TWI707991B - 製造半導體材料單晶的方法、實施該方法的裝置、及矽半導體晶圓 - Google Patents

製造半導體材料單晶的方法、實施該方法的裝置、及矽半導體晶圓 Download PDF

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Abstract

根據FZ法製造半導體材料單晶的方法，實施該方法的裝置和矽半導體晶圓。所述方法包括在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區；在第一感應線圈的高頻磁場中熔化進料棒材料；使生長的單晶頂部熔融區的材料結晶；使生長的單晶圍繞旋轉軸旋轉並根據預定模式改變旋轉方向和旋轉速度；和在熔融區上施加第二感應線圈的交變磁場，其中交變磁場相對於生長的單晶的旋轉軸不是軸對稱的。

Description

製造半導體材料單晶的方法、實施該方法的裝置、及矽半導體晶圓
本發明的目的是根據FZ法製造半導體材料單晶的方法，所述方法包括在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區。本發明還涉及適用於實施該方法的裝置和摻雜有n型摻雜劑的矽半導體晶圓，該半導體晶圓可通過所述方法獲得。
浮區法包括在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區，在高頻磁場中熔化進料棒材料，並使生長的單晶頂部熔融區的材料結晶。
US 3,705,789描述了使用FZ法製造單晶，其中在熔融區上施加額外的磁場。該磁場由另一個感應線圈產生，該感應線圈被通入頻率在500Hz和500kHz之間的電流。額外施加的磁場用於支撐熔融區。
WO 2008/125104A1描述了一種類似的方法，其主要目的是使從單晶切割的晶圓上的單晶的電性質均勻化。該方法還包括使生長的單晶圍繞旋轉軸旋轉並根據預定模式改變旋轉方向和旋轉速度。
JP 2015-229 612A描述了一種根據FZ法的方法，該方法使得可以獲得直徑為200 mm並且RRV（考慮到5 mm的邊緣排除）在最佳情況是3.8％至16％間的單晶矽半導體晶圓。RRV（徑向電阻率變化）是垂直於單晶縱軸的平面中電阻率變化的量度。RRV根據下面的公式計算，其中ρmax 和ρmin 分別表示晶圓平面中的最高和最低電阻率：RRV = [（ρmax -ρmin ）/ρmin ]×100％。
其中，由於n型摻雜劑例如磷、砷和銻的相對小的偏析係數，在生長的單晶中更難以實現這種摻雜劑的均勻分佈。因此，n摻雜的矽晶圓的電阻率在徑向上比摻雜有p型摻雜劑的相應晶圓的電阻率變化更大。
本發明的目的是提供一種根據FZ法製造半導體材料單晶的方法，該方法實現電阻率的均勻化，並可獲得具有改進的電性質的單晶矽半導體晶圓。
該任務透過一種製造摻雜有摻雜劑的半導體材料單晶的方法來解決，所述方法包括： 在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區； 在第一感應線圈的高頻磁場中熔化進料棒材料； 使生長的單晶頂部熔融區的材料結晶； 使生長的單晶圍繞旋轉軸旋轉； 根據預定模式改變旋轉方向和旋轉速度；及 在熔融區上施加第二感應線圈的交變磁場，其中所述交變磁場相對於生長的單晶的旋轉軸不是軸對稱的。
