TWI418670B - 單結晶拉起裝置 - Google Patents

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TWI418670B TW097104162A TW97104162A TWI418670B TW I418670 B TWI418670 B TW I418670B TW 097104162 A TW097104162 A TW 097104162A TW 97104162 A TW97104162 A TW 97104162A TW I418670 B TWI418670 B TW I418670B
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Description

單結晶拉起裝置
本發明係關於藉由久奇拉斯基(Czochralski)法(以下稱為「CZ法」)邊生長單結晶邊拉起之單結晶拉起裝置。
有關矽單結晶之生長，CZ法廣泛地被使用。此方法係使容納於坩鍋內之矽熔液表面與種晶接觸，使坩鍋圍繞拉起軸周圍旋轉之同時，邊使此種晶沿相反方向旋轉邊拉起，藉此在種晶下端連續形成單結晶。
如圖6所示般，用以往的CZ法之拉起法，首先在石英玻璃坩鍋51中裝入原料多晶矽(polysilicone)，以加熱器52加熱成為矽熔液M。然後，使設置於拉起用纜線(wire)50之種晶P與矽熔液M接觸，再將矽單結晶C拉起。
通常於拉起之前，先於矽熔液M之溫度安定後，如圖7所示般，使種晶P與矽熔液M接觸進行溶解種晶P的前端部之頸化(necking)。所謂頸化，係藉由種晶P與矽熔液M之接觸所發生之熱衝擊(thermal shock)以除去單結晶中產生之移位所不可或缺的步驟。藉由此頸化形成頸部P1。又，此頸部P1通常必須為直徑3~4mm、長度100mm以上。
又，作為拉起開始後之步驟，係於頸化完成後進行使結晶擴大至長直體(straight body)直徑為止之隆起(crowning)步驟、生長作為製品的單結晶之長直體形成步 驟、長直體形成步驟後之單結晶緩緩減小之尾端化步驟(tail process)。
然而，於經此等步驟所得之矽單結晶中含有自石英玻璃坩鍋溶出至矽熔液的氧。此單結晶中的氧，於自單結晶所裁切的晶圓中會呈現為由氧析出物(核)所構成之內部微小缺陷(BMD)。由於BMD可利用於藉由其變形應力來捕捉晶圓中所含有之重金屬污染的IG法(內部雜質收集法)，故晶圓中之BMD密度以較高為佳。
又，於日本專利特開2003-249501號公報(專利文獻1)中曾揭示經施行預回火(pre-anealling)(熱處理)使BMD密度增加之晶圓，即使於其後施行高溫處理，晶圓之最外圍部分與載持部(holder)附近之滑動移位(slip dislocation)之發生亦可得到抑制。亦即，就抑制移位效果之考量，以增加晶圓中之BMD密度為佳。
如前述般，就雜質收集與移位抑制之考量，晶圓中之BMD密度以較高之狀態為佳，因此，必須生長成氧濃度高的單結晶，以全體長度範圍之氧濃度為1.1~1.5×1018 原子/cm3 為佳。
然而，近年來，由於生長之單結晶尺寸日益增大，故坩鍋中之矽熔液之對流變得不規則，經由對流所帶動之氧與雜質之濃度、及於結晶生長面之熔液溫度變得不安定，致無法安定地製造在全體長度範圍有高氧濃度之單結晶。
對於此課題，於欲拉起大尺寸之單結晶的情況，係使用對矽熔液施加磁場以抑制矽熔液之對流的方法。然而，單 憑施加磁場，欲得到於全體長度範圍有高氧濃度(例如，1.1~1.5×1018 原子/cm3 )之單結晶是困難的。
本發明乃鑑於前述之情況而提出者，目的在於提供一種對坩鍋內之矽熔液施加磁場，藉由久奇拉斯基法自坩鍋中拉起單結晶之單結晶拉起裝置，為可容易地得到高氧濃度的矽單結晶之單結晶拉起裝置。
