CN104334774A - 单晶硅晶锭和晶片以及用于生长所述晶锭的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的单晶硅晶锭和晶片具有形成于其中的过渡区，该过渡区主要具有在空位主导非缺陷区和间隙主导非缺陷区中的至少一个区中包括的晶体缺陷之中的大小为10-30nm的晶体缺陷。

Description

单晶硅晶锭和晶片以及用于生长所述晶锭的装置和方法

技术领域

实施例涉及单晶硅晶锭和晶片以及用于生长所述晶锭的装置和方法。

背景技术

一般常用的制造硅晶片的方法包括浮区(“FZ”)方法或切克劳斯基(“CZochralski：CZ”)方法。但是，通过FZ方法生长单晶硅晶锭有几个问题，例如，难以制造大直径的硅晶片和工艺成本相当高昂。因此，普遍通过CZ方法生长单晶硅晶锭。

利用这种CZ方法，在将多晶硅装载到石英坩埚内部并通过石墨加热元件的加热使其熔融后，籽晶被浸入所得到的硅熔体，以导致该硅熔体的界面处的结晶，然后在旋转籽晶的同时提拉该籽晶，由此完成单晶硅晶锭的生长。然后，生长出来的单晶晶锭经切片、蚀刻和磨光以便成形为晶片。

图1是示意性示出基于单晶硅晶锭生长时的V/G值的晶体缺陷区域分布的视图。这里，“V”是单晶硅晶锭的提拉速率，而“G”是熔体-固体界面的垂直温度梯度。

根据沃隆科夫(Voronkov)的理论，当以高速提拉单晶硅晶锭并且是在超过或等于临界值的高V/G值下提拉时，单晶硅被生长成具有包括由空隙导致的缺陷的富空位(vacancy-rich)区域(下文称为”V区”)。也就是说，V区是具有因硅原子短缺造成的过量空位的区域。

此外，当单晶硅晶锭在V/G值小于临界值的生长条件下被提拉时，该单晶硅被生长成具有O带区，该O带区内存在氧化导致的堆垛层错(Oxidation induced Stacking Fault：OSF)。

此外，当单晶硅晶锭在低速下且在V/G值进一步减小的生长条件下被提拉时，该单晶硅被生长成具有因由自间隙(self-interstitial)硅凝聚产生的位错环而导致的间隙(interstitial)区(下文称为“I区”)。也就是说，I区是具有因硅原子过剩而造成的过量硅自间隙凝聚的区域。

在V区和I区之间提供空位主导的空位主导非缺陷区(下文称为“VDP区”)和间隙主导的间隙主导非缺陷区(下文称为“IDP区”)。尽管VDP区和IDP区的相同之处在于它们都没有原子短缺或原子过剩方面，但是它们的区别之处在于VDP区包括氧沉淀核，而IDP区不包括氧沉淀核。

可能有属于O带区并具有空位型微缺陷的小空隙区，例如，直接表面氧化缺陷(DSODs)。

在这种情形下，为了生长包括VDP区和IDP区的单晶晶锭，有必要在生长单晶硅晶锭期间维持对应的V/G值。为此，在生长单晶硅晶锭期间，硅晶片从正生长出来的晶锭上被切割下来，对该被切割下来的晶片进行晶体缺陷评估以检查晶锭是否是在对应的V/G值下以所需要的方式被生长。然后，基于所检查的结果调节V/G值，且单晶晶锭被生长成包括经调节的VDP区或IDP区。

评估晶片的晶体缺陷的方法的示例包括反应离子蚀刻(RIE)、铜(Cu)沉积、铜雾方法和类似方法。

同时，由于半导体器件的宽度逐渐减小以及较高的集成度，对单晶硅晶锭生长期间产生的微晶体缺陷的控制和管理正变得日益重要。例如，有需求要求晶锭的生长甚至在诸如VDP区和IDP区那样的非缺陷区的生长条件下也仅具有微晶体缺陷(其具有合意的大小)。特别是动态随机存储存储器(DRAM)、NAND闪存和类似存储器的宽度小于或等于20nm，就要求晶片具有小于20nm的晶体缺陷。

