TWI796517B - 單晶矽鑄碇及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示用於製造單晶矽鑄錠之方法，其中矽熔融物中之摻雜劑濃度受到控制。該摻雜劑濃度之該控制藉由該單晶矽鑄錠之頸部、冠部及主體部分中之差排的減少或消除來增強鑄錠品質。

Description

單晶矽鑄碇及其製造方法
本發明之領域係關於用於製造單晶矽鑄碇之方法且更特定言之，係關於一種藉由控制矽熔融物中之摻雜劑濃度而製造具有增強品質之單晶矽鑄錠之方法。
單晶矽(其係用於製作半導體電子組件之大多數程序之起始材料)通常藉由丘克拉斯基(Czochralski) (「Cz」)方法製備。在此方法中，將多晶矽(polycrystalline silicon) (「多晶矽(polysilicon)」)裝填至一坩堝且熔融，使一晶種與熔融矽接觸且藉由緩慢抽取生長一單晶體。在完成一頸部之形成之後，藉由(例如)降低提拉速率及/或熔融物溫度直至達到所要或目標直徑而擴大晶體之直徑。接著藉由控制提拉速率及熔融物溫度同時補償降低之熔融物位準而生長具有一近似恆定直徑之晶體之圓柱形主體。在生長程序結束附近但在坩堝被排空熔融矽之前，通常逐漸減小晶體直徑以形成呈一端錐之形式之一尾端。通常藉由增加拉晶速率及供應至坩堝之熱而形成端錐。當直徑變得足夠小時，晶體接著與熔融物分離。
在晶體生長起始時，由晶種與熔融物接觸之熱衝擊在晶體中產生差排。此等差排在整個生長晶體內傳播並倍增，除非其等在晶種與晶體之主體之間之頸部部分中被消除。
用於消除一矽單晶體內之差排之習知方法包含所謂的「縮頸法」，其涉及以一高拉晶速率(例如，高達6 mm/分鐘)生長具有一小直徑(例如，2至4 mm)之一頸部以在起始晶體之主體之生長之前完全消除差排。一般言之，在已生長近似100至約125 mm之頸部之後可在此等小直徑頸部中消除差排。一旦已消除差排，便擴大晶體之直徑以形成一向外張開「圓錐」或「錐形(taper)」部分。當達到鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐之所要直徑時，接著生長圓柱形主體以具有一近似恆定直徑。
雖然用於消除差排之習知方法大多數係成功的，但此等方法可導致包含傳播至鑄錠之恆定直徑部分中之差排之一些頸部。此等鑄錠不適用於裝置製造且報廢成本高。
此段落旨在向讀者介紹可與在下文描述及/或主張之本發明之各種態樣相關之此項技術之各種態樣。據信，此論述有助於向讀者提供背景資訊以促進本發明之各種態樣之一更佳理解。因此，應理解，此等陳述應在此意義上閱讀且不作為先前技術之認可。
本發明之一個態樣係關於一種藉由丘克拉斯基方法製備一單晶矽鑄錠之方法。該方法包括：使一矽晶種與一矽熔融物接觸，其中該矽熔融物容納在一坩堝內且包括熔融矽及一n型摻雜劑；自該矽熔融物抽出該矽晶種以形成該單晶矽鑄錠之一頸部部分，該頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率；生長鄰近該單晶矽鑄錠之該頸部部分之一向外張開晶種-圓錐，該向外張開晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率；按足以將該單晶矽鑄錠之主體之電阻率降低至小於4毫歐姆-cm之一電阻率之一濃度將一n型摻雜劑添加至該熔融物；及生長鄰近該向外張開晶種-圓錐之該單晶矽鑄錠之一主體，該單晶矽鑄錠之該主體具有小於4毫歐姆-cm之一電阻率。
存在對於關於本發明之上文提及之態樣闡述之特徵之各種改善。同樣，進一步特徵亦可被併入本發明之上文提及之態樣中。此等改善及額外特徵可個別或以任何組合存在。例如，下文關於本發明之任何所繪示實施例論述之各種特徵可單獨或以任何組合被併入本發明之任何上述態樣中。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2018年10月12日申請之美國臨時申請案第62/744,672號的優先權利，該案之揭示內容係宛如全文陳述般以引用的方式併入。
