TWI310058B - - Google Patents

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V 1310058 九、發明說明： 【發明所屬之技術領烕】 石本發明係有關於使用CZ(Czochralski)來製造單結 單、、'"曰半導體的製造方法，且特別有關於製造單結 、體以使此取知平垣度彳艮高之半導體晶圓的方法。 【先前技術】 單結晶矽製造方法之一係CZ法。 以CZ法來成長牽引的單結晶矽（鑄塊），係經過切片、 1及腐蝕而提供做半導體裝置用的矽晶圓。 加硼=p於熔液中’矽晶圓為了取得希望的電阻率而添 、雜質’然後自炫液牵引成長單結晶石夕。 地被Γ此’在牽引成長單結晶♦之過程中，雜質並非均句 得=。因此’當使自牵引成長後之單結晶梢塊)取‘ 對應雜向(垂直於晶圓面)切割時，可觀察到 環狀雜皙，毚： 成長花紋’⑨晶圓面内部，可觀察到 衣狀雜質濃度不均。 另外’近年來依據半導 置在規格上要求種類，有的半導體裝 Ν的碎晶圓表面平坦度。 關連本發明之先前技術，有下述專利文獻卜 於專利文獻中，記載 取入單結晶矽之氧痛，你h 目石央坩堝透過熔液被 氧使出現於矽晶圓面内之氧褒：當斧；:[; 均變小之發明。該丰也〆 圓門之氧就/辰度不 熱器内徑為d，，而使h/d…。以：，重二長度為h，加 • ^下 糟此，使石夕晶圓 7054-6738-PF;Ahddub 5 1310058 面内之氧氣濃度不均變小。 【專利文獻1】曰本特開u-1 1 6390號公報 【發明内容】 【發明所欲解決的課題】 發月者，係發現石夕晶圓面 為硬度不均，其影響到晶圓之平坦度表現 度雜質時，更容易產生硬度不均。 ”、加向邊 亦即’當添加雜質時，會產生結晶硬化效果 於梦晶圓面内，g γ α 因此， 雜質濃度不均以硬度不均來顯菩作, 研磨工序研磨時， ” 化，當在 、因為在日日圓面内各部的硬度 生微小凹凸。同樣地，者 问，而產 田在腐蝕工序實施腐蝕時，因武 度不均會產生微小。U 因為灌 凸廷樣形成的微小凹凸會出1 坦度劣化之原因。 賞成為使平 丰發明，係鐘於上彼杳 、边實情而產生之發明，在自校、v 引成長單結晶半導體之、 、 ’藉由雜質被更均勻 單結晶半導體中，使半導髀曰门 J地卑 災干导體晶圓面内之雜質濃度 小’以提南晶圓平坦度。 而且，上述專利文獻1 煱透過熔液被取入單結晶石夕 圓面内之氧氣濃度不均變小 結晶半導體的雜質（硼等）為 度不均變小之本發明不同。 所記載之發明’係以自石英掛 之氧氣為對象’使出現於曰 、y晶 之發明’與以自熔液被取人單 對象’使石夕晶圓面内之雜質農 7054-6738-PF；Ahddub 6 1310058 1) 在牽引單結晶矽6時，於熔液5之對流形成不均勻 流動，自熔液5取入單結晶6之雜質濃度會變化。 2) 在單結晶矽6成長之間，藉由單結晶矽6旋轉而產 生溫度差，並發生再融化（暫時固化之結晶再回到液狀）， 藉此，自熔液5取入單結晶6之雜質濃度會變化。 3) 單結晶矽6與熔液5之接合部的成長界面（固液界面） 傾斜被注意到，因此，在觀看晶圓縱剖面時，可觀察到很 多橫切成長界面之成長條紋（有雜質濃度之不均）。 於此，本發明者，對於使垂直晶圓面切斷時之成長條 紋間隔均勻（而且使成長條紋緻密而淡），使晶圓面内之環 狀雜質濃度不均變小（變無），認為以下為重點。 4) 抑制牽引速度之變動，避免再融化。 而且，依據上述假設而實施實驗時，獲得第3圖所示 之結果，證明上述假設為正確。 