TWI840911B - 一種用於製造單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種用於製造單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒，該拉晶爐包括：提拉機構，該提拉機構構造成利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；第一熱處理器，該第一熱處理器用於在使該單晶矽棒中的BMD消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；設置在該第一熱處理器上方的第二熱處理器，該第二熱處理器用於在促使該單晶矽棒中形成BMD的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；其中，該提拉機構還構造成使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動而處於尾部節段被該第一熱處理器並且頭部節段被該第二熱處理器熱處理的位置處。
Description
本發明屬於半導體矽片生產領域，尤其關於一種用於製造單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒。
眾所周知，現代積體電路主要製備在矽片表面5微米以內的近表層。因此，要經過內吸雜或外吸雜等技術，以在矽片的體內或背面引入缺陷區，在近表面引入10-20微米的無缺陷、無雜質的潔淨區。近年來，除了常規的內、外吸雜技術外，還有新型的氧氣退火技術、快速熱處理技術和摻氮技術被開發和應用。
在上述積體電路中，提供這樣的一種矽片是非常有利的：該矽片具有從正面開始向體內延伸的無晶體缺陷區域（Denuded Zone，DZ）以及與DZ鄰接並且進一步向體內延伸的含有體微缺陷（Bulk Micro Defect，BMD）的區域，這裡的正面指的是矽片的需要形成電子元器件的表面。上述的DZ是重要的，因為為了在矽片上形成電子元器件，要求在電子元器件的形成區域內不存在晶體缺陷，否則會導致電路斷路等故障的產生，使電子元器件形成在DZ中便可以避免晶體缺陷的影響；而上述的BMD的作用在於，能夠對金屬雜質產生內在吸雜（Intrinsic Getter，IG）作用，使矽片中的金屬雜質保持遠離DZ，從而避免金屬雜質導致的漏電電流增加、柵極氧化膜的膜質下降等不利影響。
而在生產上述的具有BMD區域的矽片的過程中，對矽片進行摻氮是非常有利的。舉例而言，在矽片中摻雜有氮的情況下，高溫下氮原子首先互相結合形成雙原子氮，並促進氧沉澱消耗了大量的空位，使得空位的濃度減少。因為VOID缺陷是由空位組成的，空位濃度的降低導致了VOID缺陷的尺寸減少，使得在相對較低溫度下形成了VOID缺陷尺寸減小的矽片。在積體電路製備步驟的高溫熱處理中，摻氮矽單晶的VOID缺陷很容易被消除，從而提高了積體電路的成品率。同時，摻氮能夠促進以氮作為核心的BMD的形成，從而使BMD達到一定的密度，使BMD作為金屬吸雜源有效地發揮作用，而且還能夠對BMD的密度分佈產生有利影響，比如使BMD的密度在矽片的徑向上的分佈更為均勻，比如使BMD的密度在臨近DZ的區域更高而朝向矽片的體內逐漸降低等。
在相關技術中，用於生產上述用於積體電路等半導體電子元器件的矽片，主要通過將直拉（Czochralski）法拉制的單晶矽棒切片而製造出。直拉法包括使由石英製成的坩堝中的多晶矽熔化以獲得矽熔體，將單晶晶種浸入矽熔體中，以及連續地提升晶種移動離開矽熔體表面，由此在移動過程中在相介面處生長出單晶矽棒。直拉（Czochralski）法拉制單晶矽棒一般在拉晶爐內進行，由於摻雜元素與矽元素晶格不匹配，在單晶矽生長過程中存在分凝現象，即摻雜元素結晶於單晶矽晶錠中的濃度小於熔體（原料）中的濃度，使得摻雜元素在坩堝中的濃度不斷升高，單晶矽晶錠中摻雜元素的濃度也不斷升高。由於氮在矽單晶中的分凝係數小，僅為7×10
-4，這使得在拉制單晶矽棒的過程中，氮濃度的分佈是從晶棒頭部到晶棒尾部逐漸增加，如圖1所示，其示出了氮濃度在摻氮單晶中沿晶體生長方向的理論分佈，其中摻氮單晶中頭部與尾部的氮濃度相差較大，相應地，導致摻氮單晶頭部與尾部BMD濃度相差較大。
為解決上述技術問題，本發明實施例期望提供一種用於製造單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒，在拉制晶棒的過程中，解決因晶棒頭部到尾部氮含量差異過大導致單晶矽棒頭部與尾部BMD含量差異大的問題，以獲得一種整體BMD濃度均一的單晶矽棒。
本發明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用於製造單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括：