本發明之佈建係關於用於製造具有增強之鑄錠品質之一單晶矽鑄錠之方法。根據丘克拉斯基方法自經高度摻雜矽熔融物生長零差排(ZD)單晶矽鑄錠帶來困難。在晶體生長期間，尤其針對經高度摻雜矽熔融物，向外張開晶種-圓錐或冠部可損失結構。對於向外張開晶種-圓錐或冠部中之零差排損失(LZD)之一個常見原因係在頸部部分之生長期間之不完全差排消除。若一個差排倖存，則其可達到固體-液體介面且開始隨生長介面一起生長。
當增加晶體直徑以製造冠部時，熱應力顯著增加，且差排開始倍增以藉由塑性變形而緩解應力。在一些時間之後，差排之密度足夠高使得生長線消失且結構之損失變得明顯。因此，需要用於解決在自經高度摻雜矽熔融物生長頸部期間在一矽晶體中之不完全差排消除之方法。
本發明提供一種用於最大化可減少或消除單晶矽鑄錠之頸部部分、鄰近之向外張開晶種-圓錐及主體之一者，或全部之中之差排之概率的方法。藉由在單晶矽鑄錠之生長期間控制矽熔融物中之摻雜劑濃度來獲得低或零差排生長。方法規定在開始頸部之前將一受控量之摻雜劑添加至熔融物。摻雜劑之量應係使得在晶種端處獲得在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率。此電阻率對應於其中在使用一n型摻雜劑摻雜(例如，砷摻雜)的情況中，於頸部生長期間，晶體中之空位濃度係最大的摻雜劑濃度範圍。因此，在一些實施例中，單晶矽鑄錠之頸部部分包括作為一主導固有點缺陷之空位。在一些實施例中，單晶矽鑄錠之向外張開晶種-圓錐包括作為一主導固有點缺陷之空位。在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)的電阻率範圍內，位錯爬升至晶體/熔融物表面介面(即，生長之鑄錠的邊緣)且經消除。此方法可方便地應用至晶體生長方法，其中在體相期間藉由摻雜來達成任何目標電阻率，諸如連續丘克拉斯基方法。在此情況中，事實上，可使用經最佳化用於頸部中之差排消除之一熔融物濃度開始程序，且達成一成功零差排(ZD)冠部，且開始本體。當開始本體時，藉由在生長期間摻雜，可達到低得多之電阻率(例如，小於約4毫歐姆-cm、小於約2毫歐姆-cm、小於約1.7毫歐姆-cm或甚至約1.6毫歐姆-cm及更小)而不招致結構之損失(零差排損失或LZD)。
圖1展示根據本發明之實施例，且一般言之，丘克拉斯基方法製造之一單晶矽鑄錠10。鑄錠10包含原始與矽熔融物接觸之晶種12之一部分、鄰近晶種12之一頸部部分24、一向外張開晶種-圓錐部分16、一肩部18，及一恆定直徑主體20。頸部24經附接至晶種12，該晶種12與熔融物接觸且被抽出以形成鑄錠10。一旦鑄錠之圓錐部分16開始形成，頸部24便終止。
一般言之，藉由將多晶矽裝載至一坩堝中以形成一矽裝料來形成自其抽出鑄錠10的熔融物。可使用多晶矽之各種源，包含(例如)在一流體化床反應器中熱分解矽烷或鹵代矽烷而製造之粒狀多晶矽，或在一西門子(Siemens)反應器中製造之多晶矽。添加至坩堝之固體多晶矽通常係粒狀多晶矽，但可使用塊狀多晶矽，且其係使用經最佳化以與粒狀多晶矽一起使用之一多晶矽給料器給料至坩堝中。塊狀多晶矽通常具有在3毫米與45毫米(例如，最大尺寸)之間之一大小，且粒狀多晶矽通常具有在400微米與1400微米之間之一大小。粒狀多晶矽具有若干優點，包含歸因於較小大小而提供給料速率之容易及精確控制。然而，歸因於在其製造中使用之化學氣相沈積程序或其他製造方法，粒狀多晶矽之成本通常高於塊狀多晶矽之成本。塊狀多晶矽具有較便宜且鑑於其較大大小而能夠具有一較高給料速率之優點。加熱單元、冷卻套之位置及功率控制之操作經調整以適應多晶矽給料器。取決於單晶矽鑄錠之大小，尤其針對一批量程序，經裝載矽裝料之質量可自至少約25 kg變動至約2000 kg，諸如至少約50 kg至約2000 kg，或至少約50 kg至約1800 kg，諸如在約50 kg與約1500 kg之間。
一旦將多晶矽添加至坩堝以形成一裝料，便將裝料加熱至高於約矽之熔融溫度(例如，約1412°C)之一溫度以熔融裝料，且藉此形成包括熔融矽之一矽熔融物。在一些實施例中，將包括矽熔融物之坩堝加熱至至少約1425°C、至少約1450°C或甚至至少約1500°C之一溫度。