但是，上述常规的晶体缺陷评估方法是提供用来检测大于30nm的晶体缺陷的，而不能合适地评估小于30nm的晶体缺陷。也就是说，常规的晶体缺陷评估方法可能将小于30nm的晶体缺陷评估为大小相同的缺陷。因此，制造晶体缺陷小于30nm(如：10-29nm的大小)的硅晶片或晶锭是非常困难的。

公开内容

技术问题

一个实施例提供了微晶体缺陷小于30nm的单晶硅晶锭和晶片。

另一个实施例提供了生长用于制造具有微晶体缺陷的硅晶片的单晶硅晶锭的装置和方法。

技术方案

在一个实施例中，单晶硅晶锭和晶片包括具有在空位主导非缺陷区和间隙主导非缺陷区中的至少一个区内包括的缺陷之中的大小为10-30nm的主导晶体缺陷的过渡区。

大小为10-30nm的晶体缺陷构成过渡区内包括的所有晶体缺陷的50％。

缺陷大小为10-30nm的晶体缺陷构成过渡区内包括的所有晶体缺陷的70％或更多。

过渡区不包括环形氧化导致的堆垛层错。

通过切克劳斯基方法制造单晶硅晶锭和晶片。

过渡区内包括的晶体缺陷的大小为10-19nm。

在单晶硅晶锭和晶片中，间隙主导非缺陷区占整个过渡区的100x％(在这里，0≤x≤1)，空位主导的非缺陷区可以占整个过渡区的100(1-x)％。

基于单晶硅晶锭和晶片的直径，间隙主导非缺陷区占整个过渡区的70％或更多。

基于单晶硅晶锭和晶片的直径，空位主导非缺陷区占整个过渡区的30％或更少。

过渡区的空位主导非缺陷区位于单晶硅晶锭和晶片的边缘，过渡区的间隙主导非缺陷区可以位于边缘之内单晶硅晶锭和晶片的中心处。

基于单晶硅晶锭和晶片的直径，空位主导非缺陷区占整个过渡区的70％或更多。

基于单晶硅晶锭和晶片的直径，间隙主导非缺陷区占整个过渡区的30％或更少。

过渡区的间隙主导非缺陷区位于单晶硅晶锭和晶片的边缘，过渡区的空位主导非缺陷区可以位于边缘之内单晶硅晶体晶锭和晶片的中心处。

过渡区内包括的晶体缺陷的大小可以通过Magics方法被检测到。

过渡区内包括的晶体缺陷的大小可以在没有对单晶硅晶锭和晶片进行热处理的状态下被检测到。

大小为10-19nm的晶体缺陷出现在通过Magics方法捕捉到的图像中的1号像素中。

在另一个实施例中，生长单晶硅晶锭的装置包括：配置成在其内接收硅熔体的坩埚、围绕该坩埚安装的加热器和配置成向该坩埚施加磁场以便在由根据该加热器的最大热辐射点的位置确定的位置处创建最大磁平面(MGP)的磁场生成器。

生长单晶硅晶锭的装置进一步包括：配置成控制加热器以改变最大热辐射点位置的第一控制器；配置成控制磁场生成器以便在根据经改变的最大热辐射点的位置而调节的位置处创建MGP的第二控制器。

