, 其溫度差為容許溫度差△ Tc ( 1〇{rc )以下之95· 6 ( ),而 確認為無錯位化,此外的使投入底部加熱器19之電力為 以上(lOKw、35KW)之測試(1)〜(2)中,溫度差(lll i °C、103.2°C)超過容許溫度差,而確認出有錯位化。 相對於此,於施加磁場到熔液5之情形下(測試(4 ) (6 ))’無論對底部加熱器1 9及主加熱器9之投入電力(投 入電力比率)為何,都能獲得容許溫度差八^(1〇〇。(:)以 下之溫度差(92.2。(:、82.5t、78.5。〇,在上述全部測試 中,都忐確認無錯位化。特別是使對主加熱器9之投入電力 為比〇Kw還要高之值(10Kw、35Kw)的測試中,相對於未施 加磁場而有錯位化者,當施加磁場時,就能確認其無錯位 化。而且,於第2圖中,第4圖實現無錯位化之點則標記〇 符號,有錯位化之點則標記X符號。 如上所述,藉由施加磁場到熔液5,無論對加熱器之投 7054-6736-PF 16 1301858 投,主加熱H 9之電力’與第4圖之測試⑷相同地,分 J '、 ( Kw )及11 2 ( Kw ) ’種子結晶14接觸到熔液5時, 種子結晶14與熔& 5之溫度差△ τ,係變成容許溫度差△ τ。 (100°c )以下之值(92.2t ),錯位導入種子結晶14之現 象則被抑制。 而,’種子結晶14接觸到熔液5後,不實施縮頸處理 :牽引單結晶矽。在種子結晶14接觸到熔液5後,在牽引 早:晶矽中也持續控制投入主加熱器9之電力(Kw),以使 在投入底部加熱器19之電力(Kw)與種子結晶接觸溶液時 相同地維持35 (Kw)之狀況下,使溶液5之溫度變成目標溫 f。對於熔液5則持續施加相同磁場強度3〇〇〇 (高斯)之磁 場。,即,在種子結晶14接觸到熔液5時之磁場強度,係 與在單結晶成長時施加之磁場強度相同。 2果,無須實施縮頸處理’就能無錯位地培養單結晶矽。 虽使用本發明時,因為無須實施縮頸處理,所以:可以 在種子結晶接觸熔液後,馬上逐漸擴大直徑同時加以牵引, 轉移到所謂肩工庠,士铉R同% — 序#第8圖所不’也可以在種子結晶接觸 熔液後,在大概直徑下,實施結晶成長部22 (例如長度 約50龍)之牵引’在確認溶液溫度適當後,轉移到肩工序。 結晶成長部22直徑(最小結晶直徑)最好係4μ以上。 當使用本發明時,在種子結晶接觸熔液時與其後,皆使 二入底部加熱器19之電力維持不變,就能實現被牽引出之 早結晶無錯位化’所以加熱器調整作#變得簡易化,而減輕 «者的負擔。又,當使用本發明時,在種子結晶接觸溶^ 犄與其後,使投入底部加熱器19之電力維持一定水準以上
7054-6736-PF 18 1301858 方e加之磁場強度,與單結晶成長時施加之磁場強度相同,但 疋也可以使種子結晶1 4接觸熔液前所施加之磁場強度, 比單結晶成長時施加之磁場強度還要大。 又,本實施例1中,預設使用直徑7_矽單結晶14而 做過說明,但是,當使用直徑4mm以上矽種子結晶時,同樣 地在無須實施縮頸處理下,就能培養單結晶矽。在牵引重量 超過200公斤而直锂3〇〇mm的單結晶矽時,矽種子結晶κ 直徑最好在5mm以上。 (實施例2 ) 又,也可以以第5圖所示之單結晶牽引裝置〗取代第玉 圖所示之單結晶牵引裳置1。 於第5圖所示裝置中,省略底部加熱器19之配設,主 :熱器9沿著石英堆竭3上下方向,分割成上下2段之加熱 器9a,9b。加熱器9a,9b可調整對於石英坩堝3之加熱量, 亦即輸出可獨立調整。膏滅;帘能f ^貫施形態之裝置中,雖然使加熱器9 分割成2段,也可以分割成3段以上。 以上構成之多重加熱器也與實施例]相同,當施加磁場 到熔液5時,在種子結晶接觸熔液時與其後,使投人底部側 (下侧)加熱器⑽之電力,維持一定水準以上之高值(35Kw), 在不實施縮頸處理’就能實現被牵引出之單結晶無錯位化。 (實施例3 ) 於上述實施例中,預設單結晶牽引裝置1具有多重力“ 盗而做過說明。可是,當單結晶牽引裝置i具有單一力… 時《藉由❹磁場5’同樣地也能容易地實現無錯化 亦即於第1圖中,即使於底1A ^ w # I從π虺冲加熱荔19配置省略之$ 7054-6736-PF 20 1301858 之尺寸,來求出容許溫度差ATc。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示實施形態單結晶牵引裝置之示意圖。 弟2圖係表不種子結晶與溶液間溫度差與最高解析剪 斷應力間關係之曲線圖。 第3圖係表示種子結晶直徑與種子結晶中雜質濃度與 容許溫度差間關係之曲線圖。 第4圖係表示為了比較施加磁場於熔液與不施加磁場 於熔液之不同’所做實驗所得實驗結果之圖表。 第5圖係表示與第1圖不同之單結晶牵引裝置示意圖。 第6圖係表不添加於種子結晶之各種元素,與熱衝擊錯 位不導入之濃度範圍間之關係圖表。 第7圖係表示縮頸部之示意圖。 第8 表示種子結晶接觸熔液後之結晶成長部示意 圖。 【主要元件符號說明】 1〜單結晶牵引裝置;2〜cz爐; 3〜石英坩堝 4a〜牵引軸; 5〜熔液; 8〜遮熱板; 9b〜下加熱器 11〜石墨坩堝 14〜種子結晶 20〜磁鐵; 4〜牵引機構; 4c〜種子結晶夾頭; 7〜氬氣; 9 a〜上加熱器; 1 0〜旋轉軸; 1 3〜保溫筒; 1 9〜底部加熱器; 21〜縮頸部;
7054-6736-PF 1301858 22〜結晶成長部。
7054-6736-PF 23
Claims (1)
- 修正日期:96.2.12 方法,藉由可獨立調整的複 ’使添加有雜質之種子結晶 來製造單結晶半導體, 她38721號中文申請專利範圍修正本 ;j、|讀專利範圍: ^ '13 APt't —〜一.:. I 一種單結晶半導體之製造 數個加熱機構加熱掛禍内之熔液 接觸到熔液,藉由牵引種子結晶 其特徵在於: 熱溶液同時施加橫磁場到 ’在種子結晶接觸到溶液 體中之加熱量,係不變或 之溫度差,係在錯位不導 在種子結晶接觸到溶液時,加 熔液,而且坩堝底部侧之加熱機構 時之加熱量,與在牵引單結晶半導 幾乎不變,以使種子結晶與熔液間 入種子結晶中之容許溫度差以下。 2·如申請專利範圍第1項所述之單結晶半導體之製造 方法,其中,依據添加到種子結晶之雜質濃度與種子結晶之 尺寸’求出錯位不導入種子結晶中之容許溫度差。 7054-6736-PF2 24
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