在一些實施例中，在n型單晶矽鑄錠中利用本發明之程序。如本文中使用，術語「n型」係指含有來自元素週期表之第5族之一元素(諸如砷、磷、銻或其等之組合)之矽。在一些實施例中，矽包括砷作為n型摻雜劑。藉由在丘克拉斯基生長期間將n型摻雜劑源(例如，具有可接受純度之砷、磷及/或銻之固體元素源)添加至矽熔融物而獲得N型鑄錠。在一些實施例中，添加至矽熔融物之n型摻雜劑之濃度在約200克之n型摻雜劑/60公斤之矽與約400克之n型摻雜劑/60公斤之矽之間，諸如約300克之n型摻雜劑/60公斤之矽。歸因於諸如摻雜劑之不完全併入、矽熔融物與鑄錠中之固化矽之間之摻雜劑之偏析係數及摻雜劑自熔融物之蒸發之因素，摻雜效率通常小於100%。因此，添加至矽熔融物之n型摻雜劑之量通常係有效地被併入熔融物自身中之量之約兩倍。
一旦液化裝料以形成包括熔融矽及n型摻雜劑之矽熔融物，便將矽晶種(其之一部分在圖1中被描繪為12)降低以接觸熔融物。接著自熔融物抽出矽晶種，其中矽附接至該矽晶種(即，其中形成一頸部24)，藉此在熔融物之表面附近或表面處形成一熔融物-固體介面。在一些實施例中，以在約1.5 mm/分鐘與約6 mm/分鐘之間(諸如在約3 mm/分鐘與約5 mm/分鐘之間)之一提拉速率抽出矽晶種。在一些實施例中，以在約5 rpm與約30 rpm之間(或在約5 rpm與約20 rpm之間，或在約8 rpm與約20 rpm之間，或在約10 rpm與約20 rpm之間)之一速率旋轉矽晶種。在一些實施例中，以在約8 rpm與約15 rpm之間(諸如約11 rpm)之一速率旋轉矽晶種。在一些實施例中，以在約0.5 rpm與約10 rpm之間(或在約1 rpm與約10 rpm之間，或在約4 rpm與約10 rpm之間，或在約5 rpm與約10 rpm之間)(諸如約8 rpm)之一速率旋轉坩堝。在一些實施例中，以快於坩堝之一速率旋轉晶種。在一些實施例中，以比坩堝之旋轉速率高至少1 rpm (諸如高至少約3 rpm或高至少約5 rpm)之一速率旋轉晶種。習知地，晶體旋轉速率高於坩堝旋轉速率以有利於晶體中之摻雜劑濃度之一良好徑向均勻性。在一些實施例中，在相對方向上旋轉矽晶種及坩堝，即，反向旋轉。
一般言之，頸部部分具有在約10毫米與約700毫米之間、在約30毫米與約700毫米之間、在約100毫米與約700毫米之間、在約200毫米與約700毫米之間或在約300毫米與約700毫米之間之一長度。在一些實施例中，頸部部分具有在約10毫米與約100毫米之間(諸如在約20毫米與約50毫米之間)之一長度。在一些實施例中，頸部部分具有在約350毫米與約550毫米之間之一長度。在一些實施例中，頸部部分具有在約450毫米與約550毫米之間之一長度。然而，頸部部分之長度可在此等範圍之外變動。在一些實施例中，頸部部分具有在約1 mm與約10 mm之間、在約2.5 mm與約6.5 mm之間(諸如在約3 mm與約6 mm之間)之一直徑。頸部直徑下限由具有足夠機械強度以在晶體鑄錠之主體之大小生長時維持晶體重量之需要判定。上限由以下事實判定：隨著直徑增加，差排消除變得更困難，即，若直徑較大，則差排必須行進之距表面之距離較長加上由藉由晶體中心與晶體表面之間之較高熱梯度引發之較高熱應力驅動之差排倍增之風險。在一些實施例中，在一n型單晶矽鑄錠之生長期間形成之頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率。併入頸部部分中以達成此等電阻率之n型摻雜劑(尤其砷)之適合濃度可在約3.5x1018 個原子/cm3 與約1.3x1019 個原子/cm3 (諸如在約4x1018 個原子/cm3 與1x1019 個原子/cm3 )之間。
在形成頸部之後，生長鄰近頸部24之向外張開晶種-圓錐部分16。一般言之，提拉速率自頸部部分提拉速率降低至適用於生長向外張開晶種-圓錐部分16之一速率。例如，在向外張開晶種-圓錐16之生長期間之晶種-圓錐提拉速率在約0.5 mm/分鐘與約2.0 mm/分鐘之間，諸如約1.0 mm/分鐘。在一些實施例中，向外張開晶種-圓錐16具有在約100毫米與約400毫米之間(諸如在約150毫米與約250毫米之間)之一長度。向外張開晶種-圓錐16之長度可變動至此等範圍之外。在一些實施例中，向外張開晶種-圓錐16經生長至約150 mm、至少約150毫米、約200 mm、至少約200毫米、約300 mm、至少約300 mm、約450 mm或甚至至少約450 mm之一終端直徑。向外張開晶種-圓錐16之終端直徑通常等效於單晶矽鑄錠之主體之恆定直徑之直徑。在一些實施例中，在一n型單晶矽鑄錠之生長期間形成之鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率。併入向外張開晶種-圓錐中以達成此等電阻率之n型摻雜劑(尤其砷)之適合濃度可在約3.5x1018 個原子/cm3 與約1.3x1019 個原子/cm3 (諸如在約4x1018 個原子/cm3 與1x1019 個原子/cm3 )之間。
