TWI645080B - 矽單結晶的製造方法 - Google Patents
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Abstract
提供不會減低矽單結晶中之氧析出核密度的矽單結晶製造方法。藉由柴可斯基法 (Czochralski method)，從矽熔融液中拉升矽單結晶10使其成長之矽單結晶10製造方法為當矽單結晶10的拉升途中發生差排時，在差排起始位置101通過氧析出核形成溫度帶T
BMD前，維持原本之拉升速度拉升矽單結晶10。
Description
本發明關於一種製造矽單結晶的方法。
矽單結晶中的氧析出核，舉例而言，係於裝置製造過程中的氧化熱處理等之熱處理所產生，進而形成主體微缺陷 (Bulk Micro Defect, BMD)。BMD 於形成半導體裝置的晶圓表層中存在時，將成為漏電流增大、氧化膜絕緣性低落等之原因，對於裝置特性有極大的影響。
另一方面，於晶圓內部形成之 BMD 可捕捉金屬雜質等之汙染不純物，而成為將汙染不純物由晶圓表層去除的吸除位置 (gettering site)。於裝置製造過程中，例如乾式蝕刻等，有時會使用使其可能產生金屬汙染之裝置，具有良好吸除能力之晶圓是至關重要的。 因此，藉由柴可斯基法拉升矽單結晶時，希望能於矽單結晶中形成某種程度密度的氧析出核。
而藉由柴可斯基法 (Czochralski process) 所形成之矽單結晶於拉升時，於其直體部可能發生差排。若發生差排，已知將延伸至直體部中無差排之部分。 因此，在專利文獻1中揭示，若於矽單結晶直體部的成長過程中發生差排時，藉由提高加熱器之輸出功率、拉升速度逐漸提高等，迅速進入尾端形成階段，形成一較短的尾端後切斷分離之技術。 [先前技術文獻]
[專利文獻1] 日本特開2009-256156號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，由於提高加熱器輸出功率以及拉升速度，上述專利文獻1所記載之技術具有正常之無差排矽單結晶直體部的熱歷程發生改變，以及矽單結晶中之氧析出核密度因此減少之問題。
本發明之目的在於提供一種不會降低矽單結晶中之氧析出核密度之矽單結晶製造方法。 [解決問題之技術手段]
本發明的矽單結晶的製造方法，是藉由柴可斯基法，由矽之熔融液中拉升矽單結晶，使其成長之矽單結晶製造方法，在上述矽單結晶拉升過程中發生差排時，在差排起始位置通過氧析出核形成溫度帶前，維持原本之拉升速度拉升上述矽單結晶。 於本發明，上述氧析出核形成溫度帶可為攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上。
根據本發明，即便發生差排後，在差排起始位置通過氧析出核形成溫度帶前，維持原本之拉升速度對矽單結晶進行拉升。因此，由於可以不讓差排發生前之正常矽單結晶的熱歷程發生改變而進行拉升，矽單結晶內所生成之氧析出核密度將不會減少。特別是，在攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上時，為形成氧析出核之溫度帶，氧析出核密度將不會減低。
於本發明，更進一步地，在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶，維持前述矽單結晶之拉升速度更佳。 根據本發明，由於攝氏 600 度以下、400 度以上之溫度帶為析出之氧析出核成長的溫度帶，氧析出核密度將不會減低。
於本發明，上述矽單結晶用於直徑 300mm 之矽晶圓，上述氧析出核形成溫度帶較佳為從上述矽熔融液之液面起 597mm 以上、1160mm 以下之範圍。 在拉升直徑 300mm 之矽晶圓用矽單結晶時，於矽熔融液之液面起 597mm 以上、1160mm 以下之範圍，為攝氏 800 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶。據此，在這樣的範圍內，藉由維持矽單結晶之拉升速度，氧析出核密度將不會減低。
[1] 矽單結晶之拉升裝置1的構造 第1圖中所示的是，一種可適用關於本發明之一種實施態樣的矽單結晶製造方法之矽單結晶拉升裝置1的構造示意圖。藉由柴可斯基法，拉升裝置1作為將矽單結晶10向上拉升之裝置，其具有構成外壁之腔室2、以及配置於腔室2中心部之坩堝3。坩堝3是由其內側之石英坩堝3A與外側之石墨坩堝3B構成之二重構造，固定於可旋轉及升降之支持軸4的上端部。
坩堝3之外側設有包圍坩堝3之電阻加熱式加熱器5，此加熱器之外側、沿著腔室2之內面設有隔熱材料6。 坩堝3之上方，設有一與支持軸4同軸、以相反方向或是同方向、預定速度旋轉的金屬線等之拉升軸7。晶種8安裝於此拉升軸7之下端。
