TWI598475B - 在連續柴可斯基（ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）方法中用於改良晶體成長之堰 - Google Patents

在連續柴可斯基（ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）方法中用於改良晶體成長之堰 Download PDF

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Description

在連續柴可斯基(CZOCHRALSKI)方法中用於改良晶體成長之堰 相關申請案的交叉參考
本申請案主張於2012年11月29日提出申請的美國專利申請案第13/689,189號之優先權，該申請案之全部揭示內容之全文皆以引用方式併入本文中。
本發明之領域概言之係關於藉助柴可斯基(Czochralski)製程成長晶體半導體材料。具體而言，本發明之領域係關於採用蓋堰之連續柴可斯基製程。蓋堰經組態以改變降低堰之侵蝕速率之氣體之流動及壓力。
在連續柴可斯基(CZ)晶體成長製程中，熔體係隨晶體成長來補充或再裝填。此與藉由完成晶體成長製程來耗盡熔體後再裝填熔體之分批再裝填不同。在任一情形下，可使用固體原料或熔融原料來補充熔體。
與分批再裝填不同，連續柴可斯基製程有利於成長晶體矽錠。熔體高度實質上保持恆定且因此可更均一地維持熔體-晶體界面處之成長條件以供最佳晶體成長。週期亦可縮短，此乃因熔融條件不會因添加大量原料而突然改變。
習用連續晶體成長坩堝中之習用堰配置顯示於圖1中。在習用柴 可斯基系統中，坩堝100容納大量熔融矽102，其中單晶錠104成長且在由箭頭105所指示之垂直方向上自晶體/熔體界面106拉取。通常呈圓柱形之堰108定位於坩堝100之底板上且如所顯示垂直延伸至熔體上方。堰108界定內部成長區域110及外部熔體補充區域112。表面下通道114連接第一或熔體補充區域112與內部成長區域110。
隔熱罩116呈圓錐形且以一定角度向下延伸產生佈置在成長晶體或錠104周圍之環形開口以容許成長之錠輻射其固化潛熱及來自熔體之熱通量。隔熱罩116之頂部具有比在錠104周圍形成環形開口之直徑寬得多的第一直徑。隔熱罩116之頂部係由絕熱蓋或絕熱包以可支撐方式固持。為簡單起見，在圖式中省略絕熱蓋。如以117所指示，通常沿成長晶體之長度提供惰性氣體(例如氬)流。
進料供應118向坩堝100之熔體補充區域112提供大量矽原料。矽原料可呈直接提供至熔體區域112之矽原料之固體塊形式。在任一情形下，向熔體區域中添加原料通常係藉助堰108頂部上方之空氣靜力所運輸之粉塵粒子來完成。粉塵或未熔融矽粒子污染成長區域110且可附接至成長之錠104，由此導致該成長之錠失去其單矽結構。
儘管圖1之習用堰108配置可幫助限制矽之粉塵及未熔融粒子藉助熔體流動自熔體補充區域至晶體成長區域之輸送，但其無法解決堰之高侵蝕速率之問題。如圖5中所顯示，使習用石英堰108經歷一氧化矽及氬氣。將氬氣泵送至液體矽上方以移除一氧化矽氣體且降低納入成長晶體中之氧濃度。氬氣及一氧化矽氣體係由流線500來指示。氣流之副作用在於，堰在熔體-氣體接觸線119處因表面動力學而經受快速侵蝕且最終斷裂至其不再作為固體多晶矽之充分障壁起作用之程度。該侵蝕因需要頻繁更換堰而具有一定問題，該更換導致停工及成本增加。
儘管此習用堰108配置可適用於防止未熔融矽自熔體補充區域到 達晶體成長區域，但該配置無法解決堰之快速侵蝕問題。此快速侵蝕可增加製程之成本且可因更換堰導致停工而降低產出。
此背景部分意欲向讀者介紹可與多個本發明態樣相關之多個技術態樣，此在下文中闡述及/或聲明。人們認為，此論述有助於向讀者提供背景資訊以有利於更好地理解本發明之多個態樣。因此，應理解，應就此而論閱讀該等陳述，而非作為對先前技術之認可。
