TWI301858B - - Google Patents

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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。

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Claims (1)

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