在一些實施例中，頸部部分及向外張開晶種-圓錐及主體中之n型摻雜劑之一濃度超過頸部部分及向外張開晶種-圓錐中之p型摻雜劑(諸如硼、鋁或鎵)之一濃度。n型摻雜劑係主要摻雜劑以便達成頸部及向外張開晶種-圓錐中之所要電阻率及作為主導固有點缺陷之空位。較佳地，n型摻雜劑之濃度大大超過p型摻雜劑之濃度。p型摻雜劑濃度(無論係有意地添加至矽熔融物及生長晶體或作為一污染物)較佳低於約1x1016 個原子/cm3 ，較佳小於1x1015 個原子/cm3 ，且甚至更較佳小於1x1014 個原子/cm3 。
在形成頸部24及鄰近頸部部分24之向外張開晶種-圓錐16之後，接著，生長鄰近圓錐部分16之具有一恆定直徑之鑄錠主體20。主體20之恆定直徑部分具有一圓周邊緣50、平行於圓周邊緣之一中心軸線X及自中心軸線延伸至圓周邊緣之一半徑R。中心軸線X亦通過圓錐部分16及頸部24。鑄錠主體20之直徑可變動且在一些實施例中，直徑可係約150 mm、約200 mm、約300 mm、大於約300 mm、約450 mm或甚至大於約450 mm。在一些實施例中，單晶矽鑄錠之主體最終經生長至至少約1000毫米長，諸如至少1100毫米長，諸如至少1200毫米長，諸如至少1400毫米長，諸如至少1500毫米長，諸如至少1700毫米長或至少1900毫米長，或至少2000毫米長，或至少2200毫米長，或至少約3000毫米長或至少約4000毫米長。
根據本發明之方法，單晶矽鑄錠之主體的電阻率可低於頸部部分及/或鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐的電阻率。此可係藉由在形成鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐之後將額外n型摻雜劑(例如，砷)添加至矽熔融物來達成。在一些實施例中，單晶矽鑄錠之主體係(例如)使用砷摻雜之一n型鑄錠，該n型鑄錠具有小於4毫歐姆-cm (諸如小於2毫歐姆-cm、小於1.7毫歐姆-cm或甚至小於約1.6毫歐姆-cm)之一電阻率。在此等電阻率下，鑄錠之主體可自空位主導材料(如在頸部及向外張開晶種-圓錐中)移位至作為主導固有點缺陷之間隙。然而，一旦在頸部及冠部中移除差排，體相便不需要富含空位以保持生長之單晶矽鑄錠的無差排特性。
另外，根據本發明之程序，可將一磁場施加至包括矽熔融物之坩堝。可施加尖點磁場或水平磁場以設定適當晶體/熔融物介面，即，彎月面之形狀及高度。磁場主要用於固定一所要晶體/熔融物介面形狀及高度，且氧含量Qi之控制係一次要目的。
熔融物流動及熔融物/固體介面之形狀及因此鑄錠之品質的控制可係藉由在單晶矽鑄錠之主體之生長期間將一磁場施加至矽熔融物來增強。在一些實施例中，經施加磁場在單晶矽鑄錠之主體之生長的至少約70%或在單晶矽鑄錠之主體之生長的約70%與約90%之間期間，維持一實質上恆定熔融物/固體介面輪廓。磁場施加電磁力，此影響矽熔融物流動，因此影響熔融物中之熱傳遞。其改變晶體/熔融物介面的輪廓及生長之晶體的溫度，其等係完美矽的關鍵控制參數。
磁場影響鑄錠中之氧含量及均勻性。鑄錠中之氧源來自石英坩堝壁之溶解，SiOx (g)在無熔融物表面處之蒸發(由熔融物流動動力學控制)且併入至生長之晶體前端中。磁場影響生長期間之對流熔融物流動，此可影響氧蒸發及併入。藉由熔融物中之氧的擴散及對流，根據以下方程式來控制氧隨著時間增量併入至單晶矽鑄錠中的變動：
Figure 02_image001
。
C係固化矽中之氧之濃度，t係時間，v係對流速度(熔融物流動速度)rho，ρ係矽熔融物之密度，
Figure 02_image003
係梯度(d/dx)。經施加磁場影響熔融物速度(v)及熔融物中之氧濃度之梯度(dC/dx =