發明人已經發現，有利的是將在熔融區上施加交變磁場的第二感應線圈佈置為與水平位置傾斜，以便解決該任務。穿過第二感應線圈的中心的軸和生長的單晶的旋轉軸形成不等於零的角度。該角度較佳不小於15°且不大於30°。交變磁場在熔融區上施加磁動勢，這改善了熔融區中摻雜劑的混合，並使熔融區中心的流動明顯不對稱地排列。這確保摻雜劑更均勻地摻入，尤其是在生長的單晶的中心。
該方法是有效的且與摻雜劑類型無關。因此，它可用於製造摻雜有n型摻雜劑的半導體材料單晶以及摻雜有p型摻雜劑的半導體材料單晶。使用該方法生產矽單晶是特別有利的，特別是那些直徑為至少200mm的矽單晶。在這種情況下，進料棒較佳由多晶矽組成，並且較佳經由化學氣相沉積製備。
摻雜劑可以經由預摻雜的進料棒及╱或經由導入熔融區的摻雜氣體提供給生長的單晶。根據本發明的較佳設計，摻雜劑作為摻雜氣體在通向熔融區外部區域的路徑上導入。特別佳以兩種不同的方式將摻雜氣體導入熔融區的外部區域和熔融區的內部區域。摻雜氣體的流動及╱或摻雜氣體中摻雜劑的濃度可以使用兩種方式單獨調節，並且透過這種方式，可以抵消在生長的單晶的邊緣處摻雜劑的耗盡。有利的是，摻雜氣體不會導入到熔融區的外部區域，直到生長的單晶已經達到至少足夠大的直徑，使得來自位於外部的噴嘴的摻雜氣體接觸熔體的自由表面，而不是直接與晶體的邊緣接觸。在較佳的配置中，噴嘴的位置對應於晶體的圓柱形部分的直徑的90％至95％，並且當達到所述圓柱形部分的直徑的95％至100％之間時開始摻雜。所述圓柱形部分是單晶的一部分，其在隨後的處理過程中被分割成多個半導體晶圓。如果尚未達到該最小直徑，則摻雜氣體的流動暫時接觸熔融區與生長的單晶邊緣處的生長單晶之間的相界，這特別容易受到干擾，包括由摻雜氣體導入到該點引起的干擾。摻雜氣體較佳由載氣和摻雜劑組成，例如氬和磷化氫。
生長的單晶圍繞旋轉軸順時針或逆時針旋轉，並且旋轉的方向和速度根據預定模式不時地改變。
本發明的目的還在於一種用於製造摻雜有摻雜劑的半導體材料單晶的裝置，其包括： 第一感應線圈，用於在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區； 通向第一個感應線圈的電流引線；及 圍繞所述生長的單晶並在所述熔融區上施加交變磁場的第二感應線圈，所述第二感應線圈與水平面傾斜。
向第二感應線圈提供交流電，交流電的頻率較佳不小於25Hz且不大於250Hz。因此，該頻率顯著低於第一感應線圈中的交流電的頻率，第一感應線圈中的交流電的頻率在MHz範圍內，通常為2至3MHz。第二感應線圈較佳地以不小於700安培匝且不大於1100安培匝的磁動勢（mmf）操作。
第二感應線圈與水平面傾斜。穿過該感應線圈中心的軸與生長的單晶的旋轉軸成一角度，該角度較佳不小於15°且不大於30°。第二感應線圈較佳是傾斜的，使得第二感應線圈到第一感應線圈的距離在第一感應線圈具有其電流引線處是最大的。換句話說，第二感應線圈較佳遠離第一感應線圈的電流引線傾斜。
較佳地，該裝置還包括一個或多個用於將摻雜氣體導入熔融區的外部的噴嘴，更佳地還包括一個或多個另外的用於將摻雜氣體導入熔融區的內部的噴嘴。這些噴嘴較佳安裝在第一感應線圈的下側。例如，有三個外部噴嘴，這些噴嘴中的一個噴嘴與下一個之間的距離為90°或較佳為120°。