腔室2中，設有一筒狀之熱遮蔽體12。熱遮蔽體12對於成長中之矽單結晶10，在阻斷來自坩堝3裏之矽熔融液9、加熱器5、坩堝3等之側壁的高溫輻射熱之同時，對於結晶成長面的固液界面附近，亦有抑止熱之向外擴散、控制單晶中心部與單晶外圍部其拉升軸方向之溫度梯度的功效。 另外，熱遮蔽體12亦具有藉由從爐上方導入之惰性氣體，將來自矽熔融液9之蒸發部向爐外排氣之整流筒的功能。
於腔室2之上部設有將氬氣等惰性氣體導入腔室2內之氣體導入口13。腔室2之下部設有藉由並未繪出之真空幫浦驅動，將腔室2中之氣體吸引排出之排氣口14。 從氣體導入口13導入至腔室2內之惰性氣體，下沉成長中之矽單結晶10與熱遮蔽體12之間，經過熱遮蔽體12的下端與矽熔融液9液面之間隙 (液面 Gap) 後，流向熱遮蔽體12的外側與坩堝3之外側，其後經坩堝3外側下降，從排氣口14排出。
使用如上所述之拉升裝置1生成矽單結晶10之時，腔室2內維持減壓下的惰性氣體環境之狀態下，將置於坩堝3內之多晶矽等固態原料藉由加熱器5之加熱使其熔融，形成矽熔融液9。坩堝3內形成矽熔融液9後，降下拉升軸7使晶種8浸漬於矽熔融液9，坩堝3以及拉升軸7往預定之方向旋轉的同時，拉升軸7緩慢地拉升，藉此形成與晶種8相連之矽單結晶10。
[2] 矽單結晶10的製造方法 接著說明使用上述之矽單結晶拉升裝置1製造本案實施態樣之矽單結晶10的方法。 矽單結晶10於拉升途中發生差排時，如第2圖中所示，差排起始位置101通過氧析出核形成溫度帶T
BMD前，不改變拉升速度、加熱器5之加熱溫度等之拉升條件，將矽單結晶10以原本之條件繼續拉升。
氧析出核形成溫度帶T
BMD為攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上之溫度帶。差排起始位置101在通過攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上之溫度帶前，不改變矽單結晶10之拉升條件繼續拉升。藉此，矽單結晶10中未發生差排之部分的熱歷程與通常沒有發生差排時之拉升相同，因此矽單結晶10中未發生差排之部分的氧析出核密度將不會減少。 差排發生後，若提升拉升速度進行矽單結晶10之拉升，矽單結晶10未發生差排之部分停留在攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上之溫度帶的時間將縮短，其熱歷程將發生變化。因此矽單結晶10中未發生差排之部分的氧析出核密度將會減少。
矽單結晶10之拉升，雖可以如第2圖所示，不切斷分離差排起始位置101以下之部分，如此繼續拉升；但亦可如第3圖所示，將差排起始位置101以下之部分切斷分離後，繼續拉升。下部的切開分離可藉由提升加熱器5之加熱輸出功率、在氧析出核的形成密度不會減少的範圍內提高拉升速度等，皆可進行。
直徑 300mm 之矽晶圓用的矽單結晶10 (直體徑 301mm 至 320mm) 的情況下，從熔融液9之熔融表面拉升之矽單結晶10的結晶溫度，是由與矽熔融液9的熔融表面之距離而定，如表1所示。因此，藉由從差排起始位置101管理拉升高度，便能掌握矽單結晶10之熱歷程。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 結晶溫度 </td><td> 距熔融表面之位置 </td></tr><tr><td> 800℃ </td><td> 390~970mm </td></tr><tr><td> 600℃ </td><td> 597~1160mm </td></tr><tr><td> 400℃ </td><td> 796~1368mm </td></tr></TBODY></TABLE>
[3] 於攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上，矽單結晶10之拉升 接著說明於氧析出核形成溫度帶T
BMD後之攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上的溫度帶，不改變拉升條件進行拉升之依據。 於第4圖以及第5圖中，為 1) 差排發生後，立即切斷矽單結晶10，改變拉升速度進行拉升；2) 差排發生後之 3 小時內繼續拉升，而後切斷分離，改變拉升速度進行拉升；3) 依原本條件繼續拉升 (6.5 小時) 之各情況下，量測矽單結晶10之溫度的結晶冷卻曲線。另外，圖4為矽熔融液9之液面起 600mm 處之結晶冷卻曲線。而圖5則是矽熔融液9之液面起 400mm 處之結晶冷卻曲線。