Figure 02_image003
C)。由於磁場導致一穩態熔融物流動，故氧Oi併入至鑄錠中係時間恆定的，此增強徑向及軸向氧濃度均勻性。SOURCE項係自以下兩個參數導出：石英石(SiO2 )坩堝之溶解，其係氧之產生(Si (l) + SiO2 (s) à SiOx (g))；及蒸發，其係氧(SiOx (g))自熔融物之移除(消失)。在一批量Cz程序中，此SOURCE項係非恆定的。代替性地，其取決於晶體長度，此係因為熔融物質量隨著晶體生長而降低。當鑄錠已生長其本體長度之一實質部分時，剩餘熔融物體積低，使得與坩堝接觸之矽熔融物之量減少，此因此導致自坩堝併入熔融物中之氧之較低濃度。因此，若其他項(擴散、對流、蒸發)係恆定的，則併入至固化矽晶體中之氧減少。無熔融物表面(熔融物與氣體之間之接觸表面)區域影響SiOx (g)之蒸發率。歸因於如圖1中展示之坩堝之形狀，一批量Cz程序中之一小熔融物質量具有相對較小表面區域。SiOx (g)之較少蒸發意謂較多氧併入至固化矽晶體中。根據本發明之方法，將熔融物質量維持為恆定，此係因為隨著晶體鑄錠生長而添加多晶矽。因此，全部源項(藉由SiO2 坩堝溶解至熔融物中之氧之產生及SiOx (g)氣體透過無熔融物表面之蒸發)係恆定的。因此，擴散及對流項影響固化矽晶體之氧。經施加磁場使熔融物流動更穩定(即，熔融物流動恆定，如同作為無關時間之穩定條件)，因此在鑄錠之整個長度之生長期間，併入氧在軸向及徑向方向上係均勻且穩定的。在一些實施例中，間隙氧可以在約4 PPMA與約18 PPMA之間之一濃度併入至鑄錠中。在一些實施例中，間隙氧可以在約10 PPMA與約35 PPMA之間之一濃度併入至鑄錠中。在一些實施例中，鑄錠包括不大於約15 PPMA或不大於約10 PPMA之一濃度之氧。可根據SEMI MF 1188-1105量測間隙氧。
在一些實施例中，在單晶矽鑄錠之主體之生長期間，將一水平磁場施加至矽熔融物。藉由將固持矽熔融物之坩堝放置於一習知電磁體之極之間而在存在一水平磁場之情況下達成晶體生長。在一些實施例中，水平磁場可在熔融物區域中具有在約0.2特斯拉與約0.4特斯拉之間之一磁通量密度。熔融物中之磁場變動在一給定強度中小於+/-約0.03特斯拉。一水平磁場之施加引起沿著軸向方向，在與流體運動相反之一方向上，與驅動熔融物對流之力相反之勞倫茲(Lorentz)力。因此抑制熔融物中之對流，且介面附近之晶體中之軸向溫度梯度增加。熔融物-晶體介面接著向上移動至晶體側以適應介面附近之晶體中之增加之軸向溫度梯度且來自坩堝中之熔融物對流之貢獻減少。
在一些實施例中，在單晶矽鑄錠之主體之生長期間，將一尖點磁場施加至矽熔融物。一尖點磁場具有兩個控制參數，即，磁通量密度及磁場形狀。一尖點磁場與在鑄錠之軸線附近在熔融體中更深之一垂直(軸向)磁場組合在熔融體之最接近表面處施加一水平(徑向)磁場分量。使用在相對方向上攜載電流之一對亥姆霍茲(Helmholtz)線圈產生尖點磁場。因此，在兩個磁場之間中途之位置處，沿著鑄錠軸線垂直地，磁場彼此抵消以使一垂直磁場分量等於或接近零。例如，在軸向方向上，尖點磁通量密度通常係約零至約0.2特斯拉。在徑向方向上之磁通量密度通常高於在垂直方向上之磁通量密度。例如，在徑向位置中，取決於徑向位置，尖點磁通量密度通常在約0 T與約0.6 T之間，諸如在約0.2 T與約0.5 T之間。徑向尖點磁場約束熔融物之流動以藉此使熔融物穩定。換言之，一徑向尖點磁場之施加在鄰近晶體生長發生之固體-液體介面之一部分處引發對流，且抑制熔融物之剩餘部分處之對流以藉此用作用於實現均勻氧分佈之一有效方法。可由尖點磁場同時在無熔融物表面處及在熔融物坩堝介面處局部及獨立地控制熱熔融物對流。此實現僅藉由磁通量密度控制生長之晶體中之氧濃度而不管晶體旋轉速度為何。在存在一軸向或一徑向磁場之情況下，經由晶體旋轉速度之控制而達成氧濃度之控制。尖點磁場之施加可實現比在無一經施加磁場之情況下生長之一鑄錠包括更少氧含量(諸如不大於約15 PPMA或不大於約10 PPMA)之一鑄錠上之生長。可根據SEMI MF 1188-1105量測間隙氧。