在一態樣中揭示藉助柴可斯基方法成長錠之裝置。錠係自補充有結晶原料之大量熔融矽中之熔體/晶體界面成長。該裝置包含界定外殼之成長室，其經組態以使吹掃氣體圍繞成長錠循環；及於成長室中提供之坩堝，其經組態以容納熔融矽。堰支撐於坩堝中且經組態以將熔融矽分成圍繞熔體/晶體界面之內部成長區域與經組態以接收結晶原料之外部區域。該堰包含至少一個垂直延伸之側壁及實質上垂直於側壁延伸之蓋。
在另一態樣中揭示用於連續柴可斯基晶體成長之方法。在該方法中，將一或多個晶體錠自於坩堝中界定之熔體/晶體界面拉入成長室中，該坩堝含有補充有原料之熔融結晶材料。該方法包含使用堰將熔融結晶材料分成圍繞熔體/晶體界面之內部成長區域與用於接收原料之外部區域。使惰性氣體流動接觸堰及熔體以增加最大堰侵蝕點處自熔體釋放之一氧化矽氣體之分壓。
在又一態樣中揭示藉助柴可斯基方法成長錠之系統。錠係自補充有結晶原料之大量熔融矽中之熔體/晶體界面拉出。該裝置包含界定外殼之成長室，其經組態以使吹掃氣體圍繞成長錠循環；及於成長室中提供之坩堝，其經組態以容納熔融矽。提供進料供應用於供應結晶原料。加熱器加熱結晶原料及熔融矽。堰支撐於坩堝中且經組態以將熔融矽分成圍繞熔體/晶體界面之內部成長區域與經組態以接收結 晶原料之外部區域。該堰包含至少一個垂直延伸之側壁及實質上垂直於側壁延伸之蓋。
100‧‧‧坩堝
102‧‧‧熔融矽
104‧‧‧單晶錠
105‧‧‧箭頭
106‧‧‧晶體/熔體界面
108‧‧‧堰
110‧‧‧內部成長區域
112‧‧‧外部熔體補充區域
114‧‧‧表面下通道
116‧‧‧隔熱罩
117‧‧‧惰性氣體流
118‧‧‧進料供應
119‧‧‧熔體-氣體接觸線
200‧‧‧坩堝
202‧‧‧矽熔體
204‧‧‧成長晶體
205‧‧‧環形開口
206‧‧‧熔體/晶體界面
207‧‧‧蓋
208‧‧‧蓋堰
210‧‧‧成長區域
212‧‧‧外部熔體補充區域
214‧‧‧通道
215‧‧‧經修改流動區域
216‧‧‧隔熱罩
218‧‧‧底部加熱器
219‧‧‧側加熱器
220‧‧‧真空幫浦
221‧‧‧進料供應
222‧‧‧側壁
230‧‧‧最大堰侵蝕點
300‧‧‧經修改氣體流線
302‧‧‧流動區域
304‧‧‧界面高度
408‧‧‧第二堰
411‧‧‧互連區域
414‧‧‧通道
500‧‧‧流線
圖1係顯示柴可斯基晶體成長系統中具有外周加熱器之習用坩堝之部分示意視圖。
圖2係顯示本發明一實施例之柴可斯基晶體成長系統中之蓋堰之部分示意視圖。
圖3係顯示圍繞蓋堰之氣體流線之蓋堰之放大視圖。
圖4係另一實施例之柴可斯基晶體成長系統中之另一蓋堰之示意圖。
圖5係顯示氣體流線之圖1習用坩堝之放大視圖。
參照圖2，根據本發明之實施例，在坩堝200中提供蓋堰208。界定矽熔體202中之成長區域之蓋堰208通常具有圓柱形狀且垂直延伸之側壁222安裝在坩堝200底部。將矽熔體202中之成長區域210界定為側壁222所涵蓋之區域(即側壁之徑向向內)。將外部熔體補充區域212界定為側壁222外部之區域(即側壁之徑向向外)。因此，蓋堰208將成長區域210與第一區域或外部熔體補充區域212分開以分離並防止熱及機械擾動影響成長區域210中之成長晶體。
在一些實施例中，在側壁222中界定通道214以控制外部熔體補充區域212與成長區域210之間之熔體流。進料供應221將固體矽原料之來源供應至外部熔體補充區域212。可提供隔熱罩216以保護熔體/晶體界面206及錠204免於熱干擾。在實例性實施例中，隔熱罩呈圓錐形且角或錐體在向下方向上徑向向內，以使隔熱罩之頂部比隔熱罩之底部寬得多。圓錐形隔熱罩216之側壁自基底以一定角度向下懸垂，以使得隔熱罩之較小直徑遠端界定中心環形開口205，從而使得當單 晶錠204如所顯示垂直拉取時該環形開口足夠大以接收成長錠。在一些實施例中，一或多個底部加熱器218及側加熱器219與坩堝200熱連通以將熱供應至熔體202。底部加熱器可係以徑向模式佈置於坩堝200基底下方之獨立受控之環形加熱器218以及側加熱器219，該等加熱器可在整個外部熔體補充區域212中提供更加受控的溫度分佈。
蓋堰208包含自側壁222之上部部分延伸之蓋207。在實例性實施例中，蓋實質上垂直於側壁222在徑向向內方向及徑向向外方向上延伸。在其他實施例中，蓋207可僅在自側壁222徑向向外方向上或僅在自側壁222徑向向內方向上延伸。