亦即，當使用第1發明時，在牽引單結晶半導體6之 過程中，藉由抑制牽引速度之變動，能使單結晶半導體6 内之雜質濃度不均變小。 當使用第2發明時，在牽引單結晶半導體6之過程中， 藉由調整牽引速度在 1 0秒間之速度變動幅度△ V為未滿 0. 0 2 5mm/ m i η，能使單結晶半導體6内之雜質濃度不均變小 (參照第3圖）。 而且，當調整控制牽引速度，以使單結晶半導體6直 徑成為希望的直徑時，施加1 5 0 0高斯以上強度之磁場到熔 液5，對於抑制牽引速度變動會很有效（第3發明）。亦即， 7054-6738-PF;Ahddub 8 1310058 作為早結晶牽引用容器之CZ爐（腔體）2。第1圖之單結晶 牵弓丨裳置1，係適合製造例如直徑200mm〜3〇〇_ 塊6之裝置。 於cz爐2内，設有將融化多結晶矽原料 石乂收谷的石英坩堝3。而且，為了牽引直徑300_單結晶 矽，300公斤左右的多結晶矽被裝填到石英坩堝3内。石英 坩堝3外側以石墨坩堝u覆蓋。在石英坩堝3外側之側邊: 設有加熱溶融石英㈣3内之多結晶石夕原料的圓筒狀加教

器9。加熱器9之輸出（功率；kW)係被控制，以調整對於、熔 液5之加熱量。例如，加熱器9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 目標溫度。 而且，於實施形態中，雖 ' ^ τ雖然藉由加熱器9自外部加 熔液5,但是，加熱機構並 用丨民於加熱is，也可採用盆， 加…、機構。例如，也可採用電磁加熱法或雷射照射加/法

於加熱器9與以爐2内壁間，設有保溫筒13。 於石英坩堝3上方設有牵引撫搂 ^ 罕引機構4〇。牵引機構40係 牵引軸41牽引軸41前端之種子姓曰 / 卞、.、°日日夾碩42。種子結晶 係藉由種子結晶夾頭42來把持。於+ . ^ 於此’牽引軸41係例 繩索，作為牵引軸41之繩索4卜係以捲取滚筒43來捲. 繩索41。捲取滚筒43係藉由馬達“來旋轉。馬達44中 有藉由檢出施加於馬達44上之备— I員何而檢出被牵引出的單 晶石夕6重量（結晶重量）之負荷偵 7 1貝知窃4 5。控制盤5 〇，係 負荷摘知器45檢出值當作回饋|也 傾垔來取入，實施第2圖所 7054-6738-PF;Ahddub 10 1310058 内容之回饋控制’對於馬達44輸出驅動指令 而且，第1圖中，雖然牽引軸41 也可以軸體來構成。 多結晶石夕（SU係於石英掛竭3内被加熱炫融。當燦 之溫度穩定化時，牵引機構40會動作， 夜5 平、、、《日日石夕β (單 晶矽鑄塊）會自炫液5被牽引出。亦即， 1 罕Ν軸41下降， 而被牵引軸41前端種子結晶夾頭4 2夾持之種子於日 ’ 浸入熔液5中。使種子結晶14浸入熔液5德，备3曰，U會 段，牢弓丨轴41 會上升。對應被種子結晶夾頭42失持之種子結晶i4 ^ 升，單結晶矽會成長。牽引時，石英坩堝3藉由旋轉^上 而以ω 1 (例如〇. 1〜〇· 2r pm)旋轉速度旋榦。7 少 得又牵弓I機構 40之牵引軸41係以與旋轉軸10相同或相反的方 、 旋轉速度旋轉。 又，旋轉轴10可垂直方向驅動，使石英时瑪 動到任意位置。 藉由切斷CZ爐2内部與外部大氣之聯繫，cz爐 維持真空狀態（例如20Torr左右）。亦即，，隋性氣胃 以繩索來構成，钽是， (ύ 上下 移 内係 被供給到CZ爐2中，而自CZ爐2排氣口以幫浦排氣 藉 此，CZ爐2内係減壓到既定壓力 於單結晶牽引工序中（1批次），於CZ爐2内會產 種蒸發物質。