TWI812402B

TWI812402B - 一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒

Info

Publication number: TWI812402B
Application number: TW111130730A
Authority: TW
Inventors: 宋振亮; 宋少杰
Original assignee: 大陸商西安奕斯偉材料科技股份有限公司
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-08-11
Also published as: JP2024517314A; KR20230160943A; TW202302933A; WO2023093460A1; DE112022002214T5; CN114086241B; CN114086241A

Abstract

本發明實施例提供了一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒；所述拉製方法包括：在單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度高於矽熔液的自由表面；在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度以使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢。

Description

一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒

本發明實施例屬於半導體製造技術領域，尤其關於一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒。

近年來，隨著半導體器件製造過程中細微化的發展，對所需要的矽片的要求越來越高，不僅要求矽片表面區域缺陷很少甚至無缺陷，而且要求矽片具有足夠的體微缺陷(Bulk Micro Defects，BMD)，以保護設置電子元件的矽片區域不被重金屬雜質汙染。

外延矽片是在矽片上通過氣相沉積反應生長一層單晶層(也稱之為外延層)，由於外延層具有高的結晶完整性，且幾乎沒有缺陷的特性，因此目前外延矽片被作為半導體器件的基板材料而廣泛使用。但是，矽片中含有的重金屬雜質已然成為影響半導體器件品質的重要因素，因此重金屬雜質的含量需要在矽片生產過程中極力減少。目前，已知當在矽片內部形成足夠多的BMD時，這些BMD具有捕捉重金屬雜質的本質吸除(Intrinsic Gettering，IG)作用，能夠極大改善由於重金屬雜質導致的半導體器件品質不良的問題，但是在外延生長過程中，由於矽片暴露在1000℃以上的高溫環境中，在此高的溫度下較小的BMD核心會被消除，因此外延矽片中不能夠提供足夠數量的BMD核心，這種情況下導致利用上述外延矽片製造半導體器件時無法充分引起足夠密度的BMD，進而使得製造得到的半導體器件品質不佳。

為了解決外延矽片中BMD密度降低的問題，通常會在單晶矽棒拉製過程中進行摻氮處理以獲得穩定的BMD核心，但是目前摻氮的單晶矽棒中BMD的密度會隨著氮濃度的提高而提高。根據客戶半導體器件品質要求的不同，對BMD密度均勻性的要求也越來越嚴格，在這種情況下會導致整根單晶矽棒無法無損失地滿足特定客戶的品質要求，導致生產率低，出貨成本高。

有鑑於此，本發明實施例期望提供一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒；能夠使得單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈逐漸下降的變化趨勢，以在單晶矽棒的軸向方向上BMD密度分佈更加均勻。

本發明實施例的技術方案是這樣實現的：

第一方面，本發明實施例提供了一種單晶矽棒的拉製方法，所述拉製方法包括：在單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度高於矽熔液的自由表面；在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變所述水平磁場的高度或磁場強度以改變對所述矽熔液對流的控制強度以使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢。

第二方面，本發明實施例提供了一種單晶矽棒，所述單晶矽棒根據由第一方面所述的拉製方法製備得到。

本發明實施例提供了一種單晶矽棒的拉製方法及單晶矽棒；通過在單晶矽棒的等徑生長初始階段，將水平磁場設置在高於矽熔液自由表面的位置處，並在等徑生長過程中通過改變水平磁場的高度或磁場強度，以使得單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度逐漸降低，以此來抑制由氮濃度偏析引起的BMD密度增加，最終使得整根單晶矽棒軸向方向上BMD密度分佈更加均勻。

1:拉晶爐設備

10:石英坩堝

20:石墨坩堝

30:激勵線圈

40:水平面

50:磁場移動單元

S:單晶矽棒

H:距離

MS:矽熔液

S401-S402:步驟

圖1為本發明實施例提供的一種拉晶爐設備結構的示意圖；圖2為本發明實施例提供的氮濃度隨單晶矽棒長度變化趨勢的示意圖；圖3為本發明實施例提供的相關的單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上氧濃度變化趨勢的示意圖；圖4為本發明實施例提供的一種單晶矽棒的拉製方法流程的示意圖；圖5為本發明實施例提供的在單晶矽棒的等徑生長初始階段，水平磁場的高度示意圖；圖6為本發明實施例提供的在單晶矽棒的等徑生長過程中，水平磁場的磁場強度保持不變，通過逐漸下降水平磁場的高度的情況下，製備得到的單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度變化趨勢的示意圖；圖7為本發明實施例提供的在單晶矽棒的等徑生長過程中，水平磁場的高度保持不變，通過逐漸增加水平磁場的磁場強度的情況下，製備得到的單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度變化趨勢的示意圖。

為利貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。

在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明實施例中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的具通常知識者而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明實施例中的具體含義。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

參見圖1，其示出了能夠實施本發明實施例的一種拉晶爐設備1，如圖1所示，該拉晶爐設備1主要包括石英坩堝10和石墨坩堝20，其中石墨坩堝20用於支撐和固定石英坩堝10。可以理解地，圖1所示的拉晶爐1中還可以包括其他圖1中未示出的結構，比如，坩堝升降裝置等，本發明實施例不作具體的闡述。