為解決前述課題，本發明之單結晶拉起裝置，係使原料矽熔融於爐體內之坩鍋中作成為矽熔液，自在拉起軸周圍旋轉之坩鍋藉由久奇拉斯基法拉起單結晶的單結晶拉起裝置；其特徵在於，於該爐體內具備有：具有圍繞著該坩鍋周圍之圓筒狀發熱部並藉由該發熱部之熱輻射使該原料矽熔融的加熱器，與設置成圍繞該爐體周圍對該坩鍋內之該矽熔液施加水平磁場的電磁鐵；該加熱器之發熱部中之拉起軸方向之長度尺寸係形成為該坩鍋內徑之0.5~0.9倍(較佳為0.5~0.8倍)，且該發熱部中之拉起軸方向之第一中央位置係配置於該電磁鐵中之拉起軸方向之第二中央位置之較下方，並且其等第一及第二中央位置之距離差為該坩鍋內徑之0.15~0.55倍(較佳為0.15~0.40倍)。又，該坩鍋之內徑以800mm以上為佳。
藉由上述之構成，可藉由施加磁場充分使矽熔液M自坩鍋底向上對流，而可在全體長度範圍容易地生成高氧濃度之單結晶。
依據本發明，可得到一種單結晶拉起裝置，其係於對坩鍋內之矽熔液施加磁場，自坩鍋藉由久奇拉斯基法拉起矽 單結晶的單結晶拉起裝置中，可容易地得到高氧濃度之矽單結晶。
以下，就本發明之單結晶拉起裝置之實施形態依據圖式做說明。圖1為表示本發明之單結晶拉起裝置的全體構成之方塊圖。
此單結晶拉起裝置1具備有：在圓筒形狀之主室2a上重疊形成有拉起室(pull chamber)2b之爐體2、設置於爐體2內之坩鍋3、用以使裝填於坩鍋3中之半導體原料(原料多晶矽(polysilicone))M熔融之電阻加熱器4(以下簡稱為加熱器)、與用以拉起單結晶C之拉起機構5。
又，加熱器4中，以圍繞著坩鍋3的方式設置有圓筒狀之間隙部4a作為發熱部。又，坩鍋3為雙重構造，內側以石英玻璃坩鍋3a、外側以石墨坩鍋3b構成。又，拉起機構5具備有以馬達驅動之捲繞機構5a與捲繞於此捲繞機構5a之拉起纜線5b，此纜線5b之前端裝著種晶P。
又，於主室2a內，於坩鍋3之上方附近，設置輻射隔絕板6(shield)，其係以包圍單結晶C的周圍之方式於上部與下部形成開口，用以遮蔽來自加熱器4等的過多輻射熱往生長中之單結晶C，並對爐內之氣流加以整流。又，輻射隔絕板6下端與熔融液面間之距離尺寸(間隙)可因應生長之單結晶之所須特性而控制使其維持既定的距離。
又，如圖1所示般，於主室2a之外側，設置施加磁場用電氣線圈13(電磁鐵)，可使用於坩鍋3之矽熔液內施 加水平磁場以生長單結晶之MCZ法(Magnetic field applied CZ法)。
本實施形態中，藉由用此MCZ法，對矽熔液M形成既定的磁場，控制矽熔液之對流，謀求單結晶化之安定，並使生長之單結晶，在全長範圍為高氧濃度。
又，如圖1所示般，單結晶拉起裝置1具備有：控制矽熔液M的溫度之加熱器4的供給電力控制用加熱器控制部9、於坩鍋3之拉起軸周圍旋轉之馬達10、用以控制馬達10的旋轉數之馬達控制部10a。並具備有：用以控制坩鍋3的高度之升降裝置11、用以控制升降裝置11之升降裝置控制部11a、與用以控制生長結晶的拉起速度與旋轉數之纜線輪旋轉裝置控制部12。再者，亦具備用以執行磁場施加用電氣線圈13之動作控制的電氣線圈控制部13a。此等控制部9、10a、11a、12、13a係連接到電腦8之演算控制裝置8b。
此處，如圖2所示般，加熱器4之間隙部4a的拉起軸方向尺寸h係作成為坩鍋3的內徑R(例如，800mm以上)之0.5~0.9倍。
理由在於，此倍數若小於0.5倍，會無法對石英玻璃坩鍋3a充分加熱，會容易自其內壁面開始發生矽熔液M之固化，單結晶之生長會變得困難。
另一方面，若大於0.9倍，加熱器4會有接觸到隨著大尺寸化而複雜化之爐體2內的熱區域(hot zone)構造之虞。
再者，間隙部4a中之拉起軸方向之中央位置(第一中央位置：高度位置HC)位於施加磁場用電氣線圈13中之拉起軸方向之中央位置(第二中央位置：高度位置MC)之較下方，且其等中央位置之距離差d係作成為坩鍋3之內徑R的0.15倍～0.55倍。