此外，該裝置較佳包括再熱器，該再熱器在熔融區和生長的單晶之間的相界區域中圍繞生長的單晶。再熱器較佳設計為反射器，但也可以設計為主動加熱元件。再熱器較佳具有的直徑使其與生長的單晶的距離小於第二感應線圈與生長的單晶的距離。
第二感應線圈較佳地容納在殼體中，在所述殼體中第二感應線圈的電絕緣繞組（winding）透過諸如水的冷卻劑冷卻。殼體較佳地由導電材料，例如非磁性（非鐵磁）鋼製成。特別佳的是，透過塗層，較佳銀塗層使殼體特別導電。塗層的厚度較佳不小於40 μm。
最後，本發明涉及一種直徑為至少200 mm的摻雜有n型摻雜劑的單晶矽半導體晶圓，其間隙氧濃度不大於1×1016 原子/cm3 ；從位置R/2到半導體晶圓邊緣的電阻率增加至少2％，其中R表示半導體晶圓的半徑；電阻率的變化以RRV表示為不大於9％；以及包括波動範圍不大於±10％的條紋。
所述n型摻雜劑較佳為磷。根據本發明的半導體晶圓由透過應用根據本發明的方法製備的單晶切割而成。
所述間隙氧的濃度根據新的ASTM標準測量。
與透過NTD（中子遷變摻雜）摻雜的半導體晶圓相比，根據本發明的晶圓的電阻率朝向邊緣增加。
RRV根據沿著半導體晶圓直徑的4點探針方法測量，相鄰測量位置之間的距離為2 mm，因此必須考慮6 mm邊緣排除。
條紋是由熔融區和生長的單晶之間的相界處的溫度和摻雜劑濃度波動引起的，並且顯示出由此產生的電阻率波動。透過沿著從半導體晶圓的中心徑向向外引導的線的SRP測量（擴展電阻分佈）進行條紋波動範圍的研究，其中相鄰測量位置之間的距離為50 μm，由此測量半徑的60%的長度。
關於本發明方法的上述版本給出的特徵可以相應地轉移到本發明的裝置。相反，關於符合本發明的裝置的上述形式給出的特徵可以在必要的修正後適用於本發明的方法。在附圖的描述和申請專利範圍中解釋了本發明形式的這些和其他特徵。各個特徵可以單獨實現或組合實現為本發明的實施態樣。此外，它們可以描述能得到獨立保護的有利實施方案。
下面參考附圖更詳細地描述本發明。
在實驗中使用具有第1圖所示特性的裝置產生摻雜有n型摻雜劑的矽單晶（摻雜氣體：Ar和PH3 ），然後將單晶研磨並加工成直徑為200 mm的拋光半導體晶圓。第二感應線圈2具有300 mm的直徑，由121個繞組組成。第二感應線圈2被佈置成從第一感應線圈1的電流引線8的水平位置向下傾斜，其中穿過第二感應線圈2的中心的軸6與生長的單晶的旋轉軸7之間的角度α是22.5°。第二感應線圈在50 Hz交流電下操作，在第一個實施例實驗中電流強度為5A（相當於605安培匝的mmf），在第二個實施例實驗中為7.5A（相當於907.5安培匝的mmf）。為了比較的目的，在對比實驗中製備另一種單晶並加工成半導體晶圓，這次單晶由具有類似於第1圖所示特性但沒有第二感應線圈2的裝置產生。
獲得的晶圓的電阻率通過4點探針法沿晶圓直徑測量（相鄰測量位置之間的距離2 mm，邊緣排除6 mm），並且透過SRP測量確定條紋的波動範圍（沿著從晶圓中心徑向向外引出的線，相鄰測量位置之間的距離為50 μm，在半徑的60％的長度內）。
第2圖係針對第一實施例實驗的一些晶圓，顯示電阻率與目標電阻率的偏差Δρ相對於徑向座標Pos之關係圖。
第3圖係針對第二實施例實驗的一些半導體晶圓，顯示電阻率與目標電阻率的偏差Δρ作為徑向座標Pos的函數。可以看出，使用更高的電流強度，可以實現更均勻的電阻率曲線，尤其是在半導體晶圓的中心（Pos = 0mm）周圍的區域中。
