UA21853U

UA21853U - Method for dislocationless silicon single crystals growing from the melt

Info

Publication number: UA21853U
Application number: UAU200609721U
Authority: UA
Inventors: Vitalii Ihorovych Talanin; Ihor Yevheniiovych Talanin; Anatolii Vasyliovych Syrota
Original assignee: Vitalii Ihorovych Talanin; Ihor Yevheniiovych Talanin; Anatolii Vasyliovych Syrota
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2007-04-10

Abstract

Process for dislocationless silicon single crystals growing from the melt by method of zone melting and Czochralski method involves melt formation, seeding into the melt of monocrystal nucleuses, growing of the monocrystal part with preliminary formation of thin neck. During the growth the growing single crystal is subjected to the heat treatment with the subsequent fast cooling of the single crystal after the growing.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель відноситься до галузі металургії високоякісних бездислокаційних монокристалів кремнію, що 2 являються основним матеріалом для виготовлення елементної бази сучасної електронної промисловості.The useful model refers to the field of metallurgy of high-quality dislocation-free single crystals of silicon, which are the main material for the production of the element base of the modern electronic industry.

Основні електрофізичні параметри виробів електронної техніки на базі монокристалічного кремнію визначаються дефектною структурою бездислокаційних монокристалів кремнію.The main electrophysical parameters of electronic products based on single crystal silicon are determined by the defective structure of dislocation-free single crystals of silicon.

У схемі вирощування за методом Чохральського тигель, що виготовляється з високочистого кварцу, обігрівається нагрівачем опору. Для утворення однорідного теплового полю навколо тиглю розміщають теплові 70 екрани з графіту, кварцу чи молібдену. На кінці штоку укріплюють монокристалічний запал, що може з контрольованою швидкістю переміщуватися за вертикаллю і водночас обертатися. Запали визначеного перерізу і з заданою орієнтацією вирізають з монокристалів. Після розплавлення кремнію у тиглі запал опускають у розплав та, поступово підвищуючи температуру, розплавляють частину запалу. Після цього температуру нагрівача повільно знижають до тих пір, коли почнеться кристалізація на запалі. В цей момент запал починають 12 піднімати і монокристал "витягується" з розплаву. Діаметр монокристала, що вирощується, регулюється температурою нагрівача, швидкістю підйому штоку, умовами відводу теплоти кристалізації і другими параметрами.In the Czochralsky growing scheme, a crucible made of high-purity quartz is heated by a resistance heater. To create a uniform thermal field, thermal 70 screens of graphite, quartz or molybdenum are placed around the crucible. At the end of the rod, a monocrystalline igniter is attached, which can move vertically at a controlled speed and rotate at the same time. Flames of a defined cross-section and with a given orientation are cut from single crystals. After melting the silicon in the crucible, the igniter is lowered into the melt and, gradually increasing the temperature, melts part of the igniter. After that, the temperature of the heater is slowly lowered until crystallization on the flame begins. At this moment, the igniter begins to be raised 12 and the single crystal is "extracted" from the melt. The diameter of the growing single crystal is regulated by the temperature of the heater, the speed of raising the rod, the conditions for removing the heat of crystallization, and other parameters.

В установці для вирощування монокристалів утворити строго симетричне теплове поле дуже важко. Для вирівнювання температурного полю кристал чи тигель (або обидва разом) обертають. Це дозволяє вирощувати симетричні монокристали, також і тоді, якщо у розплаві є відносно великі асиметричні градієнти. Вирощування бездислокаційних монокристалів роблять за методом Деша, сутність якого є у вирощуванні з підвищеними швидкостями після запалення довгої тонкої монокристалічної "шейки" діаметром, що менший або відповідний діаметру запалу. Після появлення на визначеній довжині шейки ділянки, що є вільним від дислокацій, починають вирощувати конічну, а потім циліндричну частини монокристалу заданого діаметру. 29 Один з основних недоліків отримання монокристалів кремнію за методом Чохральського - забруднення -о розплаву тиглем, що частково розчиняється. При цьому у розплав в значних кількостях переходить кисень і ряд других домішок, що є у кварцовому тиглі.It is very difficult to create a strictly symmetrical thermal field in a unit for growing single crystals. To equalize the temperature field, the crystal or the crucible (or both together) is rotated. This makes it possible to grow symmetric single crystals, even if there are relatively large asymmetric gradients in the melt. The growth of dislocation-free single crystals is done according to the Dash method, the essence of which is to grow at increased speeds after ignition of a long thin single crystal "neck" with a diameter smaller than or corresponding to the diameter of the igniter. After the appearance of a section free of dislocations at a certain length of the neck, conical and then cylindrical parts of a single crystal of a given diameter begin to grow. 29 One of the main disadvantages of obtaining single crystals of silicon by the Czochralskyi method is the contamination of the melt by the partially dissolving crucible. At the same time, significant amounts of oxygen and a number of other impurities present in the quartz crucible pass into the melt.