加热器在垂直方向上执行均匀的热辐射或配置成在垂直方向上调节热辐射量。

MGP位于比最大热辐射点更低的位置处。

基于硅熔体界面，MGP位于比最大热辐射点的位置低20％-40％的位置处。

MGP位于比硅熔体界面低50-300mm的地方。

由磁场生成器施加到坩埚的磁场的强度可以是2000-3400高斯。

待生长的单晶硅晶锭的目标提拉速率范围可以是0.010-0.030mm/min。

在另一个实施例中，由包括配置成接收硅熔体的坩埚、安装在坩埚上以向该坩埚加热加热器和配置成向该坩埚施加磁场的磁场生成器的生长单晶硅晶锭的装置执行的生长单晶硅晶锭的方法包括：确定加热器的最大热辐射点的位置；根据所确定的最大热辐射点的位置确定最大磁平面(MGP)的位置；以及向坩埚施加磁场以在确定的位置处创建MGP。

生长单晶硅晶锭的方法进一步包括：当最大热辐射位置改变时，根据经改变的最大热辐射点的位置调节MGP的位置；以及通过向坩埚施加磁场在经调节的位置处创建MGP。

向坩埚施加磁场以在低于最大热辐射点的位置的位置处创建MGP。

向坩埚施加磁场，以基于硅熔体界面，在比最大热辐射点的位置低20％-40％的位置处创建MGP。

向坩埚施加磁场以在比硅熔体界面的位置低50-300mm的位置处创建MGP。

由磁场生成器施加到坩埚的磁场的强度可以是2000-3400高斯。

待生长的单晶硅晶锭的目标提拉速率范围可以是0.010-0.030mm/min。

在另一个实施例中，生长单晶硅晶锭的装置包括：配置成在其内接收用于生长单晶硅晶锭的硅熔体的33.坩埚；配置成向该坩埚施加热以使硅在该坩埚中被熔化的加热器；配置成在旋转晶锭的同时提拉单晶硅晶锭的提升器；配置成计算单晶硅晶锭的自旋速率的自旋速率计算器；配置成将计算出的自旋速率与目标自旋速率比较并将比较结果作为自旋速率误差输出的第一比较器；配置成根据自旋速率误差值，在单晶硅晶锭的直径被感测到的位置处调节硅熔体的流速的流速控制器；以及配置成感测单晶硅晶锭的直径的直径传感器。

生长单晶硅晶锭的装置进一步包括配置成将被感测到的直径与目标直径比较并输出比较结果的第二比较器，并且上述提升器在转动晶锭的同时，以根据直径误差值而改变的提拉速率提拉单晶硅晶锭。

在进一步的实施例中，由包括配置成在期内接收用于单晶硅晶锭生长的硅熔体的坩埚、配置成向该坩埚施加热使硅在该坩埚中熔化的加热器和配置成在旋转晶锭的同时提拉单晶硅晶锭的提升器的生长单晶硅晶锭的装置执行的生长单晶硅晶锭的方法包括：测量单晶硅晶锭的自旋速率；通过将被测量的自旋速率与目标自旋速率比较确定自旋速率误差值；根据该自旋速率误差值，在单晶硅晶锭的直径被感测到的位置处调节硅熔体的流速；以及感测单晶硅晶锭的直径。

生长单晶硅晶锭的方法进一步包括：通过将被感测到的直径与目标直径进行比较确定直径误差值；根据该直径误差值，改变待生长的单晶硅晶锭的提拉速率。

上述调节包括当被测量到的自旋速率大于目标自旋速率时减小流速。

所述直径被感测到的位置对应于所述硅熔体的弯月面，并且通过减小硅熔体的流速来稳定弯月面处硅熔体的流动。

待生长的单晶硅晶锭的提拉速率的范围可以是0.020-0.030mm/min。

有益效果

如实施例所述的高质量半导体用单晶硅晶锭和晶片可以被形成以包括具有缺陷大小小于30nm的晶体缺陷的过渡区，例如，晶体缺陷大小为10-19nm，因为可以使用Magics方法实现对缺陷大小小于30nm的微晶体缺陷的检测。高质量单晶硅晶锭和晶片可以用于具有20nm或更小的减小的宽度的半导体设备。