第4圖係針對第三實施例實驗中的一些半導體晶圓，顯示電阻率與目標電阻率的偏差Δρ作為徑向座標Pos的函數。在第三個實施例實驗中，單晶的摻雜是透過沿通往熔融區外部的路徑和沿通往熔融區內部的路徑將摻雜氣體導入熔融區來進行的，而在第一個和第二個實施例實驗中，摻雜氣體沒有導入到熔融區的外部。可以看出，通過另外將摻雜氣體導入熔融區的外部，可以實現更均勻的電阻率曲線，尤其是在半導體晶圓的邊緣（Pos =±94mm）的區域中。對於這些半導體晶圓，RRV不大於9％並且條紋的波動範圍不大於±10％。
第5圖顯示第三實施例實驗的半導體晶圓上的SRP測量結果，其中電阻率與目標電阻率的偏差Δρ被繪製為與這些半導體晶圓中的兩個的邊緣的距離ΔP的函數。ΔP= 100 mm是晶圓的中心。
第6圖係針對對比實驗的一些半導體晶圓，顯示電阻率與目標電阻率的偏差Δρ作為徑向座標Pos的函數。
第7圖顯示對比實驗的半導體晶圓上的SRP測量結果，其中電阻率與目標電阻率的偏差Δρ被繪製為與這些半導體晶圓中的兩個的邊緣的距離ΔP的函數。ΔP= 100mm是晶圓的中心。
以上對例示性設計的描述應被理解為實例。一方面，本公開使得本技藝人士能夠理解本發明和相關的優點，另一方面，本技藝人士的理解還包括對所描述的結構和方法的明顯修改和變化。因此，所有這些修改和變化以及等同物應當包含在申請專利範圍的保護範圍內。
1‧‧‧第一感應線圈 2‧‧‧第二感應線圈 3‧‧‧進料棒 4‧‧‧生長的單晶 5‧‧‧熔融區 6‧‧‧軸 7‧‧‧旋轉軸 8‧‧‧電流引線 9‧‧‧箭頭方向 10‧‧‧噴嘴 11‧‧‧噴嘴 12‧‧‧再熱器 α‧‧‧角度
第1圖示意性地顯示根據本發明的裝置的較佳設計的特徵。
第2圖、第3圖、第4圖和第6圖係針對來自實施例實驗和對比實驗的一些半導體晶圓，顯示透過4點探針法測量的電阻率與目標電阻率的偏差Δρ相對於徑向座標Pos的關係圖。
第5圖和第7圖係針對實施例實驗的半導體晶圓和對比實驗的半導體晶圓，顯示透過SRP測量的電阻率與目標電阻率的偏差Δρ作為距這些半導體晶圓邊緣的距離ΔP的函數。
第1圖所示的裝置包括第一感應線圈1和第二感應線圈2。第一感應線圈由高頻交流電供電，位於進料棒3和生長的單晶4之間。第一感應線圈的主要任務是在進料棒3和生長的單晶4之間產生熔融區5，並熔化來自進料棒3的材料以補償在生長的單晶4上結晶的熔融區5的材料。未示出本技藝人士已知的用於旋轉進料棒和生長的單晶和用於降低生長的單晶的裝置。
第二感應線圈2以低頻交流電操作，並且佈置在生長的單晶4周圍使得它與水平位置傾斜。由於這種佈置，穿過第二感應線圈2的中心的軸6和生長的單晶4的旋轉軸7以角度α相交，該角度α具有大於零的值。第二感應線圈2遠離通向第一感應線圈1的電流引線8傾斜並在熔融區5上施加交變磁場。由於第二感應線圈2的傾斜佈置，熔融區中的交變磁場5產生體積力，該體積力驅動熔體流沿著箭頭9的方向流過熔融區5的中心。這種不對稱的熔體流使熔融區中摻雜劑的分佈均勻化，最終導致生長的單晶4中摻雜劑分佈均勻化。
所示裝置還包括至少一個噴嘴10用於將含有摻雜劑的摻雜氣體導入熔融區5的外部，和至少一個另外的噴嘴11用於將含有摻雜劑的摻雜氣體導入熔融區5的內部。噴嘴10、11較佳安裝在第一感應線圈1的下側。本發明裝置也可以沒有內部噴嘴11。