Метод безтигельної зонної плавки видаляє вказані недоліки і його сутність у наступному. Стрижень з кремнію закріплюють вертикально у затисках установки. Розплавлену зону утворюють за допомогою індукційного о нагріву, вона утримується завдяки силам поверхневого натягу. Чим менше висота зони, тим більший діаметр ою злитку, на якому можна її утримати. Переміщуючи індуктор (або стрижень відносно нерухомого індуктору) вертикально, утворюють рух зони за стрижнем. Багаторазовим переміщенням зони за рахунок випару і со розходження коефіцієнтів розподілу домішок у рідкий і твердий фазах можна отримати дуже високий ступінь «-- очистки кремнію. При отриманні монокристалів за цим методом роблять наступне У нижньому затиску 3о укріплюють монокристалічний запал, а на кінці стрижня утворюють розплавлену каплю. Потім, переміщуючи сч вгору запал, його додають у розплав. Після запалювання запал разом з зростаючим на ньому монокристалом переміщують донизу (або індуктор піднімають вгору).The method of crucibleless zone melting removes the indicated shortcomings and its essence in the following. The silicon rod is fixed vertically in the clamps of the installation. The molten zone is formed with the help of induction heating, it is held due to the forces of surface tension. The smaller the height of the zone, the larger the diameter of the ingot on which it can be held. By moving the inductor (or the rod relative to the stationary inductor) vertically, the movement of the zone behind the rod is formed. By repeatedly moving the zone due to evaporation and the difference in the distribution coefficients of impurities in the liquid and solid phases, you can get a very high degree of purification of silicon. When obtaining single crystals by this method, the following is done: In the lower clamp 3o, a single crystal igniter is strengthened, and a molten drop is formed at the end of the rod. Then, by moving the fuse upwards, it is added to the melt. After ignition, the fuse together with the single crystal growing on it is moved down (or the inductor is raised up).

Найближчим аналогом вибрано відомий спосіб |Патент 2102539С1 РФ МПК СЗОВ15/14, опубл. 20.01.1998), « де, з метою покращення якості кристалу, вводиться навколо зростаючого монокристалу циліндричне або З 50 конусоподібне тіло, яке поділяє простір контейнеру над розплавом на внутрішню та зовнішню частини. При с цьому тіло має один отвір, Через який інертний газ, що направляється до внутрішньої частини простору з» контейнеру, може потрапити до його зовнішньої частини.The closest analogue is the well-known method |Patent 2102539С1 of the Russian Federation of the Ministry of Industry and Trade SZOV15/14, publ. 20.01.1998), "where, in order to improve the quality of the crystal, a cylindrical or Z 50 cone-shaped body is introduced around the growing single crystal, which divides the space of the container above the melt into internal and external parts. At the same time, the body has one opening, through which the inert gas directed to the inner part of the space from the container can get to its outer part.

Недоліками усіх цих відомих рішень є: - неможливість керування дефектною структурою бездислокаційних монокристалів кремнію; - неможливість видалення вторинних ростових мікродефектів (міжвузловинних дислокаційних петель або о вакансійних мікропор). - В основу корисної моделі поставлено завдання розробки способу, який дозволяє керувати дефектною структурою бездислокаційних монокристалів кремнію, зокрема подавляти утворення вакансійних мікропор та со міжвузловиних дислокаційних петель, які критичним чином впливають на якість вихідних монокристалів та сл 20 структур на їх основі.The disadvantages of all these known solutions are: - impossibility of controlling the defective structure of dislocation-free silicon single crystals; - impossibility of removing secondary growth microdefects (internodal dislocation loops or vacant micropores). - The basis of a useful model is the task of developing a method that allows controlling the defective structure of dislocation-free silicon single crystals, in particular suppressing the formation of vacancy micropores and internodal dislocation loops, which critically affect the quality of the initial single crystals and sl 20 structures based on them.

Вирішення цього завдання досягається тим, що під час росту монокристал, який росте з розплаву, піддається с» термічній обробці в межах 1350...12502С, з наступним швидким охолодженням монокристалу після вирощування.The solution to this problem is achieved by the fact that during growth, a single crystal that grows from a melt is subjected to heat treatment in the range of 1350...12502С, followed by rapid cooling of the single crystal after growth.

При цьому у монокристалі, що зростає, за рахунок тощо, що він під час всього терміну росту знаходиться при температурі у межах 1350...12502С не утворюються міжвузловині дислокаційні петлі та вакансійні мікропори та під час швидкого охолодження вказані дефекти, що утворюються при 1100 С мають малі розміри, тобто не с зростають, що значно підвищую якість вихідних монокристалів та структур на їх основі.At the same time, internodal dislocation loops and vacancy micropores do not form in the growing single crystal, due to etc., that during the entire growth period it is at a temperature within the range of 1350...12502С, and during rapid cooling, the indicated defects formed at 1100С have small sizes, that is, they do not grow, which significantly improves the quality of the initial single crystals and structures based on them.

У способі, що пропонується, робиться таке доповнення: додаткове проведення термічної обробки за допомогою додаткових нагрівачів, які у процесі росту кристала повинні підтримувати температуру во закристалізованої частини в межах 1350...125090.In the proposed method, the following addition is made: additional heat treatment with the help of additional heaters, which in the process of crystal growth should maintain the temperature of the crystallized part within 1350...125090.