此外，生长如实施例所述的单晶硅晶锭的装置和方法可以实现对单晶硅晶锭提拉速率的更精确的控制，因为在单晶硅晶锭被感测到直径的弯月面处稳定硅熔体的流动之后，提拉速率被控制。此外，由于最大磁场平面位置是基于最大热辐射点的位置被确定的，并且磁场强度被合适地调整以控制硅熔体的对流，可以改善空位-间隙复合，从而增加IDP区的裕度。因此，有可能因创造了适于生产晶体缺陷小于或等于20nm的硅晶片的环境而提高晶锭的生产率和生长速率，例如，改善制造如上文所述的高质量硅晶片的重复性。

附图描述

图1是示意性示出基于单晶硅晶锭生长时的V/G值的晶体缺陷区域分布的视图。

图2是示出根据实施例的生长单晶晶锭的装置。

图3是示出根据本实施例的单晶硅晶锭生长速率和晶体缺陷分布的视图。

图4是示出根据一个实施例的单晶硅晶锭和晶片的平面图。

图5是示出根据另一个实施例的单晶硅晶锭和晶片的平面图。

图6a是对晶片样品实施了铜雾方法后晶片样品的平面图，图6b和图6c示出通过Magics方法捕捉到的晶片样品的图像。

图7是示出缺陷体积和通过Magics方法获取的图像的像素之间的关系的TEM分析图。

图8示出对应于使用TEM捕捉到的1号像素的晶体缺陷的图像。

图9是示出像素直方图的图示。

图10是示出解释根据实施例的生长单晶硅晶锭的方法的流程图。

图11a和图11b是示出晶锭的提拉速率变化的图。

图12是示出根据相关领域和本实施例的提拉速率的范围的视图。

图13是示出解释根据另一个实施例的生长单晶硅晶锭的方法的流程图。

图14a示出基于MGP位置值的IDP区裕度的最大值，而图14b示出基于MGP位置值的IDP区裕度的最大值的70％值。

图15a示出基于磁场强度的IDP区裕度的最大值，而图15b示出基于磁场强度的IDP区裕度的最大值的70％值。

本发明的实施方式

在下文中，将参考所附附图详细描述本发明的实施例，以增进对本发明的理解。但是，各种实施例的变体也是可能的，并且本发明的技术精神并不限于所示例被构造出来。提供本发明的实施例以向本领域技术人员解释本公开。

图2是示出根据实施例的标为参考标号100的生长单晶晶锭的装置的视图。

图2所示的单晶硅晶锭生长装置100包括：坩埚10、支撑轴驱动单元16、可旋转支撑轴18、硅熔体20、晶锭30、籽晶32、线提升器40、提拉线42、热屏蔽构件50、安置在坩埚10周围的加热器60、绝缘体70、磁场生成器80、直径传感器90、自旋速率计算器92、第一比较器94、流速控制器96、第二比较器110、以及第一控制器120和第二控制器130。

参考图2，根据本实施例的单晶硅晶锭生长装置100被配置成通过下文所述的CZ方法生长单晶硅晶锭30。

首先，在坩埚10中，用加热器60在高于高纯度多晶硅原材料的熔点温度上将其加热，由此使多晶硅原材料变成硅熔体20。在这种情形下，安置硅熔体20的坩埚10具有包括石英内壳12和石墨外壳14的双重结构。

接着，提升器40释放提拉线42使得籽晶32的末端与硅熔体20的表面中心接触，或被浸入硅熔体20的表面上大致中心的位置。在这种情形下，可以使用籽晶夹头(未示出)保持住硅籽晶32。

然后，支撑轴驱动单元16按箭头标出的方向转动坩埚20的可旋转支撑轴18，同时，提升器40在旋转晶锭30的同时使用提拉线42提拉晶锭30以生长该晶锭。在这种情形下，调节提拉速率V和晶锭30的温度梯度G(ΔG)以完成圆柱形单晶硅晶锭30。