由第4圖以及第5圖可知，和持續拉升 3 小時，而後切斷分離之情況比較，依原本條件繼續拉升 6.5 小時之情況，其矽單結晶10未發生差排之部分於攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶有較長的滯留時間。 關於持續拉升 3 小時，而後切斷分離之情況與依原本條件繼續拉升之情況，調查其氧析出核之數目與 BMD 密度之關係，如圖6所示，繼續拉升之情況，其 BMD 密度變得較大，氧析出核之數目亦變得較多。
據上所述，藉由將拉升速度與無差排情況相同之拉升條件進行拉升，即便於攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶，亦確認其 BMD 密度將增加。其原因推測可能是在攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上之溫度帶時所形成的氧析出核，在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶因停留足夠的時間，氧析出核成長，而提升 BMD 密度。 因此，已確認於氧析出核形成溫度帶T
BMD維持拉升條件外，進一步地藉由在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶亦維持同樣的拉升條件，可使矽單結晶10內之 BMD 密度提升。
［實施例］ 接著，對本發明之實施例進行說明。另外，本發明並非限定於這些實施例。 如過去習知，關於矽單結晶10之拉升途中發生差排的情況，對於在發生差排後，提升拉升速度，減少攝氏 800 度以下、400 度以上之溫度帶的滯留時間 (習知例)；以及對於差排發生後，維持原拉升速度，增加於攝氏 800 度以下、400 度以上之溫度帶的滯留時間 (實施例)，其 BMD 密度會是怎樣的變化，將兩者進行比較。 關於習知例與比較例之滯留時間的差別表示於表2與圖7中。
［表2］
關於實施例、習知例以及無差排且進行全長拉升後之矽單結晶10，分別測定其 BMD 密度對固化率的變化。結果如圖8所示。 由圖8可知，於習知例中，BMD 密度由固化率 50% 處開始下降。 另一方面，實施例則是即便發生差排後，由於拉升速度維持在差排發生前的拉升速度進行拉升，BMD 密度維持與無差排的情況一樣之數值，確認其 BMD 密度並無減低。另外，關於圖8，固化率 90% 處沒有繪出 BMD 密度測定點是因固化率 80% 以上之部分發生差排，而無法測量 BMD 密度。
1‧‧‧拉升裝置
2‧‧‧腔室
3‧‧‧坩堝
3A‧‧‧石英坩堝
3B‧‧‧石墨坩堝
4‧‧‧支持軸
5‧‧‧加熱器
6‧‧‧隔熱材
7‧‧‧拉升軸
8‧‧‧晶種
9‧‧‧矽熔融液
10‧‧‧矽單結晶
12‧‧‧熱遮蔽體
13‧‧‧氣體導入口
14‧‧‧排氣口
101‧‧‧差排起始位置
第1圖為與本案一實施態樣相關的矽單結晶拉升裝置之構造展示示意圖。 第2圖為上述實施態樣發生差排後，不進行切斷分離而繼續拉升之情況示意圖。 第3圖為上述實施態樣發生差排後，進行切斷分離之情況示意圖。 第4圖為上述實施態樣，在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶的說明圖。 第5圖為上述實施態樣，在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶的說明圖。 第6圖為上述實施態樣，在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶，因不同之滯留時間，其 BMD 之差異顯示圖。 第7圖為本案一實施例與習知例於攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上之溫度帶的滯留時間說明圖。 第8圖為本案一實施例與習知例固化率之對應 BMD 密度圖。
Claims (4)
- 一種矽單結晶的製造方法，經柴可斯基法，從矽熔融液拉升矽單結晶使其成長之矽單結晶製造方法，其特徵在於： 上述矽單結晶拉升過程中發生差排時，在差排起始位置通過氧析出核形成溫度帶前，維持原本之拉升速度拉升上述矽單結晶。
- 如申請專利範圍第1項所述之矽單結晶製造方法，其中所述氧析出核形成溫度帶為攝氏 800 度以下、攝氏 600 度以上。
- 如申請專利範圍第2項所述之矽單結晶製造方法，進一步在攝氏 600 度以下、攝氏 400 度以上之溫度帶，維持上述矽單結晶之拉升速度。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之上述矽單結晶製造方法，其中上述矽單結晶用於直徑 300mm 之矽晶圓，上述氧析出核形成溫度帶為從上述矽熔融液之液面起 597mm 以上、1160mm 以下之範圍。
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