TWI453308B - 製造由矽組成之半導體晶圓的方法 - Google Patents

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Description

製造由矽組成之半導體晶圓的方法
本發明係關於一種製造由矽組成之半導體晶圓的方法，包括：從一在坩堝中加熱的熔融物拉出一種晶的單晶體；向該坩堝底部的中心供應熱量；以及從該拉出的單晶體切割半導體晶圓。
坩堝通常由含有二氧化矽(例如石英)的材料所組成。其通常填充有由多晶矽構成的塊體和/或微粒，所述多晶矽藉助於圍繞坩堝設置的側面加熱器(side heater)而熔化。在熔融物(melt)的熱穩定階段之後，單晶種晶浸入到熔融物中並且升高。在該情形中，矽在種晶被熔融物濕化的那端結晶。結晶率大致受種晶升高的速度(晶體提升速度)以及熔融矽結晶的介面處的溫度影響。透過適宜地控制這些參數，首先稱為細頸部(thin neck)的區段被拉出，以便消除錯位(dislocation)，接著是單晶體的圓錐形區段，且最後是單晶體的圓柱狀區段，接著半導體晶圓從該單晶體被切割。
坩堝材料中的釋放氣態內含物、圍繞塊體和/或微粒的氣體、在熔融物中出現的氧化矽(silicon oxide)、以及擴散到熔融物中的氣體被認為是在單晶體中出現空隙(稱為針孔缺陷(pinhole defect))的可能原因。在小氣泡傳送到生長的單晶體與熔融物之間的介面時，以及在單晶體圍繞氣泡結晶時可能出現空隙。如果在切割半導體晶圓的過程期間，分離平面與針孔缺陷相交，那麼得到的半導體晶圓具有圓形凹陷或孔，該圓形凹陷或孔的直徑通常在從數個微米至高達數個毫米。在其中出現這種針孔缺陷的半導體晶圓不能被用作用於製造電子元件的基底晶圓。
因此，已經公開了針對可抑制這種針孔缺陷形成的許多建議。許多的這些建議聚焦於改進坩堝材料的特性。然而，在該方面改進的坩堝一般是更為昂貴的或者帶來其它缺點，例如坩堝會釋放導致在單晶體中形成錯位的物質。
其它建議集中在塊體和/或微粒熔融階段期間抑制或消除小氣泡。例如，因而US 2008/0011222 A1提出將側面加熱器的加熱功率首先集中在坩堝的側表面、並隨後集中到坩堝的底表面上。這些措施的缺點在於，只要單晶體開始生長，它們就不再影響小氣泡的產生以及小氣泡到介面處的移動。
本發明的目的在於提出一種方法，所述方法包括抵消在單晶體中針孔缺陷之形成的至少一種措施，所述方法在拉出單晶體的過程期間是有效的。
該目的是藉由一種用於製造由矽組成之半導體晶圓的方法來實現的，所述方法包括：從一在坩堝中加熱的熔融物拉出一種晶的單晶體；向該坩堝底部的中心供應熱量，其中加熱功率在該單晶體的圓柱狀區段被拉出的進程中增加至少一次至不小於2千瓦(kW)，並接著再次下降；以及從該拉出的單晶體切割半導體晶圓。
發明人已確認，當在拉出單晶體的圓柱狀區段的過程期間，在坩堝底部的區域中的溫度場(temperature field)變化至少一次時，由矽構成的半導體晶圓的針孔缺陷的頻率明顯降低，所述溫度場變化使得坩堝底部中的最高溫度從在坩堝底部的邊緣處的位置遷移遠至坩堝底部的中心。被認為的是在該進程中，附著至坩堝底部內壁的小氣泡由對流驅動的熔融物流(melt flow)所帶離，所述熔融物流將小氣泡運送遠至熔融物的自由表面，所述自由表面不被坩堝和生長單晶體覆蓋。由此，小氣泡可離開熔融物而不會傳送到生長單晶體和熔融物之間的介面。
溫度場的變化較佳係藉助加熱裝置(坩堝底部加熱器)而影響，所述加熱裝置鄰近於坩堝底部，並且可與坩堝一同被提升和下降。為此目的，坩堝底部加熱器的加熱功率增加至少一次至不小於2千瓦(kW)、較佳為2至5千瓦，並接著再次下降。加熱功率較佳係從0千瓦增加至少一次至2至5千瓦，並接著再次下降至0千瓦。加熱功率小於2千瓦的增加對於避免針孔缺陷僅具有小量影響，而增加至大於5千瓦使得坩堝經受熱應力到不恰當的程度，並且可觸發在單晶體中形成錯位。