理由在於，此倍數若小於0.15倍，單結晶中之氧濃度會變低，會無法於全長範圍生長1.1~1.5×1018 原子/cm3 的高濃度單結晶。另一方面，若大於0.55倍，加熱器4會有與爐體2內之熱區域構造接觸之虞。
於如此構成之單結晶拉起裝置1中，首先將原料多晶矽M裝填到石英玻璃坩鍋3a中，依據電腦8之記憶裝置8a所記憶的程式依圖3之流程開始結晶生長步驟。
先藉由未圖示之環境氣體控制手段使爐體2內作成為既定的環境氣體，在此狀態下，藉由演算控制裝置8b之指令使加熱器控制部9動作而對加熱器4之發熱部4a加熱，藉由發熱部4a之熱輻射使石英玻璃坩鍋3a之原料多晶矽M熔融(圖3之步驟S1)。
再藉由演算控制裝置8b之指令使馬達控制部10a與升降裝置控制部11a動作，使坩鍋3在既定的高度位置以既定的旋轉速度旋轉。
然後，藉由演算控制裝置8b之指令使電氣線圈控制部13a動作，使既定電流流過施加磁場用電氣線圈13。藉此可對熔液M內施加既定強度的磁場(圖3之步驟S2)。
又，此處，如圖2所示般，加熱器4的發熱部之間隙部 4a的拉起軸方向之長度尺寸h係作成為坩鍋3的內徑R(例如800mm以上)之0.5~0.9倍。再者，間隙部4a中之拉起軸方向之中央位置(高度位置HC)係位於施加磁場用電氣線圈13中之拉起軸方向之中央位置(高度位置MC)之較下方的狀態，其等中央位置之拉起軸方向之距離差d係作成為坩鍋3之內徑R的0.15倍～0.55倍。
亦即，於單結晶C之生長中，藉由維持這樣的配置關係可良好地得到因施加磁場而生成之自坩鍋底部之向上對流。
一旦爐體2內形成拉起之環境，藉由演算控制裝置8b之指令使纜線輪旋轉裝置控制部12動作以使捲繞機構5a動作而使纜線5b下降。
然後，裝於纜線5b之種晶P與矽熔液M接觸，進行使種晶P的前端溶解之頸化(necking)而形成頸部P1(圖3之步驟S3)。
一旦形成頸部P1，藉由演算控制裝置8b之指令，以供給至加熱器4的電力、拉起速度(通常為每分鐘數毫米之速度)等作為參數調整拉起條件，依序進行隆起步驟(圖3之步驟S4)、長直體形成步驟(圖3之步驟S5)、尾端化步驟(圖3之步驟S6)等之單結晶拉起步驟。
如上述般，依據本發明之實施形態，於對爐體2內施加磁場時，加熱器4的發熱部之間隙部4a之拉起軸方向的長度尺寸h係作成為坩鍋3的內徑R(例如800mm以上)之0.5倍～0.9倍。
再者，間隙部4a之拉起軸方向之中央位置係配置於磁場施加用電氣線圈13之拉起軸方向之中央位置之較下方的狀態，並且其等中央位置之距離差d為坩鍋3內徑R之0.15~0.55倍。
藉此，藉由施加磁場可良好地得到使矽熔液M自坩鍋底部之向上對流，而可容易地於全長範圍生長高氧濃度之單結晶。
接著，再就本發明之單結晶拉起裝置依據實施例進一步做說明。本實施例中係用前述實施形態中所示之構成的單結晶拉起裝置，藉由實際進行實驗以驗證其效果。
[實施例1]
於實施例1中，將250kg的矽原料裝入32吋、內徑800mm之石英玻璃坩鍋，熔融之後，拉起僅1支的直徑300mm之單結晶。
水平磁場強度定為3000高斯，爐內壓則恆定地控制於約80Torr。
再者，作為實驗條件，加熱器於間隙部的拉起軸方向之長度尺寸係設定為對坩鍋內徑為0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.8倍之加熱器條件。
又，於加熱器的間隙部之拉起軸方向之中央位置係配置成在磁場施加用電氣線圈中之拉起軸方向的中央位置之較下方，其等中央位置之距離差(為HC-MC距離)係設定為坩鍋內徑之0.03倍、0.1倍、0.15倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍之條件。
此實驗之結果示於圖4、圖5之曲線圖。
圖4為將加熱器之間隙部的拉起軸方向之長度尺寸固定為對坩鍋內徑的0.5倍，將HC-MC距離設定為對坩鍋內徑的0.1倍、0.3倍、0.4倍，如此得到之對單結晶全長(長直體長度)之氧濃度分布。