最後，所示的裝置包括被動再熱器12（反射器），特別是在熔融區5和生長的單晶4之間的相界區域中，所述被動再熱器圍繞生長的單晶4並使生長的單晶4的邊緣處的徑向溫度梯度減弱。
1‧‧‧第一感應線圈
2‧‧‧第二感應線圈
3‧‧‧進料棒
4‧‧‧生長的單晶
5‧‧‧熔融區
6‧‧‧軸
7‧‧‧旋轉軸
8‧‧‧電流引線
9‧‧‧箭頭方向
10‧‧‧噴嘴
11‧‧‧噴嘴
12‧‧‧再熱器
α‧‧‧角度

Claims (12)

  1. 一種製造摻雜有摻雜劑的半導體材料單晶的方法，其包括： 在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區； 在第一感應線圈的高頻磁場中熔化所述進料棒的材料； 使所述生長的單晶頂部熔融區的材料結晶； 使所述生長的單晶圍繞旋轉軸旋轉並根據預定模式改變旋轉方向和旋轉速度；及 在所述熔融區上施加第二感應線圈的交變磁場，其中所述交變磁場相對於所述生長的單晶的旋轉軸不是軸對稱的。
  2. 根據請求項1所述的方法，其中穿過所述第二感應線圈的中心的軸和所述生長的單晶的旋轉軸形成不小於15°且不大於30°的角度。
  3. 根據請求項1或2所述的方法，其中所述第二感應線圈以不小於700安培匝且不大於1100安培匝的磁動勢操作。
  4. 根據請求項1或2所述的方法，其包括沿通向所述熔融區的外部的路徑將含有所述摻雜劑的摻雜氣體導入所述熔融區。
  5. 根據請求項4所述的方法，其中在所述生長的單晶已經達到的直徑對應於該生長的單晶的圓柱形部分的直徑的至少95％之後，並且是所述圓柱形部分直徑的100％之前，開始沿通向所述熔融區的外部的路徑將所述摻雜氣體導入所述熔融區。
  6. 一種用於製造摻雜有摻雜劑的半導體材料單晶的裝置，其包括： 用於在進料棒和生長的單晶之間產生熔融區的第一感應線圈； 通向所述第一感應線圈的電流引線；及 圍繞所述生長的單晶並在所述熔融區上施加交變磁場的第二感應線圈，所述第二感應線圈與水平面傾斜。
  7. 根據請求項6所述的裝置，其中，穿過所述第二感應線圈的中心的軸包括與所述生長的單晶的旋轉軸成不小於15°且不大於30°的角度。
  8. 根據請求項6或7所述的裝置，其中，所述第一感應線圈和第二感應線圈之間的距離在第一感應線圈具有其電流引線處最大。
  9. 根據請求項6或7所述的裝置，其包括至少一個用於將含有所述摻雜劑的摻雜氣體導入所述熔融區的外部的噴嘴。
  10. 根據請求項9所述的裝置，其包括三個用於將所述摻雜氣體導入所述熔融區的外部的噴嘴，所述三個噴嘴彼此間隔120°。
  11. 根據請求項6或7所述的裝置，其包括在所述熔融區和所述生長的單晶之間的相界區域中圍繞所述生長的單晶的再熱器。
  12. 一種單晶矽半導體晶圓，其具有至少200mm的直徑並摻雜有n型摻雜劑，其包括： 間隙氧濃度不大於1×1016 原子/cm3 ； 從位置R/2到所述半導體晶圓邊緣的電阻率增加至少2％，其中R表示所述半導體晶圓的半徑； 電阻率的變化以RRV表示為不大於9％；和 波動範圍不大於±10％的條紋。
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