热屏蔽构件50位于单晶硅晶锭30和坩埚10之间以包围晶锭30和用于阻止来自晶锭30的热辐射。

图3是示出根据本实施例的单晶硅晶锭生长速率和晶体缺陷分布的视图。

图3所示的单晶硅晶锭的缺陷分布和图1所示的单晶硅晶锭的缺陷分布完全相同，区别仅在于，前者进一步定义了过渡区，因此，下文将省略关于V区、小空隙区、O带区、VDP区、IDP区和I区的详细描述。在这里，过渡区指由在被包括在VDP区和IDP区中至少一个区内的晶体缺陷之中的大小为10-30mm的晶体缺陷占主导的区域。当特定的缺陷构成总缺陷的50％或以上时可以确定该具体缺陷是否占主导。也就是说，大小为10-30nm的晶体缺陷可以构成过渡区内包括的所有晶体缺陷的50％或以上。换言之，可以说，大小为10-30nm的晶体缺陷可以占包括在过渡区中的所有晶体缺陷的k％或以上(在这里，50≤k≤100)。

例如，在过渡区内主要包括的晶体缺陷的大小为10-19nm。过渡区可以不包括属于O带区的晶体缺陷，该O带区是由环形氧化物导致的堆垛层错区或I区。

当图2所示的装置被配置成以在目标V/G范围(下文中称为”T(VG)”)内选择的任意V/G值生长晶锭30时，根据本实施例的晶锭30或硅晶片可以主要包括大小为10-30nm的晶体缺陷。

图4是示出根据一个实施例的单晶硅晶锭和晶片5A的平面图，而图5是示出根据另一个实施例的单晶硅晶锭和晶片5B的平面图。

当晶锭30以由图3所示的T(VG)内的线4-4’标出的V/G值生长时，晶锭30或硅晶片5A可以呈现图4所示的晶体缺陷分布。在这种情形下，硅晶片5A的过渡区分布在VDP区142和IDP区140两者内。

或者，当晶锭30以由图3所示的T(VG)内的线5-5’标出的V/G值生长时，硅晶片5B可以具有图5所示的晶体缺陷分布。在这种情形下，硅晶片5B的过渡区只分布在IDP区150内。也就是说，硅晶片5B的过渡区不存在于VDP区内。

或者，当晶锭30以由图3所示的T(VG)内的线6-6’标出的V/G值生长时，硅晶片的过渡区仅分布在VDP区。也就是说，硅晶片的过渡区不分布在IDP区内。

总之，在根据本实施例的硅晶片中，IDP区可以如下列方程1所示地占整个过渡区的m％，而VDP区可以如下列方程2所示地占整个过渡区的n％。

M＝100x           方程1

N＝100(1-x)     方程2

在这里，0≤x≤1。

例如，基于硅晶片的直径，IDP区可以占整个过渡区的70％或更多，VDP区可以占据少于整个过渡区的30％。在这种情形下，为了在硅晶片5A内包括如图4示范性示出的过渡区，VDP区可以位于硅晶片5A的边缘，IDP区可以位于硅晶片5A边缘之内的中心处。或者，基于硅晶片的直径，VDP区可以占整个过渡区的70％或更多，IDP区可以占据少于整个过渡区的30％。在这种情形下，就过渡区而言，与图4所示的不同，IDP区可以位于硅晶片的边缘，VDP区可以位于硅晶片边缘之内的中心处。但是，不限制于实施例，并且就硅晶片的过渡区而言，VDP区和IDP区可以以其他各种方式来定位。

同时，在晶锭以上述T(VG)范围内的V/G值生长期间，晶锭30可能由于各种因素而在偏离最初设定的T(VG)的V/G值下生长。因此，有必要评估被生长的晶锭30是否包括其中具有合意大小10-30nm的晶体缺陷占主导的过渡区。为此，本实施例采用Magics方法。