於此’供給氬氣7到CZ爐2内， 與鼠氣7同時排出CZ爐2。或氣7之供认、-&旦总从 穴、、、口 "丨L里係依1抵次 中之各工序而分別設定。 隨著單結晶矽6之牽引’熔液5會诘，丨、昧切 机J賞减少。隨著熔液5 種 使蒸發物質 7054-6738-PF；Ahddub 11 1310058 ί 之減少’熔液5與 坩禍q 、夹坩堝3之接觸面積會改變，自石英 曰功R + 里會又變。此變化會影響被牵引單結 日日矽6中之氧濃度 以將多結晶石夕原料d 為了防止上述現象，也可 加供給到炼液5遂Γ早、—石夕原料於牵引後或牵引中’追 J熔液5逐漸少的石英坩堝3内。 於石英坩堝3上古 圓雜t心 在单結晶矽6周圍’設有略成倒 圓錐座形的遮熱板8 係被伴、、w M 匕乱體整机靖、輻射遮板）。遮熱板8 丁饭饰/里皭1 3所支樘。

爐？ & 撐遮熱板8，係使自上方供給到CZ 爐2内而作為載體 斤 ^ ”體的虱氧7，被導引到熔液表面5a中 丹’而且，通過忮饬主 而且k〆 表面5a破導弓丨到熔液表面5a周緣部。 而且’鼠氣7，係與自 Ύ ^ ^ ^ ^ 目熔液5蒸發之氣體，自設於CZ爐2 j, ^ , ^ b此使液面上之氣體流速穩定化， 也此使自熔液5蒸發 ‘、、出之乳氣保持在穩定狀態。 種子姓a ^為輻射遮板之遮熱板8，係使種子結晶14與自 HZ;成長的單…6,不會受石英―、炫液5 板8:/ "的南溫部所產生的輻射熱所影響。又，遮熱 板8’係能防止爐 社曰访 生之雜質（例如矽氧化物）等附著於單 、口日日，而能阻止妨礙單结晶0 & & & 端H杰主 早…日日矽培養的因素。遮熱板8下 端，、垃液表面5a間之間隙g，可跬山 承G 了藉由上升下降旋轉軸1〇’ 改變石英掛堝3之上下 ^ ^ . nit 位置來調整。又，也可以藉由上下 移動升降裝置來調整間隙G。 於CZ爐2之外側周圍，机古 ^ 圍a又有施加磁場（橫磁場）到石英 坩堝3内熔液5之磁鐵2〇。 第2圖係表示控制盤50所實施回饋控制内容之流程 7054-6738-PP;Ahddub 12 1310058 圖0 如第2圖所示，於控制盤5〇中，係實施重量式直徑控 制方式之控制。 —亦即，首先，以負荷偵知器45量測馬達44現在的負 荷，亦即，現在的結晶重量，並取入控制盤5 〇中（步驟^ M ) D 接著，取入控制盤50中之現在結晶重量（負荷偵知器 45之檢出值），係被換算成現在單結晶矽鑄塊6之直徑（結 晶直徑）（步驟1 〇 2 )。 於控制盤50中，單結晶矽鑄塊6直徑之希望值（於直_ 胴部各部之-定值）係被設定’演算該希望值與現在結晶直 徑之偏差（步驟103)。 接著，用於使演算出之偏差為零之指令值，亦即對於 現在牽引速度之牽引速度增減量被演算，然後，對應被演 算出牽引速度增減量之電流值被輸出到馬達44(步驟1〇4)。-馬達44 ’對應施加的電流而被驅動，藉此， 曰u 牢31軸41 - 之速度’亦即單結晶矽6牽引速度被增減（步驟i 〇5)。 以上控制被實施，單結晶矽鑄塊6的砝曰* ® J、，、°日日直徑，被保 持於希望值’在直胴部各部皆保持一定。 肉且，於本實施 例中，雖然針對以重量式直徑控制方式來實絲 只犯徑制，但是， 也可以光學式方法，亦即光學式量測牽引中 孕'結晶6 直徑，依據此量測數據來控制使直徑達成目找 不值之方法。 本發明者，認為垂直晶圓面切斷時之成具 心战長條紋間隔不 均，而且晶圓面内之雜質濃度不均’係在於 、Γ延原因。 