提拉機構，該提拉機構構造成利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；
第一熱處理器，該第一熱處理器用於在使該單晶矽棒中的BMD消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；
設置在該第一熱處理器上方的第二熱處理器，該第二熱處理器用於在促使該單晶矽棒中形成BMD的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；
其中，該提拉機構還構造成使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動而處於尾部節段被該第一熱處理器並且頭部節段被該第二熱處理器熱處理的位置處。
可選地，該第一熱處理溫度為950-1200攝氏度。
可選地，該第二熱處理溫度為600-850攝氏度。
可選地，該拉晶爐還包括：
用於感應該第一熱處理器的熱處理溫度的第一溫度感應器；
用於感應該第二熱處理器的熱處理溫度的第二溫度感應器；
控制器，該控制器根據該第一溫度感應器和該第二溫度感應器的感應溫度控制該第一熱處理器和該第二熱處理器分別提供不同的熱處理溫度。
可選地，該第二熱處理器包括沿該拉晶方向排列的第一分段和第二分段，該第一分段用於提供600-700攝氏度的熱處理溫度，該第二分段用於提供700-850攝氏度的熱處理溫度。
可選地，該提拉機構還構造成使該單晶矽棒在被熱處理的位置處停留2小時。
可選地，該拉晶爐包括徑向尺寸小的上爐室和徑向尺寸大的下爐室，該第一熱處理器和該第二熱處理器設置在該上爐室中，該下爐室內設有坩堝和用於對該坩堝進行加熱的加熱器。
可選地，該第一熱處理器和該第二熱處理器的沿該拉晶方向的總長度大於等於該單晶矽棒的長度使得整個該單晶矽棒能夠同時被該第一熱處理器和該第二熱處理器熱處理。
第二方面，本發明實施例提供了一種用於製造單晶矽棒的方法，該方法包括：
利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；
使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動至經受熱處理的位置處；
在使該單晶矽棒中的BMD消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒的尾部節段進行熱處理；
在促使該單晶矽棒中形成BMD的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒的頭部節段進行熱處理。
第三方面，本發明實施例提供了一種單晶矽棒，該單晶矽棒由根據第二方面所述的方法製造而成。
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”、“垂直”、“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2，其示出了常規的拉晶爐的一種實現方式，該拉晶爐100包括徑向尺寸小的上爐室101和徑向尺寸大的下爐室102，該下爐室102內設有坩堝200，該坩堝具體可以包括石墨坩堝和石英坩堝，坩堝200用於承載矽材料，在下爐室的內壁與坩堝的外周之間還設置有加熱器300，該加熱器300用於對坩堝及其內的矽材料進行加熱，形成矽熔體S2。在下爐室102的頂部開設有提拉通道，該提拉通道連通至上爐室101，在提拉通道內拉制單晶矽棒S3。另外，下爐室102內還設有坩堝旋轉機構400和坩堝承載裝置500。坩堝200由坩堝承載裝置500承載，坩堝旋轉機構400位於坩堝承載裝置500的下方，用於驅動坩堝200繞自身的軸線沿方向R旋轉。
在使用拉晶爐100拉制單晶矽棒S3時，首先，將高純度的多晶矽原料放入坩堝200中，並在坩堝旋轉機構400驅動坩堝200旋轉的同時通過加熱器300對坩堝200不斷進行加熱，以將容置在坩堝中的多晶矽原料熔化成熔融狀態，即熔化矽熔體S2，其中，加熱溫度維持在大約一千多攝氏度。爐中的氣體通常是惰性氣體，使多晶矽熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。當通過控制由加熱器300提供的熱場將矽熔體S2的液面溫度控制在結晶的臨界點時，通過將位於液面上方的單晶籽晶S1從液面沿方向P向上提拉，矽熔體S2隨著單晶籽晶S1的提拉上升按照單晶籽晶S1的晶向生長出單晶矽棒S3。為了使最終生產出的矽片具有較高的BMD密度，可以選擇在單晶矽棒的拉制過程中對單晶矽棒進行摻氮，例如可以在拉制過程中向拉晶爐100的爐室內沖入氮氣或者可以使坩堝200中的矽熔體S2中摻雜有氮，由此拉制出的單晶矽棒以及由單晶矽棒切割出的矽片中便會摻雜有氮。但是，由附圖1可知，以拉晶爐100製成的單晶矽棒中尾部N濃度較高，頭部N濃度較低，使得單晶矽棒頭部BMD濃度低，尾部BMD濃度高，從而導致單晶矽棒的品質和良率下降。