在完成一第一單晶矽鑄錠之後，拉晶器可在第二頸部之生長之前經歷一穩定週期以容許卡盤及晶種經充分預加熱。因此，在一些實施例中，完成一第一單晶矽鑄錠之生長，其後接著為藉由添加矽及一n型摻雜劑而補充矽熔融物。接著，使第二頸部與經補充矽熔融物接觸；且抽出第二矽晶種以形成一第二單晶矽鑄錠之一第二頸部部分。在一些實施例中，第二頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率。另外，生長一第二向外張開晶種-圓錐，此晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率。此後，將額外n型摻雜劑添加至熔融物以達成第二晶體之主體之較低電阻率。因此，第二單晶矽鑄錠之主體具有小於4毫歐姆-cm (諸如小於2毫歐姆-cm、小於1.7毫歐姆-cm或甚至小於約1.6毫歐姆-cm)之一電阻率。
可重複程序多次以生長具有此等電阻率性質之額外鑄錠。
根據本發明之方法，在頸部部分及鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐中添加在足以達成在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間(諸如在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間)之一電阻率之濃度內之n型摻雜劑促進生長之單晶矽鑄錠中之一非常高的空位濃度。在一些實施例中，空位係頸部部分中之主導固有點缺陷。在一些實施例中，空位係鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐中之主導固有點缺陷。在一些實施例中，空位係頸部部分中及鄰近頸部部分之向外張開晶種-圓錐中之主導固有點缺陷。作為主導固有點缺陷之空位有利於即使在未採用一高提拉速率之情況下，仍藉由朝向晶體表面爬升而消除現有差排。在經輕度摻雜材料中，通常採用一高提拉速率及一小直徑頸部之一組合。薄頸部有助於最小化熱應力及現有差排至其中差排消失之晶體表面之行進距離。一高提拉速率有助於併入許多空位且有利於朝向晶體表面之差排移動。然而，在經重度摻雜晶體之情況中，由於兩個原因，此方法係無用的。第一，空位濃度變為唯一地依據摻雜劑濃度而變化且不明顯取決於提拉速率(或更精確言之，取決於提拉速率與軸向熱梯度之間之V/G比率)。第二，在經重度摻雜熔融物之情況下，一高提拉速率有利於組成過冷(constitutional supercooling)問題之肇始，因此，針對經重度摻雜熔融物，無法如針對經輕度摻雜熔融物般在廣泛範圍之值中選擇提拉速率。本解決方案容許選擇經最佳化以避免頸部期間之組成過冷狀況，同時藉由摻雜劑濃度而控制空位濃度之一提拉速率值。以此方式，兩個問題去耦。
本發明之方法實現具有減少或消除之差排之單晶矽鑄錠之形成。在一些實施例中，單晶矽鑄錠之主體之一切片包括小於約400個差排/cm2 ，諸如小於約100個差排/cm2 ，或小於約10個差排/cm2 ，或甚至小於1個差排/cm2 。在一些實施例中，單晶體鑄錠之主體之一切片係一零差排晶圓。可藉由在此項技術中習知之手段(諸如藉由自鑄錠移除一切片且執行一優先蝕刻以對差排劃界)判定差排。 實例
藉由以下實例進一步繪示本發明之程序。此等實例不應被視為一限制性意義。
生長多個單晶矽鑄錠。鑄錠係n型且係使用砷摻雜。晶體經生長為具有5.5 mm之一頸部直徑及40 mm之一頸部長度。晶體旋轉速率係11 rpm，且坩堝旋轉速率係8 rpm。熔融物質量係60 kg。將頸部部分及冠部之電阻率變動至低於及高於5毫歐姆-cm之值。接著量測本體部分中之差排。在圖2中展示結果。如可清晰地看見，使用小於4.5 mΩ·cm之一電阻率之全部嘗試導致冠部零差排損失(LZD)及鑄錠之主體中之差排，而使用大於5.5 mΩ·cm之一電阻率之嘗試成功地達成單晶矽鑄錠之冠部及本體中之零差排生長。
如本文中使用，當結合尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍使用時，術語「約」、「實質上」、「基本上」及「近似」意謂涵蓋可存在於性質或特性之範圍之上限及/或下限中之變動，包含(例如)源自捨位、量測方法之變動或其他統計變動。