1 )當牽引單結晶石夕6時’熔液5之對流形 〜成不均勻流 7054-6738-PF;Ahddub 13 1310058 針對牽引速度變動幅度Δν為0_025mm/min時之自妙缉塊 部位切割出之矽晶圓，其為「雜質濃度有不均」之評價。 又’成長1支單結晶石夕鑄塊6之過程中，使牵引迷产 變動幅度△V在各部位改變而得的實驗結果，以第 * D 1^1 第4、5圖’係使橫軸為時間（秒），使縱轴為過去1 〇 秒間速度變動幅度△VCmm/min)，表示速度變動曲線。 第4圖，係表示改變牽引速度使牵引速度變動幅度△v 最高值為〇.〇33mm/min時之速度變動曲線。 第5圖，係表示改變牽引速度使牽引速度變動幅度△v 最咼值為〇.〇llmm/min時之速度變動曲線。 第6(a)圖，係表示由第4圖實驗結果所得之單結晶矽 鑄塊6各部中，當牵引速度變動幅度Λν為〇〇33ιη—η 時’針對自矽鑄塊部位切割出之矽晶圓，卩χ光外形量測 法（topography)量測縱剖面中成長條紋之結果。 自第6U)圖可知，針對牵引速度變動幅度Δν為 〇.〇3Wmin時之♦晶圓，該晶圓縱剖面上之成長條紋間隔 係不均勾而且成長條紋很濃，而評價為「有雜質濃度不 均」〇 針對牵引迷度變動幅度Δν為 自第6(b)圖可知 之成長條紋間隔 「無雜質濃度不 0. Ollmm/min時之矽晶圓，該晶圓縱剖面上 係均勻而且成長條紋緻密而淡，而評價為 均」。 如上所述’牵彳丨單結晶矽 之過程中’藉由抑制牽引 7054-6738-PF;Ahddub 15 1310058 速度變動’能使矽晶圓雜質濃度不均變小。 而且，特別是如第3圖所示，當調整牵引速度丨〇秒間 迷度變動幅度Δν為未滿〇· 〇25mm/min時，能使矽晶圓沒 2雜質漢度不均（參照第3圖）。例如，使如第6(b)圖觀察 到的矽晶圓表面（速度變動幅度Δν為〇.〇u_/min， .〇25mm/min)，實施研磨工序或腐蝕工序，當量測平坦 ，時’能獲得極高之平坦度’使用此矽晶圓來製作半導體 破置時’能獲得材料利用率極高之製品。 於上述實施形態中，雖然說明過添加雜質使用爛B之 ^形’但是’在蝴B之外，當添加鎵Ga、碟卜錄讥或石申 As時’也可獲得與添加硼B相同之效果。 、本發明者，也檢討過施加在熔液5上之磁場對於 速度變動之影響。 m亦即，如第2圖所示，獲得當控制調整牵引速度，使 ^晶石Η直徑達到希望之直徑時，施加15qq高斯以上強 度之磁場到熔液5，對更加抑制牽引速度之變動报有效。 〜丨：二：高斯以上之強度’係假設磁場強度為1_ /〇。冋斯時，於炼液5中會產生溫度變動激烈之不轉定 邛位，而有結晶直徑產生變動之問題，又， ^ 為mo高斯以下時，對流抑制 λ^場強度 剌双禾很小，所以，钟曰 之控制性很差。而且’藉由施加15〇。高斯以上磁場：二 液5之對流被抑制’藉此，…之溫度變動，特別：成 長界面(固液界面)上之溫度變動被抑制，如第 疋成 控制時之牵以度增減量變小，能抑料弓丨迷度之^。’ 7054-6738-PF;Ahddub 1310058 而且，於本實施形態中，雖然說明過假設施加橫向磁 場當溶液5之情形，但是，也可以施加尖端（cusp)磁場到 炼液5。 又，於本實施形態中，當牽？丨單結晶矽6時，可實施 縮頸處理’也可不實施縮頸處理。特別是，當以添加到熔 液5之雜質濃度相同之濃度來添加雜質到種子結晶14侧 時，即使不實施縮頸處理也能使用本發明。 