利用上述拉晶爐設備1進行摻氮的單晶矽棒S拉製時，單晶矽棒S在結晶生長過程中，結晶初始階段氮濃度為規定的目標濃度，但隨著結晶生長過程的持續進行，由於氮的偏析導致單晶矽棒中的氮濃度(Nitrogen Concentration)隨著單晶矽棒S長度(Ingot Length)的增加而逐漸增加，具體如圖2所示，因此拉製得到的單晶矽棒S中的BMD密度沿軸向自頭部至尾部方向上呈逐漸增加的變化趨勢。從相關技術中可知，單晶矽棒S中的氧濃度越高，則其內部含有的BMD密度越高，因此可以通過控制單晶矽棒S中氧濃度的變化趨勢來抑制單晶矽棒S軸向方向上BMD密度的增加趨勢。

目前，在基於直拉(Czochralski，CZ)法的單晶矽棒S的拉製方法中，一般通過調整石英坩堝的堝轉或者氬氣流量等技術方法來調節單晶矽棒S中氧濃度的變化趨勢，而這些技術方法很難使得氧濃度呈現出與氮濃度相反的變化趨勢，一般氧濃度在單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向呈一定範圍上下波動的趨勢，具體如圖3所示，而且氧濃度的降低也是有限度的。

基於上述闡述，參見圖4，其示出了本發明實施例提供的一種單晶矽棒的拉製方法，所述方法包括：S401、在單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度高於矽熔液的自由表面；S402、在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度以使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢。

對於圖4所示的技術方案，通過在單晶矽棒S的等徑生長初始階段，將水平磁場設置在高於矽熔液MS自由表面的位置處，並在等徑生長過程中通過改變水平磁場對矽熔液MS對流的控制強度，減弱矽熔液的對流程度，導致矽熔液MS自由表面處的氧濃度降低，使得單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度逐漸降低，以此來抑制由氮濃度偏析引起的BMD密度增加，最終使得在整根單晶矽棒S軸向方向上BMD密度分佈更加均勻。

需要說明的是，在本發明實施例中，單晶矽棒S的頭部指的是在等徑生長初始階段拉製得到的單晶矽棒部分，單晶矽棒S的尾部指的是在等徑生長結束階段拉製得到的單晶矽棒部分。

可以理解地，為了實施本發明實施例，具體如圖3所示，在石墨坩堝20外周可以設置一對激勵線圈30以對石英坩堝10中的矽熔液MS施加水平磁場，其中圖中的虛線代表水平磁場的水平面40，在本發明實施例中，水平面40與矽熔液MS自由表面之間的距離H用於表徵水平磁場的位置(Maximum Gauss Position，MGP)，可以理解地，水平磁場是佔據有一定空間的立體結構，MGP指的是整個水平磁場的中間位置。

需要說明的是，在本發明實施例中規定：若水平磁場的水平面40與矽熔液MS的自由表面重合，則水平磁場的高度為0；若水平磁場的水平面40高於矽熔液MS的自由表面，則水平磁場的高度大於0，舉例來說，當水平磁場的水平面40高於矽熔液MS的自由表面100毫米mm時，即水平磁場的高度為+100mm；類似地，若水平磁場的水平面40低於矽熔液MS的自由表面，則水平磁場的高度小於0；舉例來說，當水平磁場的水平面40低於矽熔液MS的自由表面100mm時，即水平磁場的高度為-100mm。

此外，需要說明的是，在本發明實施例中，水平磁場對矽熔液MS對流的控制強度指的是水平磁場對矽熔液MS對流控制程度的表徵量，當水平磁場對矽熔液MS對流的控制強度增大時，矽熔液MS的對流程度減弱，導致矽熔液MS自由表面處的氧濃度降低，進而使得單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度含量逐漸降低。舉例來說，在本發明實施例中，如圖5所示，在單晶矽棒S的等徑生長初始階段，當水平磁場的水平面40高於矽熔液MS的自由表面時，在單晶矽棒S的拉製過程中，石英坩堝10一直處於上升過程，以使得矽熔液MS的自由表面基本保持在同一位置，在這種情況下可以通過降低水平磁場的高度或者增大磁場強度以增強水平磁場P對矽熔液MS對流的控制程度。

可選地，在本發明實施例中，對於降低水平磁場的高度，在一些可能的實現方式中，所述在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度以使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢，包括：在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，所述水平磁場的磁場強度保持不變，通過逐漸下降所述水平磁場的高度以增大所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度，從而使得所述單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢。

具體來說，為了改變水平磁場的高度，如圖5所示，拉晶爐設備1中還包括磁場移動單元50，用於在單晶矽棒S的拉製過程中移動激勵線圈30以改變水平磁場的高度。

具體地，如圖6所示，在水平磁場的磁場強度保持不變的情況下，通過逐漸下降水平磁場的過程中，單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降的變化趨勢。