當介紹本發明或本發明之(若干)實施例之元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」及「該等」旨在意謂存在一或多個元件。術語「包括」、「包含」、「含有」及「具有」旨在為包含性且意謂除了所列舉之元件之外，可存在額外元件。指示一特定定向之術語(例如，「頂部」、「底部」、「側」等)之使用係為了方便描述且不需要所描述之品項之任何特定定向。
由於可對上文中之構造及方法做出各種改變而不脫離本發明之範疇，因此旨在應將上文中之描述中含有及(若干)隨附圖式中展示之全部事項解讀為闡釋性且非一限制性意義。
10:單晶矽鑄錠/鑄錠 12:晶種 16:向外張開晶種-圓錐部分/圓錐部分 18:肩部 20:恆定直徑主體/鑄錠主體 24:頸部部分/頸部 50:圓周邊緣 R:半徑 X:中心軸線
圖1係藉由丘克拉斯基方法生長之一單晶矽鑄錠之一部分正視圖。
圖2係描繪根據鑄錠之頸部及向外張開晶種-圓錐部分之電阻率之藉由丘克拉斯基方法生長之單晶矽鑄錠之零差排或零差排損失生長之一圖表。
貫穿圖式，對應元件符號指示對應零件。
10:單晶矽鑄錠/鑄錠
12:晶種
16:向外張開晶種-圓錐部分/圓錐部分
18:肩部
20:恆定直徑主體/鑄錠主體
24:頸部部分/頸部
50:圓周邊緣
R:半徑
X:中心軸線

Claims (30)

  1. 一種藉由丘克拉斯基方法製備一單晶矽鑄錠之方法，該方法包括：使一矽晶種與一矽熔融物接觸，其中該矽熔融物係容納在一坩堝內且包括熔融矽及一n型摻雜劑；自該矽熔融物抽出該矽晶種以形成該單晶矽鑄錠之一頸部部分，該頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率，其中以在約3mm/分鐘與約5mm/分鐘之間之一提拉速率抽出該矽晶種，進一步其中該單晶矽鑄錠之該頸部部分包括作為一主導間隙點缺陷之空位，及進一步其中該頸部部分中之該n型摻雜劑之一濃度係在約3.5x1018個原子/cm3與約1.3x1019個原子/cm3之間；生長鄰近該單晶矽鑄錠之該頸部部分之一向外張開晶種-圓錐，該向外張開晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率，其中該單晶矽鑄錠之該向外張開晶種-圓錐包括作為一主導間隙點缺陷之空位，及進一步其中該向外張開晶種-圓錐中之該n型摻雜劑之一濃度係在約3.5x1018個原子/cm3與約1.3x1019個原子/cm3之間；按足以將該單晶矽鑄錠之主體之電阻率降低至小於4毫歐姆-cm之一電阻率之一濃度，將一n型摻雜劑添加至該矽熔融物；及生長鄰近該向外張開晶種-圓錐之該單晶矽鑄錠之一主體，該單晶矽鑄錠之該主體具有小於4毫歐姆-cm之一電阻率。
  2. 如請求項1之方法，進一步包括：完成該單晶矽鑄錠之生長； 將矽及一n型摻雜劑添加至該坩堝以形成一經補充矽熔融物；使一第二矽晶種與包括熔融矽及經添加n型摻雜劑之該經補充矽熔融物接觸；及自該矽熔融物抽出該第二矽晶種以形成一第二單晶矽鑄錠之一第二頸部部分，該第二頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率。
  3. 如請求項1之方法，其中以在約8rpm與約15rpm之間之一速率旋轉該矽晶種。
  4. 如請求項1之方法，其中以在約5rpm與約10rpm之間之一速率旋轉該坩堝。
  5. 如請求項1之方法，其中該頸部部分具有在約2.5mm與約6.5mm之間之一直徑。
  6. 如請求項1之方法，其中該頸部部分具有在約3mm與約6mm之間之一直徑。
  7. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠係一n型鑄錠。
  8. 如請求項7之方法，其中該頸部部分及該向外張開晶種-圓錐中之該n型摻雜劑之一濃度超過該頸部部分及該向外張開晶種-圓錐中之p型摻雜劑 之一濃度。
  9. 如請求項7之方法，其中該頸部部分中之該n型摻雜劑之該濃度係在約4x1018個原子/cm3與1x1019個原子/cm3之間。
  10. 如請求項7之方法，其中該向外張開晶種-圓錐中之該n型摻雜劑之該濃度係在約4x1018個原子/cm3與1x1019個原子/cm3之間。