蓋堰208包括安裝於坩堝200基底上之通常呈圓柱形之本體。蓋堰208之側壁222垂直向上延伸以與熔體202形成並界定經修改流動區域215。應瞭解，介於蓋207下部與熔體202之間之經修改流動區域215經優化以藉由產生氣流圖案(圖3)減少對堰造成之侵蝕，該氣流圖案係以在最大堰侵蝕點230處局部增加諸如一氧化矽氣體等氣體之分壓之方式產生。
圖3顯示根據實施例具有界面高度304之經修改流動區域215中之實例性經修改氣體流線300。選擇蓋207之尺寸以使蓋堰208之延伸側與毗鄰熔體202之組合為氬吹掃氣體自錠之流出提供經修改流動路徑(在圖3中以流線300表示)。在一實施例中，藉由例如使用真空幫浦220(圖2)改變室內之壓力來補充氬吹掃氣體及/或一氧化矽氣體之流出。即，藉助蓋部分207之大小來確定經修改流動區域215之尺寸，以為吹掃氣體之流出提供狹窄、集中的流動路徑，該吹掃氣體具有增加經修改流動區域215外部之流動區域302之流出吹掃氣體壓力之作用。此氣體壓力之局部增加有利於減少側壁222處堰之侵蝕，從而增加堰之使用壽命。選擇蓋堰208之直徑以在外部熔體補充區域212中提供足夠熔體體積，以維持將矽維持在其熔融溫度或以上所需要之融合潛熱 及熱能。
下表1顯示蓋堰與比較堰(例如圖1之堰)相比之實例性性能結果。
如所顯示，在具有等效參數之CZ製程中，實例性蓋堰提供比典型非蓋堰降低的內部侵蝕速率。如本文所使用，G值係在熔體-晶體界面處晶體中軸向溫度梯度之量度。如熟習此項技術者已知，G係通過晶體移除熱之快慢程度及/或使晶體冷卻之快慢程度之量度。例如，對於給定晶體冷卻組態，較低G值可指示晶體拉取速率還存在額外增加空間。對於給定組態，界面高度係熔融線與熔體-晶體界面最高部分之間之垂直距離之量度，且可用作晶體熱度之直接量度。在一些情況中，較深界面可指示因晶體溫度較高而使晶體拉取速率存在較少增加空間。
如圖4中所顯示，含有蓋堰208之坩堝200亦可包含自蓋堰208徑向向外定位之第二堰408。儘管顯示第二堰408自蓋堰208徑向向外，但在其他實施例中，第二堰408可自蓋堰徑向向內定位。第二堰將互連區域411界定在外部熔體補充區域212與熔體202之成長區域210之間。
在221加入坩堝之外部熔體補充區域212的呈固體抑或液體形式之原料在其到達中心成長區域210中之前應完全熔融，否則中心成長區域210中之小粒子、尤其未熔融矽原料之氧化物本身可附接至成長 錠並導致錯位。因此，藉由使原料通過外部熔體補充區域212、通道414及互連區域411提供使原料熔融之額外時間。此外，成長區域210中之熔體不含可導致成長晶體204錯位之局部溫度大幅波動。在此實施例中，選擇高度並不實質上干擾經修改流動路徑215之第二堰408。第二堰408之高度可與蓋堰208之高度相同、比其更高或更低，且在一些實施例中，第二堰408包含與蓋部分207類似之蓋部分。類似地，蓋堰可根據直徑來定大小，以使第二堰並不實質上干擾經修改流動路徑215。
上文詳細闡述用於以連續柴可斯基製程改良晶體成長之裝置、系統及方法之實例性實施例。該等裝置、系統及方法並不限於本文所闡述之特定實施例，但該等系統及裝置之組件及/或方法之步驟可與本文所闡述之其他組件及/或步驟獨立且單獨使用。例如，該等方法亦可與其他晶體形成系統、方法及裝置組合使用，且不限於僅使用如本文所闡述之系統、方法及裝置來實踐。而且，實例性實施例可與許多其他應用結合實施及利用。
在引入本發明之要素或其實施例時，冠詞「一(a、an)」、「該(the)」及「該(said)」欲意指有一或多個要素。術語「包括」、「包含」及「具有」意欲具有包涵性且意指除所列示要素外亦可有其他要素。
由於可在不背離本發明範疇下對上文作出各種改動，因此以上說明書中所含及附圖中所顯示之所有標的物皆應理解為具有闡釋性而不具有限制意義。
200‧‧‧坩堝
202‧‧‧矽熔體
204‧‧‧成長晶體
205‧‧‧環形開口
206‧‧‧熔體/晶體界面
207‧‧‧蓋
208‧‧‧蓋堰
210‧‧‧成長區域