對於上述可能的實現方式，在一些示例中，所述水平磁場的下降速率為0.02毫米每小時mm/h~0.12mm/h。

對於上述可能的實現方式，在一些示例中，所述拉製方法還包括：在所述單晶矽棒的等徑生長結束階段，所述水平磁場的水平面不低於所述矽熔液的自由表面。也就是說，在單晶矽棒S的等徑生長結束階段，水平磁場的水平面40最低與矽熔液MS的自由表面相重合，也就是說水平磁場的高度最低為0，當然在在單晶矽棒S的等徑生長結束階段，水平磁場的高度也可以大於0。

可選地，在本發明實施例中，對於增大水平磁場的磁場強度，在一些可能的實現方式中，所述在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度以使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢，包括：在所述單晶矽棒的等徑生長過程中，所述水平磁場的高度保持不變，通過逐漸增加所述水平磁場的磁場強度以增大所述水平磁場對所述矽熔液對流的控制強度，從而使得所述單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢。

舉例來說，在本發明實施例中，為了增加水平磁場的磁場強度，可以增大激勵線圈30的輸入電流。

具體地，如圖7所示，在水平磁場的高度保持不變的情況下，通過逐漸增加水平磁場的磁場強度的過程中，單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降的變化趨勢。

對於上述可能的實現方式，在一些示例中，所述水平磁場的磁場強度增加頻率為0.2高斯每小時G/h~0.6G/h。

對於上述可能的實現方式，在一些示例中，在所述單晶矽棒的等徑生長結束階段，所述水平磁場的磁場強度不大於4000高斯(G)，也就是說，在本發明實施例中，為了利於單晶矽棒S的生長，在單晶矽棒S的等徑結束階段，水平磁場的磁場強度不大於4000G。

可選地，在本發明實施例中，對於直徑為300mm的所述單晶矽棒，在所述單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置所述水平磁場的起始高度為+100mm至+200mm，所述水平磁場的磁場強度為3000G至4000G。

一方面，在本發明實施例中，可以在拉製直徑為300mm的單晶矽棒S時，在等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度為+100mm至+200mm，水平磁場的磁場強度在3000G至4000G，在等徑生長過程中，水平磁場的磁場強度維持不變，通過0.02mm/h~0.12mm/h的下降速率逐漸下降水平磁場，使得水平磁場的水平面40逐漸靠近矽熔液MS的自由表面，以增強水平磁場對矽熔液MS對流的控制強度，減弱矽熔液MS的對流程度，進而使得單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度含量逐漸降低。在等徑生長結束階段，水平磁場的水平面40最低與矽熔液MS的自由表面相重合。

另一方面，在本發明實施例中，也可以在拉製直徑為300mm的單晶矽棒S時，在等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度為+100mm至+200mm，水平磁場的磁場強度在3000G至4000G，在等徑生長過程中，水平磁場的高度維持不變，通過0.2G/h~0.6G/h的增加頻率逐漸增加水平磁場的磁場強度，使得水平磁場對矽熔液MS對流的控制強度增強，減弱矽熔液MS的對流程度，進而使得單晶矽棒S沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度含量逐漸降低。在等徑生長結束階段，水平磁場的磁場強度不大於4000G。

最後，本發明實施例還提供了一種單晶矽棒，所述單晶矽棒根據由前述技術方案所述的拉製方法製備得到。

需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。

以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。

S401-S402:步驟

Claims

一種單晶矽棒的拉製方法，該拉製方法包括：在單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置水平磁場的起始高度高於矽熔液的自由表面；在該單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變該水平磁場對該矽熔液對流的控制強度以使得該單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢；以抑制由氮濃度偏析引起的BMD密度增加；其中，該在該單晶矽棒的等徑生長過程中，通過改變該水平磁場對該矽熔液對流的控制強度以使得該單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢，包括：在該單晶矽棒的等徑生長過程中，該水平磁場的磁場強度保持不變，通過逐漸下降該水平磁場的高度以增大該水平磁場對該矽熔液對流的控制強度，從而使得該單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢；其中，該水平磁場的下降速率為0.02mm/h~0.12mm/h；或者，在該單晶矽棒的等徑生長過程中，該水平磁場的高度保持不變，通過逐漸增加該水平磁場的磁場強度以增大該水平磁場對該矽熔液對流的控制強度，從而使得該單晶矽棒沿軸向自頭部至尾部方向上的氧濃度呈下降趨勢；其中，該水平磁場的磁場強度增加頻率為0.2G/h~0.6G/h。
如請求項1所述之單晶矽棒的拉製方法，其中，該拉製方法還包括：在該單晶矽棒的等徑生長結束階段，該水平磁場的高度不低於該矽熔液的自由表面。
如請求項1所述之單晶矽棒的拉製方法，其中，該拉製方法還包括：在該單晶矽棒的等徑生長結束階段，該水平磁場的磁場強度不大於4000G。
如請求項1至3中任一項所述之單晶矽棒的拉製方法，其中，對於直徑為300mm的該單晶矽棒，在該單晶矽棒的等徑生長初始階段，設置該水平磁場的起始高度為+100mm至+200mm，該水平磁場的磁場強度為3000G至4000G。
一種單晶矽棒，該單晶矽棒根據由如請求項1至4中任一項所述之單晶矽棒的拉製方法製備得到。