坩堝底部加熱器的加熱功率較佳係在一時段內以斜線上升(ramp)的方式增加，所述時段不短於90分鐘且不長於900分鐘。在該情形中，單晶體從熔融物被拉出的速率較佳為0.3至0.8毫米/分鐘、尤其較佳為0.45至0.65毫米/分鐘。斜線上升包括具有較佳為線性升高坩堝底部加熱器的加熱功率的區段；合適的話，具有坩堝底部加熱器的恆定加熱功率的區段；以及具有坩堝底部加熱器的下降加熱功率的區段。具有恆定加熱功率的區段較佳係在0至90分鐘的時段內延伸。包括一至十個這種斜線上升的加熱功率曲線是尤其較佳的。
此外，藉由一系列其它措施的支持，較佳係將小氣泡運送到熔融物的自由表面。較佳之措施包括將熔融物暴露於一水平磁場或一尖點磁場(CUSP magnetic field)的作用下，其中在坩堝底部的邊緣處的磁通量密度不小於50毫特斯拉(mT)。坩堝底部的邊緣是從坩堝的圓柱狀側壁過渡至坩堝底部的部位。尤其較佳的是，將熔融物暴露於一尖點磁場的作用下，所述尖點磁場的中性面(neutral surface)在距該熔融物之自由表面的平面不小於90毫米的距離處與單晶體的中心縱向軸線相交。
較佳措施還包括以不大於每分鐘3轉、較佳以每分鐘1至2轉的速度旋轉坩堝，以及以不小於每分鐘6轉、較佳以每分鐘6至12轉的速度旋轉單晶體。坩堝和單晶體以相同方向或相反方向旋轉。相反方向的旋轉是較佳的。因此，旋轉速度係以絕對值表示。
最後，較佳之措施還包括將惰性氣體(例如，氬)引導到熔融物的自由表面，以便從熔融物和單晶體的區域移除從熔融物逸出的氣體。在較佳為11至80毫巴(1100至8000帕(Pa))的壓力下，惰性氣體的體積流率較佳為600至12000公升/小時、尤其較佳為1500至3000公升/小時。
以下將參照圖式更詳細地解釋本發明。
根據第1圖的配置包括坩堝4，所述坩堝安裝到支承坩堝5上並且包含由矽組成的熔融物。坩堝較佳係由石英構成，且坩堝的直徑較佳係相當於單晶體8的直徑的2至4倍。坩堝4和支承坩堝5安置在可提升和降低的坩堝軸上，並且由以電阻加熱器實施的側面加熱器6所圍繞。藉由該側面加熱器，熱量大致從側面被傳遞到熔融物。磁性裝置位於鄰近側面加熱器6的外部，藉由該磁性裝置，熔融物暴露於一水平磁場或尖點磁場的作用下。圖式顯示了適用於施加尖點磁場於熔融物的線圈。
另一以電阻加熱器實施的靜止底部加熱器7圍繞坩堝軸設置在該支承坩堝下面。藉由該靜止底部加熱器，熱量大致從下方傳遞至熔融物。
單晶體8以種晶從熔融物拉出、藉由熱遮罩件2被遮罩免受外界的熱輻射、並藉由冷卻器1冷卻，冷卻劑流動通過冷卻器1。由矽組成的單晶體的標定(nominal)直徑較佳為300毫米或450毫米。熔融物的自由表面與熱遮罩件2的下邊界3之間的距離較佳為20至30毫米。熔融物的自由表面與冷卻器1的下邊界之間的距離較佳為160至200毫米。
以電阻加熱器實施的坩堝底部加熱器13整合到坩堝軸的頂部中，所述坩堝底部加熱器的加熱功率根據本發明變化，以便使得附著到坩堝4內壁的小氣泡11被相應導向的熔融物流10和12帶離，並且運送到熔融物的自由表面。從這裡，小氣泡連同從熔融物逸出的氧化矽被導引至熔融物的自由表面的惰性氣流9夾帶，並且從熔融物的區域以及生長的單晶體的區域移除。
在第2圖中描述了尤其適合於實施該方法的坩堝底部加熱器的配置細節。所述坩堝底部加熱器包括由石墨構成的加熱螺旋件14，其經由導向通過坩堝軸的內和外電流饋接(current feed)15和16供應有交流(AC)電流。加熱螺旋件在底部由板17隔熱，且在側面由環部18隔熱，所述環部18由碳纖維增強碳(CFC)構成。環部的內壁裝襯有金屬反射器19。除了所描述的特徵以外，加熱螺旋件可實施為曲折方式或者被磁遮罩，以便保護其不受施加到熔融物上的磁場的交互作用。
第3圖顯示根據本發明之一較佳實施態樣的坩堝底部加熱器13的加熱功率如何根據時間進程而變化。所述加熱功率以斜線上升的方式變化，所述斜線上升包括一線性區段和一恆定區段。時間軸以生長單晶體的長度L的單位表示。給定具有300毫米標定直徑的單晶體的典型晶體提升速度是0.55毫米/分鐘，長度L=5公分相當於大約90分鐘的時段。具有坩堝底部加熱器的線性升高加熱功率的區段在一時段內延伸，所述時段稍微短於拉出100毫米長度的單晶體所需的時間。具有坩堝底部加熱器的恆定加熱功率的區段在一時段內延伸，所述時段稍微長於拉出50毫米長度的單晶體所需的時間。