Приклад здійснення способу, що заявляється.Example of implementation of the claimed method.

При вирощуванні за методом Чохральського до тиглю завантажується вихідний матеріал, що розплавлюється. До нього підводять запал, після чого поступово вирощується тонка шийка, після якої кристал виходить на заданий діаметр. Після цього виходу уся монокристалічна область, що вирощується, піддається 65 додатковій термічній обробці у температурному інтервалі 1350...12502С протягом усього терміну зростання.When growing according to the Czochralskyi method, the melting source material is loaded into the crucible. An igniter is brought to it, after which a thin neck is gradually grown, after which the crystal reaches a given diameter. After this output, the entire growing monocrystalline region is subjected to 65 additional heat treatment in the temperature range of 1350...12502C during the entire growth period.

Після закінчення росту кристал швидко охолоджують за рахунок подання охолодженого інертного газу.After the end of growth, the crystal is rapidly cooled by supplying a cooled inert gas.

При вирощуванні за методом безтигельної зонної плавки вихідний моно- чи полікристал закріплюють в установці. Утворену розплавлену зону за допомогою індукційного нагріву утримують завдяки силам поверхневого натягу. До розплаву підводять монокристалічний запал і переміщенням розплавленої зони за допомогою індуктора створюють тонку шийку, після чого вирощують монокристал. Протягом усього терміну зростання монокристалічна область, що вирощується, піддається додатковій термічній обробці у температурному інтервалі 1350...12502С. Після закінчення росту кристал швидко охолоджують за рахунок подання охолодженого інертного газу.When growing by the method of crucibleless zone melting, the initial mono- or polycrystal is fixed in the installation. The formed molten zone with the help of induction heating is held due to the forces of surface tension. A single crystal igniter is brought to the melt and a thin neck is created by moving the molten zone with the help of an inductor, after which a single crystal is grown. During the entire period of growth, the growing monocrystalline region is subjected to additional heat treatment in the temperature range of 1350...12502С. After the end of growth, the crystal is rapidly cooled by supplying a cooled inert gas.

Отже, перевага способу вирощування монокристалів з розплаву, що пропонується, у порівнянні з існуючими 7/0 до сьогодення лежить у тому, що: - використання способу, що пропонується, дозволяє керувати процесом дефектоутворення у бездислокаційних монокристалах кремнію; - використання способу, що пропонується, дозволяє покращити якість як вихідних бездислокаційних монокристалів кремнію, так і якість напівпровідникових приладів і структур на їх основі.Therefore, the advantage of the proposed method of growing single crystals from the melt, in comparison with the existing 7/0 to date, lies in the fact that: - the use of the proposed method allows you to control the process of defect formation in dislocation-free single crystals of silicon; - the use of the proposed method allows to improve the quality of both the original dislocation-free silicon single crystals and the quality of semiconductor devices and structures based on them.

Спосіб, що пропонується, можна використовувати на промислових підприємствах з вирощування бездислокаційних монокристалів кремнію.The proposed method can be used at industrial enterprises for the cultivation of dislocation-free single crystals of silicon.

На основі вище викладеного можна зробити висновок, що рішення, що заявляється відповідає критерію промислова придатність.Based on the above, it can be concluded that the proposed solution meets the criterion of industrial suitability.

Джерела інформації: 1. Технология полупроводникового кремния /Фалькевич З2.С., Пульнер З3.0., Червоньй И.Ф., Шварцман Л.яЯ.,Sources of information: 1. Semiconductor silicon technology / Falkevich Z2.S., Pulner Z3.0., Chervonyi I.F., Shvartsman L.yaYa.,

Яркин В.Н., Салли И.В. - М.: Металлургия, 1992. - С. 254-336. 2. Патент Мо2102539С1 РФ, МПК С30815/14. Устройство для вьіращивания монокристалла и способ виіращивания монокристалла / П. Вильцманн, Х. Пинцхоффер (ОЕ); Опубл. 20.01.1998.Yarkin V.N., Sally I.V. - M.: Metallurgy, 1992. - P. 254-336. 2. Patent Mo2102539С1 of the Russian Federation, IPC C30815/14. A device for single crystal growth and a single crystal growth method / P. Wiltsmann, H. Pintzhoffer (OE); Publ. 20.01.1998.

Claims

The formula of the invention is The method of growing from a melt using the methods of crucibleless zone melting and Chochralsky dislocation-free single crystals of silicon, which includes the creation of a melt, the introduction of a single crystal seed into the melt, the growth of a single crystal part with the preliminary creation of a thin neck, which is characterized by the fact that during the growth of a single crystal , which is growing, is subjected to heat treatment in the range of) 1350-1250 C, followed by rapid cooling of the single crystal after growth. Official Bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated 787 ZZ5 microcircuits", 2007, M 4, 15.04.2007. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine.

-

. and? ime) - (ee) 1 syu» 60 b5