又’本實施形態中’雖然說明過在石英掛禍3側方設 置單一加熱器9之單結晶牵引裝置1，而以單結晶牽引裝置 1來牽引單結晶矽6 ’但是，當然也可以使用具有多加熱器 之早結晶牵引裝置來牽引早結晶碎，亦即，使用沿著石英 坩堝3側方上下方向設置複數側加熱器，或者，在石英坩 堝3側方設置側加熱器，而且在石英坩堝3底部設置底部 加熱器之單結晶牽引裝置。 【產業上可利用性】 本發明可使用於鎵、砷等矽以外之單結晶半導體的牵 引成長作業。 【圖式簡單說明】 第1圖係表示實施形態單結晶牽引裝置之示意圖。 第2圖係表示實施形態控制内容之流程圖。 第3圖係表示改變牵引速度變動幅度來牵引單結晶 矽，然後評價矽晶圓雜質濃度不均之實驗結果的圖表。 18 7054-6738-PF;Ahddub 1310058 第4圖係撗輛為時間 牽引速度變動 033nm/min。 :引速度變動 01lmm/min° 變動幅度為 長圖案之照 幅度，而表示速度 輛為過去】〇秒 又勒之曲鑰固 第5圖係橫軸為 ，其最高值係< 幅度-表示速度:::曲去」… 第6(a)、（b)圖孫八w 、最向值係〇 (b)圖係分別表示牵引 〇.〇33ram/min 及 〇〇llmm/min 、又 τ日日圓縱剖面成 片0 【主要元件符號說明】 3〜 石英掛禍； 5〜 熔液； 6〜 單結晶矽； 7〜 氬氣； 8〜 遮熱板； 9〜 加熱器； 10- -旋轉軸； 11- 〜石墨坩堝； 13- 、保溫筒； 14- 〜種子結晶； 20- 、磁鐵； 40- 〜牵引機構； 41〜牽引軸； 42· 〜種子結晶夾 43〜捲取圓筒； 44- 〜馬達； 45- -負荷偵知器； 5 〇, 〜控制盤。 7054-6738-PF;Ahddub

Claims (1)

131癸ft§S874i號中文申請專利範圍修十、申請專利 修IE本 修正日期：97.10.20 結 觸㈣二法條、㈣子結晶接 ，來製造添加有 8. 0E 17atoms/cc以上的硼b或锆Γ X 緣 Ga、或 5.0Ε 17atoms/cc 以上 的磷P或銻Sb或砷As之雜陆 之雜質之單結晶半導體， 其特徵在於： ^ 牽引單、，°曰曰半導體之過程中，藉由對熔液施加1 5 0 0 门斯乂上強度之磁场，抑制牵弓丨速度之變動，來減少單結 晶半導體内雜質之濃度不均。 2’ 一種早結晶半導體之製造方法，藉由使種子結晶接 觸坩咼内之熔液而牽引種子結晶，來製造添加有雜質之單 結晶半導體， 其特徵在於： 在牽引單結晶半導體之過程中，調整牵引速度之10秒 間速度變動幅；τ η 又為不到0. 〇25mm/fflin 〇 3.如申清專利範圍第2項所述之單結晶半導體之製造 方法，其中’當控制調整牽引速度，以使單結晶半導體直 徑成為希望的直徑時，施加1 5 0 0高斯以上強度之磁場到熔 液。 •如申請專利範圍第2項所述之單結晶半導體之製造 方法其中’添加到單結晶半導體雜質係棚B或鎵Ga，雜 質濃度係8. 〇E 1 / ^ ifatoms/cc 以上。 5,如申請專利範圍第2項所述之單結晶半導體之製造 方去其中，添加到單結晶半導體雜質係鱗P或錄Sb或石申 7054-6738-ΡΓ2 20 1310058 As，雜質濃度係5·0Ε 17atoms/cc以上。 6. 如申請專利範圍第3項所述之單結晶半導體之製造 方法，其中，添加到單結晶半導體雜質係硼B或鎵Ga，雜 質濃度係8.0E 17atoms/cc以上。 7. 如申請專利範圍第3項所述之單結晶半導體之製造 方法，其中，添加到單結晶半導體雜質係磷P或銻Sb或砷 As，雜質濃度係5.0E 17atoms/cc以上。 7054-6738-PF2 21