利用典型的Magics方法，通过捕捉晶片样本获取的图像由像素的不同颜色来表示。在这种情形下，通过由像素定义的图案来假设生长、切片、蚀刻、和磨光工艺中的哪一道工艺导致了晶片样品的缺陷。如上文所述，典型的Magics方法被简单地用于评估缺陷来源。但是，本申请的申请人已经尝试使用Magics方法以下列方式来检测晶体缺陷的大小。

接着，将参考所附附图描述使用Magics方法评估在从生长出的单晶硅晶锭切割来的晶片样品中包括的晶体缺陷中小于30nm的晶体缺陷是否占主导(也就是说，该晶片样品是否包括过渡区)的方法。

首先，在生长直径为12英寸(300mm)的单晶硅晶锭时，通过沿着垂直于晶锭生长方向的方向切割晶锭来制备晶片样品。

图6a是对晶片样品实施了铜雾方法后晶片样品的平面图，而图6b和图6c示出通过Magics方法捕捉到的晶片样品的图像。图6b和图6c示出黑白图像，尽管由Magics方法获取的图像是由像素的不同颜色来表示的。因此，为了更好的理解，1号像素的颜色用○来表示，2号像素的颜色用☆来表示，而3号像素的颜色用△代来表示。此外，虽然图6b和图6c所示的图像仅示出一些像素(如：1号-3号像素)，但是像素的数目并不限于此，而且可以以可区分的方式示出更多数目的像素。

利用典型的晶体缺陷评估方法(例如，由图6a示范性示出的铜雾法)，晶片样品的VDP区被简单地示出为黑色，而IDP区被简单地示出为白色。这样，铜雾方法不能够评估VDP区和IDP区内中包括的晶体缺陷之中有多少小于30nm的晶体缺陷占主导。也就是说，利用典型的晶体缺陷评估方法，不可能制造包括其中只有小于30nm的晶体缺陷(即：大小为10-19nm的晶体缺陷)占主导的过渡区的硅晶片。

但是，根据本实施例小于30nm的晶体缺陷是否在晶片样品中占主导可以如下所述进行评估。

首先，图6b或图6c示范性示出的具有不同像素颜色(如1号-3号像素)的图像通过用相机(未示出)捕捉晶片样品而被获取。

在这种情形下，本申请的申请人通过检查利用扫描电子显微镜(SEM)得到的图6b或图6c所示的图像，再利用透射电子显微镜(TEM)观察相同的图像来研究基于每一个像素的晶体缺陷的体积。也就是说，申请人从由Magics方法捕捉到的图像发现，可以根据像素种类来评估晶体缺陷的大小。

图7是示出体积和通过Magics方法获取的图像的像素之间的关系的TEM分析图。图中的横坐标代表像素的数目，而纵坐标代表体积。在这里，相关系数(R²)是0.9，相关方程是y＝3427.7x²-4700.4x+23968。

图8示出对应于使用TEM捕捉到的1号像素的晶体缺陷的图像。在这里，[100]、[011]和标记晶格方向。

TEM是能够检测级单位的晶体缺陷的大小和种类的设备，并且可以用于通过图8示范性示出的图像捕捉来评估基于每一个像素的晶体缺陷的大小。此外，通过利用TEM捕捉多个像素可以发现，基于每个像素的缺陷大小是如图7所示相关的。参考图7，应当理解数目更少的像素对应更小大小的晶体缺陷。这意味着，随着像素数目的减少，晶体缺陷的大小减小。此外，参考图8，应当理解，1号像素的晶体缺陷的大小约为10nm-19nm。

相应地，不能在相关领域中作出评估的小于30nm的晶体缺陷的精确大小可以通过由Magics方法捕捉到的图像的像素被检测到。

图9是示出像素直方图的图。图中的横坐标代表像素的数目，纵坐标代表每个像素数目的频率(或密度)。

图9示范性示出的每一个像素数目的直方图是从被捕捉到的晶片样品的图像生成的。然后，可以通过基于该直方图评估每一个像素数目的频率来检查晶片样品中包括的晶体缺陷的大小。