為了解決單晶矽棒整體BMD濃度不均勻的問題，本發明提供了一種拉晶爐110，參見圖3，拉晶爐110包括：提拉機構700，該提拉機構700構造成利用摻氮矽熔體S2通過直拉法拉制單晶矽棒S3；第一熱處理器610和設置在該第一熱處理器610上方的第二熱處理器620，第一熱處理器610和第二熱處理器620均設置在該上爐室101中，並且沿拉晶方向P垂直疊放。第一熱處理器610用於在使該單晶矽棒S3中的BMD消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒S3進行熱處理。第二熱處理器620用於在促使該單晶矽棒S3中形成BMD的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒S3進行熱處理。提拉機構700還構造成使該單晶矽棒S3沿著拉晶方向移動而處於尾部節段被該第一熱處理器610並且頭部節段被該第二熱處理器620熱處理的位置處。
第一熱處理器610提供950-1200攝氏度的第一熱處理溫度，向處於第一熱處理器610中的單晶矽棒部段提供溫度範圍在950-1200攝氏度的下溫區，當單晶矽棒S3中含氮量較高的部段處於下溫區進行熱處理時，該部段中的BMD會在此溫度下發生消融，從而達到減少該部段BMD含量的目的。第二熱處理器620提供600-850攝氏度的第二熱處理溫度，向處於第二熱處理器中的單晶矽棒部段提供溫度範圍在600-700攝氏度的上溫區，當單晶矽棒S3中含氮量較低的部段處於下溫區進行熱處理時，有助於該部段中的BMD形核，從而達到增加了該部段的BMD濃度的目的。由此使得單晶矽棒中BMD濃度不一致的部段在不同的熱處理溫度下進行相應的熱處理，從而避免單晶矽棒中整體BMD濃度不均勻的情況。
由圖1可知，位於上溫區內的單晶矽棒頭部中BMD濃度小，可選地，第二熱處理器包括沿該拉晶方向P垂直排列的第一分段和第二分段，該第一分段用於提供600-700攝氏度的熱處理溫度，該第二分段用於提供700-850攝氏度的熱處理溫度。通過第一分段和第二分段針對單晶矽棒S3中具有不同BMD濃度的部段選擇通過不同的熱處理溫度，以保證BMD形核更加充分，得到整體BMD濃度更加均勻的單晶矽棒S3。
參見圖4，該提拉機構700用於使該單晶矽棒S3沿著該拉晶方向P移動以使得該單晶矽棒S3從位於該下爐室102內的相介面處生長並且移動至被該第一熱處理器610和該第二熱處理器620熱處理的位置。為了使單晶矽棒S3能夠經受預定條件下的熱處理，可選地，該提拉機構700構造成使整個該單晶矽棒S3在該第一熱處理器610和該第二熱處理器620中停留所需的熱處理時間。如圖4所示，單晶矽棒S3已由提拉機構700提拉至完全位於第一熱處理器610和該第二熱處理器620中，並且提拉機構700能夠使單晶矽棒S3保持處於該位置直至經歷了預設的熱處理時間。
本發明的可選實施例中，該熱處理時間可以為2小時。
為了進一步控制熱處理溫度的準確性，可選地，參見圖5，該拉晶爐110還包括用於感應該第一熱處理器610的熱處理溫度的第一溫度感應器801、用於感應該第二熱處理器620的熱處理溫度的第二溫度感應器802以及根據該第一溫度感應器801和該第二溫度感應器802感應到的熱處理溫度控制該第一熱處理器610和該第二熱處理器620的控制器900。該第一溫度感應器801設置在該第一熱處理器610朝向該上爐室101內腔一側，通過感應探頭測量下溫區的溫度，以得到單晶矽棒S3不同部段所處溫區的熱處理溫度，繼而通過與其電連接的控制器900控制第一熱處理器610的加熱功率，準確調節第一熱處理溫度，保證下溫區的溫度恆定。該第二溫度感應器802設置在該第二熱處理器620朝向該上爐室101內腔一側，其工作原理與該第一溫度感應器801一致，在此不做贅述。
在本發明的一種實施例中，該拉晶爐110設置成能夠使整根單晶矽棒S3同時處於第一熱處理器和第二熱處理器當中進行熱處理，對此，可選地，如圖6所示，該第一熱處理器610和第二熱處理器620沿該拉晶方向P的長度H大於等於該單晶矽棒S3的長度L使得該單晶矽棒S3能夠完全位於第一熱處理器610和第二熱處理器620中，同時對單晶矽棒S3的不同部段進行相應的熱處理。
通過使用根據本發明實施例的拉晶爐，解決了在拉制摻氮單晶矽棒時，由於N的分凝係數小，使得晶棒頭部N濃度遠小於晶棒尾部N濃度，導致單晶矽棒整體BMD濃度不均一的問題。
參見圖7，本發明實施例還提供了一種用於製造單晶矽棒的方法，該方法可以包括：
S701：利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；
S702：使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動至經受熱處理的位置處；