212‧‧‧外部熔體補充區域
214‧‧‧通道
215‧‧‧經修改流動區域
216‧‧‧隔熱罩
218‧‧‧底部加熱器
219‧‧‧側加熱器
220‧‧‧真空幫浦
221‧‧‧進料供應
222‧‧‧側壁
230‧‧‧最大堰侵蝕點

Claims (20)

  1. 一種藉助柴可斯基(Czochralski)方法成長錠之裝置，該錠係自補充有結晶原料之大量熔融矽中之熔體/晶體界面成長，該裝置包括：界定外殼之成長室，其經組態以使吹掃氣體圍繞該成長錠循環；於該成長室中提供之坩堝，其經組態以容納該熔融矽；堰，其安裝於該坩堝中且經組態以將該熔融矽分成圍繞該熔體/晶體界面之內部成長區域與經組態以接收該結晶原料之外部區域，該堰具有T型剖面且包含至少一個垂直延伸之側壁及實質上垂直於該側壁在自該側壁徑向向內方向上延伸之蓋，其中該蓋及該側壁界定位於自該側壁徑向向內且自該熔融矽至該側壁之頂部延伸之經修改流動區域，其中該側壁防止自該經修改流動區域之徑向向外氣體流動。
  2. 如請求項1之裝置，其中該蓋實質上垂直於該側壁在自該至少一個側壁徑向向外方向上延伸。
  3. 如請求項1之裝置，其進一步包括安裝於該坩堝中且具有至少一個側壁垂直延伸之第二堰，該第二堰自該堰徑向向外定位。
  4. 如請求項3之裝置，其中該堰具有低於該第二堰之高度。
  5. 如請求項1之裝置，其進一步包括安裝於該坩堝中且具有至少一個側壁垂直延伸之第二堰，該第二堰自該堰徑向向內定位。
  6. 如請求項1之裝置，其中該堰係自石英製造。
  7. 如請求項1之裝置，其進一步包括至少一個用於加熱該坩堝之加熱器。
  8. 一種用於連續柴可斯基晶體成長之方法，其中將一或多個晶體 錠自於坩堝中界定之熔體/晶體界面拉入成長室中，該坩堝含有補充有原料之熔融結晶材料，該方法包括：使用具有T型剖面之堰將該熔融結晶材料分成圍繞該熔體/晶體界面之內部成長區域與用於接收該原料之外部區域；使惰性氣體流動接觸該堰及該熔體，以使該堰防止在該堰之頂部下方該惰性氣體之徑向向外流動且增加徑向內部最大堰侵蝕點處自該熔體釋放之一氧化矽氣體之分壓。
  9. 如請求項8之方法，其中該堰包含蓋，且該惰性氣體係以一定方式引導以在該蓋下方流動。
  10. 如請求項8之方法，其中使該惰性氣體流動包含使氬氣流動。
  11. 如請求項8之方法，其進一步包括使用至少一個靠近該坩堝之加熱器加熱該坩堝。
  12. 如請求項8之方法，其進一步包括操作該室內之壓力以排空該一氧化矽氣體。
  13. 如請求項12之方法，其中操作壓力包含使用真空器件。
  14. 如請求項8之方法，其中該最大堰侵蝕點係沿該熔體/晶體界面之點。
  15. 一種藉助柴可斯基方法成長錠之系統，該等錠係自補充有結晶原料之大量熔融矽中之熔體/晶體界面拉出，該系統包括：界定外殼之成長室，其經組態以使吹掃氣體圍繞該成長錠循環；於該成長室中提供之坩堝，其經組態以容納該熔融矽；進料供應，其用於供應該結晶原料；加熱器，其用於加熱該結晶原料及該熔融矽；及堰，其支撐於該坩堝中且經組態以將該熔融矽分成圍繞該熔體/晶體界面之內部成長區域與經組態以接收該結晶原料之外部 區域，該堰具有T型剖面且包括至少一個垂直延伸之側壁及實質上垂直於該側壁延伸之蓋，其中該蓋及該側壁界定自該熔融矽至該側壁之頂部延伸之經修改流動區域，其中該側壁防止自該經修改流動區域之徑向向外氣體流動。
  16. 如請求項15之系統，其中該蓋實質上垂直於該側壁在自該至少一個側壁徑向向內方向上延伸。
  17. 如請求項15之系統，其中該蓋實質上垂直於該側壁在自該至少一個側壁徑向向內方向上、及實質上垂直於該側壁在自該至少一個側壁徑向向外方向上延伸。
  18. 如請求項15之系統，其進一步包括安裝於該坩堝中且具有至少一個側壁垂直延伸之第二堰，該第二堰自該堰徑向向外定位。
  19. 如請求項18之系統，其中該堰具有低於該第二堰之高度。
  20. 如請求項15之系統，其中該堰包含石英。
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