第4圖中顯示以斜線上升方式的坩堝底部加熱器的加熱功率變化的影響在於，坩堝底部的最高溫度(Tmax)從在坩堝底部邊緣處的位置P1經由中間(intervening)位置P2轉移到遠至坩堝底部的中心P3。在這個進程中，附著到坩堝底部內壁的小氣泡由對流驅動的熔融物流帶離，並且運送到熔融物的自由表面，所述自由表面不被坩堝和生長的單晶體覆蓋。
實施例：
根據本發明的方法，藉由如第1圖所示的配置，由具有300毫米標定直徑的矽所組成的一系列單晶體從具有28英寸(711.2毫米)直徑的坩堝被拉出。在拉出單晶體的圓柱狀區段的過程期間，平均晶體提升速度是0.55毫米/分鐘。在拉出單晶體的圓柱狀區段的過程開始時，坩堝底部加熱器的加熱功率根據如第3圖所示的斜線上升改變一次。用於比較目的，在相同狀況下拉出其它單晶體，但是不改變坩堝底部加熱器的加熱功率。針孔缺陷的出現頻率的統計評估顯示，平均而言，在從用於比較目的拉出的單晶體所切割出的半導體晶圓的情形中，這種缺陷引起的故障頻率(failure frequency)是高於約30倍。
1．．．冷卻器
2．．．熱遮罩件
3．．．熱遮罩件的下邊界
4．．．坩堝
5．．．支承坩堝
6．．．側面加熱器
7．．．底部加熱器
8．．．單晶體
9．．．惰性氣流
10．．．熔融物流
11．．．小氣泡
12．．．熔融物流
13．．．坩堝底部加熱器
14．．．加熱螺旋件
15．．．內電流饋接
16．．．外電流饋接
17．．．板
18．．．環部
19．．．金屬反射器
P1．．．坩堝底部邊緣處位置
P2．．．中間位置
P3．．．坩堝底部中心
第1圖所示為尤其適用於實施本發明方法的配置；
第2圖所示為尤其適用於實施本發明方法的坩堝底部加熱器的配置；
第3圖所示為根據一較佳實施態樣的坩堝底部加熱器的加熱功率的時間變化曲線；以及
第4圖所示為坩堝內壁上最高溫度的空間移動，其取決於坩堝底部加熱器的加熱功率的時間變化。
1．．．冷卻器
2．．．熱遮罩件
3．．．熱遮罩件的下邊界
4．．．坩堝
5．．．支承坩堝
6．．．側面加熱器
7．．．底部加熱器
8．．．單晶體
9．．．惰性氣流
10．．．熔融物流
11．．．小氣泡
12．．．熔融物流
13．．．坩堝底部加熱器

Claims (5)

  1. 一種製造由矽組成之半導體晶圓的方法，包括：藉由一以電阻加熱器實施的側面加熱器從一在坩堝中加熱的熔融物拉出一種晶的單晶體；在該單晶體的圓柱狀區段被拉出的進程中，藉由一鄰近於坩堝底部並且可與該坩堝一同被提升和下降的加熱裝置向該坩堝底部的中心供應熱量，其中該熱量供應之加熱功率增加至少一次至2至5千瓦(kW)且以在一時段內以斜線上升(ramp)的方式增加，該時段不短於90分鐘且不長於900分鐘，使得坩堝底部中的最高溫度從在坩堝底部的邊緣處的位置遷移遠至坩堝底部的中心，該加熱功率並接著再次下降；以及從該拉出的單晶體切割半導體晶圓。
  2. 如請求項1所述的方法，包括將該熔融物暴露於一水平磁場或一尖點磁場(CUSP magnetic field)的作用下，其中在該坩堝底部的邊緣處的磁通量密度不小於50毫特斯拉(mT)。
  3. 如請求項1或2所述的方法，包括將該熔融物暴露於一尖點磁場的作用下，該尖點磁場的中性面(neutral surface)在距該熔融物之自由表面(free surface)的平面不小於90毫米的距離處，與該單晶體的中心縱向軸線相交。
  4. 如請求項1或2所述的方法，包括：以每分鐘不大於2轉的速度旋轉該坩堝，以及以每分鐘不小於6轉的速度旋轉該單晶體。
  5. 如請求項1或2所述的方法，包括在1100至8000帕(Pa)的壓力下將一惰性氣體以600至12000公升/小時的體積流率引導到該熔融物的自由表面。
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