藉由圖4之曲線可知：於HC-MC距離為坩鍋內徑之0.1倍的情況，在單結晶全長範圍之氧濃度變低。另一方面，於HC-MC距離為坩鍋內徑之0.3倍、0.4倍之情況，在單結晶全長範圍之氧濃度變高。
圖5為表示以X軸作為間隙部長度/坩鍋內徑，以Y軸作為(HC-MC)距離/坩鍋內徑的情況時之最佳區域的圖。最佳區域為可生長出在全長範圍之氧濃度為1.1~1.5×1018 原子/Cm3 的高氧濃度之單結晶的區域。又，此曲線圖中，於可容易地在全長度範圍生成高氧濃度單結晶之場合以「○」表示，於發生固化或結晶中之氧濃度低致使無法得到良好的結晶之情況以「×」表示。
藉由圖5之曲線圖可知：於加熱器之發熱部中之拉起軸方向的長度尺寸為前述坩鍋內徑之0.5倍~0.9倍，HC-MC距離為坩鍋內徑之0.15倍~0.55倍的情況為最佳區域。
由上述實施例之實驗結果，可確認得知：依據本發明之單結晶拉起裝置，可容易地得到在全長範圍有高氧濃度之矽單結晶。
本發明係關於依久奇拉斯基法而拉起單結晶之單結晶拉起裝置，適合使用於半導體製造業界等。
1‧‧‧單結晶拉起裝置
2‧‧‧爐體
2a‧‧‧主室
2b‧‧‧拉起室
3‧‧‧坩鍋
3a‧‧‧石英玻璃坩鍋
3b‧‧‧石墨坩鍋
4‧‧‧電阻加熱器
4a‧‧‧間隙部
5‧‧‧拉起機構
5a‧‧‧捲繞機構
5b‧‧‧纜線
6‧‧‧輻射隔絕板
8‧‧‧電腦
8a‧‧‧記憶裝置
8b‧‧‧演算控制裝置
9‧‧‧控制部
10‧‧‧馬達
10a‧‧‧馬達控制部
11‧‧‧升降裝置
11a‧‧‧升降裝置控制部
12‧‧‧纜線輪旋轉裝置控制部
13‧‧‧電氣線圈
13a‧‧‧電氣線圈控制部
50‧‧‧纜線
51‧‧‧石英玻璃坩鍋
52‧‧‧加熱器
d‧‧‧距離差
h‧‧‧長度尺寸
C‧‧‧單結晶
M‧‧‧矽熔液
P‧‧‧種晶
P1‧‧‧頸部
HC‧‧‧第一中央位置(高度位置)
MC‧‧‧第二中央位置(高度位置)
R‧‧‧內徑
圖1為本發明之單結晶拉起裝置的構成之示意性方塊圖。
圖2為圖1之單結晶拉起裝置之局部放大圖。
圖3為表示本發明之單結晶之製造方法的步驟之流程圖。
圖4為表示實施例1的結果之曲線圖。
圖5為表示實施例1的結果之另一曲線圖。
圖6為用以說明以往之使用CZ法的拉起法之圖。
圖7為用以說明以往之使用CZ法之拉起法中之頸部形成之圖。
1‧‧‧單結晶拉起裝置
2‧‧‧爐體
2a‧‧‧主室
2b‧‧‧拉起室
3‧‧‧坩鍋
3a‧‧‧石英玻璃坩鍋
3b‧‧‧石墨坩鍋
4‧‧‧電阻加熱器
4a‧‧‧間隙部
5‧‧‧拉起機構
5a‧‧‧捲繞機構
5b‧‧‧纜線
6‧‧‧輻射隔絕板
8‧‧‧電腦
8a‧‧‧記憶裝置
8b‧‧‧演算控制裝置
9‧‧‧控制部
10‧‧‧馬達
10a‧‧‧馬達控制部
11‧‧‧升降裝置
11a‧‧‧升降裝置控制部
12‧‧‧纜線輪旋轉裝置控制部
13‧‧‧電氣線圈
13a‧‧‧電氣線圈控制部
P‧‧‧種晶
P1‧‧‧頸部
C‧‧‧單結晶
M‧‧‧矽熔液

Claims (2)

  1. 一種單結晶拉起裝置，係使原料矽熔融於爐體內之坩鍋中作成為矽熔液，從在拉起軸周圍旋轉之坩鍋，藉由久奇拉斯基(Czochralski)法拉起單結晶者；其特徵在於，於上述爐體內具備有：具有圍繞著上述坩鍋周圍之圓筒狀發熱部，藉由上述發熱部之熱輻射使上述原料矽熔融的加熱器；以及設置成圍繞上述爐體周圍，對上述坩鍋內之上述矽熔液施加水平磁場的電磁鐵；上述加熱器之發熱部中之拉起軸方向之長度尺寸係形成為上述坩鍋內徑之0.5~0.8倍，且上述發熱部中之拉起軸方向之第一中央位置係配置於較上述電磁鐵中之拉起軸方向之第二中央位置更下方，並且該等第一及第二中央位置之距離差為上述坩鍋內徑之0.15~0.40倍。
  2. 如申請專利範圍第1項之單結晶拉起裝置，其中，上述坩鍋之內徑為800mm以上。
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