S703：在使該單晶矽棒中的BMD消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒的尾部節段進行熱處理；
S704：在促使該單晶矽棒中形成BMD的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒的頭部節段進行熱處理。
本發明實施例還提供了一種單晶矽棒，該單晶矽棒由本發明實施例提供的用於製造單晶矽棒的方法製造而成。
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。
100:拉晶爐
101:上爐室
102:下爐室
110:拉晶爐
200:坩堝
300:加熱器
400:坩堝旋轉機構
500:坩堝承載裝置
610:第一熱處理器
620:第二熱處理器
700:提拉機構
801:第一溫度感應器
802:第二溫度感應器
900:控制器
S1:單晶籽晶
S2:矽熔體
S3:單晶矽棒
R:方向
P:方向
H:長度
L:長度
S701-S704:步驟
圖1為相關技術中氮濃度在摻氮矽單晶中沿晶體生長方向的理論分佈的示意圖；
圖2為常規拉晶爐的一種實現方式的示意圖；
圖3為根據本發明的實施例的拉晶爐的示意圖，其示出了正在從矽熔體中拉出單晶矽棒；
圖4為圖3的拉晶爐的另一示意圖，其示出了單晶矽棒已經被完全拉出矽熔體並且處於第一熱處理器和第二熱處理器當中；
圖5為根據本發明的另一實施例的拉晶爐的示意圖；
圖6為根據本發明的另一實施例的拉晶爐的示意圖；
圖7為根據本發明的實施例的一種用於製造單晶矽棒的方法的示意圖。
101:上爐室
102:下爐室
110:拉晶爐
200:坩堝
300:加熱器
400:坩堝旋轉機構
500:坩堝承載裝置
610:第一熱處理器
620:第二熱處理器
700:提拉機構
S1:單晶籽晶
S2:矽熔體
S3:單晶矽棒
R:方向
P:方向
Claims (7)
- 一種用於製造單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括：提拉機構，該提拉機構構造成利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；及，第一熱處理器，該第一熱處理器用於在使該單晶矽棒中的體微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；該第一熱處理溫度為950-1200攝氏度；及，設置在該第一熱處理器上方的第二熱處理器，該第二熱處理器用於在促使該單晶矽棒中形成體微缺陷的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒進行熱處理；該第二熱處理溫度為600-850攝氏度；其中，該提拉機構還構造成使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動而處於尾部節段被該第一熱處理器並且頭部節段被該第二熱處理器熱處理的位置處。
- 如請求項1所述之用於製造單晶矽棒的拉晶爐，其中，該拉晶爐還包括：用於感應該第一熱處理器的熱處理溫度的第一溫度感應器；用於感應該第二熱處理器的熱處理溫度的第二溫度感應器；控制器，該控制器根據該第一溫度感應器和該第二溫度感應器的感應溫度控制該第一熱處理器和該第二熱處理器分別提供不同的熱處理溫度。
- 如請求項2所述之用於製造單晶矽棒的拉晶爐，其中，該第二熱處理器包括沿該拉晶方向垂直排列的第一分段和第二分段，該第一分段用於提供600-700攝氏度的熱處理溫度，該第二分段用於提供700-850攝氏度的熱處理溫度。
- 如請求項1所述之用於製造單晶矽棒的拉晶爐，其中，該提拉機構還構造成使該單晶矽棒在被熱處理的位置處停留2小時。
- 如請求項1所述之用於製造單晶矽棒的拉晶爐，其中，該拉晶爐包括徑向尺寸小的上爐室和徑向尺寸大的下爐室，該第一熱處理器和該第二熱處理器設置在該上爐室中，該下爐室內設有坩堝和用於對該坩堝進行加熱的加熱器。
- 如請求項1所述之用於製造單晶矽棒的拉晶爐，其中，該第一熱處理器和該第二熱處理器的沿該拉晶方向的總長度大於等於該單晶矽棒的長度使得整個該單晶矽棒能夠同時被該第一熱處理器和該第二熱處理器熱處理。
- 一種用於製造單晶矽棒的方法，該方法包括：利用摻氮矽熔體通過直拉法拉制單晶矽棒；及，使該單晶矽棒沿著拉晶方向移動至經受熱處理的位置處；及，在使該單晶矽棒中的體微缺陷(Bulk Micro Defect，BMD)消融的第一熱處理溫度下對該單晶矽棒的尾部節段進行熱處理，該第一熱處理溫度為950-1200攝氏度；及，在促使該單晶矽棒中形成體微缺陷的第二熱處理溫度下對該單晶矽棒的頭部節段進行熱處理，該第二熱處理溫度為600-850攝氏 度。
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