  11. 如請求項7之方法，其中該頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間之電阻率。
  12. 如請求項7之方法，其中該向外張開晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約8毫歐姆-cm之間之電阻率。
  13. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體具有小於約2毫歐姆-cm之一電阻率。
  14. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體具有小於1.7毫歐姆-cm之一電阻率。
  15. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體具有小於1.6毫歐姆-cm之一電阻率。
  16. 如請求項1之方法，其中該n型摻雜劑係選自由砷、磷、銻及其等之任何組合所組成的群組。
  17. 如請求項1之方法，其中該n型摻雜劑係砷。
  18. 如請求項1之方法，其中經添加至該矽熔融物之該n型摻雜劑之一濃度在約200克之n型摻雜劑/60公斤之矽與約400克之n型摻雜劑/60公斤之矽之間。
  19. 如請求項1之方法，其中添加至該矽熔融物之該n型摻雜劑之一濃度係約300克之n型摻雜劑/60公斤之矽。
  20. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約400個差排/cm2。
  21. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約100個差排/cm2。
  22. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約10個差排/cm2。
  23. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於1個差排/cm2。
  24. 如請求項1之方法，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片係一零差排晶圓。
  25. 一種單晶矽鑄錠，其包括：該單晶矽鑄錠之一頸部部分，該頸部部分具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率，其中該單晶矽鑄錠之該頸部部分包括作為一主導間隙點缺陷之空位，及進一步其中該頸部部分中之n型摻雜劑之一濃度係在約3.5x1018個原子/cm3與約1.3x1019個原子/cm3之間；一向外張開晶種-圓錐，其鄰近該單晶矽鑄錠之該頸部部分，該向外張開晶種-圓錐具有在5毫歐姆-cm與約12毫歐姆-cm之間之一電阻率，其中該單晶矽鑄錠之該向外張開晶種-圓錐包括作為一主導間隙點缺陷之空位，及進一步其中該向外張開晶種-圓錐中之n型摻雜劑之一濃度係在約3.5x1018個原子/cm3與約1.3x1019個原子/cm3之間；及該單晶矽鑄錠之一主體，其鄰近該向外張開晶種-圓錐，該單晶矽鑄錠之該主體具有小於4毫歐姆-cm之一電阻率。
  26. 如請求項25之單晶矽鑄錠，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約400個差排/cm2。
  27. 如請求項25之單晶矽鑄錠，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約100個差排/cm2。
  28. 如請求項25之單晶矽鑄錠，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於約10個差排/cm2。
  29. 如請求項25之單晶矽鑄錠，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片包括小於1個差排/cm2。
  30. 如請求項25之單晶矽鑄錠，其中該單晶矽鑄錠之該主體之一切片係一零差排晶圓。
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