在下文中解释如何制造其中具有对应于1号像素的大小的晶体缺陷占主导的晶片样品。

例如，在图6b所示的晶片样品的图像中，在边缘示出1号-3号像素的颜色○,☆和△，但只在边缘之内的中心示出1号像素的颜色○。图9所示的直方图曲线200是从图6b所示的图像获取来的。在这种情形下，由于1号像素的频率大于临界频率，因此可以确定该硅晶片包括其中具有对应于1号像素的大小的晶体缺陷占主导的过渡区。在这里，基于占主导的缺陷的数目确定临界频率。例如，当占主导的缺陷占上述的k％时，该临界频率是指像素总数目的k％。也就是说，在这种情形下，图6b所示的晶片样品可被接受为包括这样的过渡区的硅晶片：在该过渡区中，因为晶锭30以T(VG)范围内的V/G值生长，所以具有合意大小的晶体缺陷占主导。

当选择T(VG)范围内的减小的V/G值时，可以通过Magics方法获取图6c示范性示出的晶片样品的图像。在这种情形下，硅晶片包括其中IDP区的晶体缺陷占主导的过渡区，并因此被接受。

但是，参考图9所示的直方图曲线202，1号像素的频率小于临界频率，而2号像素的频率大于临界频率。因此，该硅晶片不被接受，因为具有对应于2号像素的大小的晶体缺陷占主导。相应地，当V/G值偏离T(VG)时，可以通过将偏离的V/G值减小ΔV/G以在T(VG)范围内的V/G值生长晶锭30，来制造本实施例所述的硅晶片。

当按图7所示预定基于每一个像素数目的晶体晶格大小，并且预定对应于每一个晶体缺陷大小的V/G值时，可以容易地计算ΔV/G。在图9中，可以通过用对应于2号像素的晶体缺陷大小的V/G值减去对应于1号像素的晶体缺陷大小的V/G值来计算ΔV/G。在这种情形下，当通过调节ΔV/G(202→200)使1号像素的频率变得大于2号像素的频率时，频率分布增加。因此，可以考虑这种频率分布的增加来确定ΔV/G值。

如上文所述，根据本实施例，可通过Magics方法来评估切割的晶片样品内包括的晶体缺陷的大小是否小于30nm(例如，在10-19nm的范围内)。相应地，当用于单晶硅晶锭30的生长的V/G值偏离T(VG)时，有可能将V/G值精确调节到T(VG)。因此，应当承认，根据本实施例的硅晶片仅包括这样的过渡区：在该过渡区中，在VDP区和IDP区中的至少一个区内包括的晶体缺陷中，大小为10-30nm的晶体缺陷占主导。

此外，根据本实施例，当使用Magics方法评估晶片样品中包括的晶体缺陷的大小时，不必对晶片样品进行诸如热处理那样的附加预处理。因此，可以实现对晶片样品的快速评估，使得该评估被立即反馈回晶锭的生长，这可导致减少的生产时间。

在下文中，将参考所附附图描述如上述实施例所述的生长单晶硅晶锭进而用于制造硅晶片的装置和方法。但是，应当承认，也可以使用下文所述的制造单晶硅晶锭的装置和方法来制造一般的硅晶片和本实施例所述的硅晶片。

图10是示出解释根据一个实施例的生长单晶硅晶锭的方法的流程图。

参考图2和图10，计算单晶硅晶锭30的自旋速率(302)。为此，自旋速率计算器92可以使用从提升器40接收到的晶锭30的旋转速度和由传感器90感测到的晶锭30的直径来计算晶锭30的自旋速率。

在步骤302之后，第一比较器94将目标自旋速率(TSR)与由自旋计算器92计算出的自旋速率进行比较，并将比较结果作为自旋速率误差值输出到流速控制器96(304)。

在步骤304之后，流速控制器96根据从第一比较器94接收到的自旋速率误差值，减小在待生长的单晶硅晶锭30的直径被感测到的位置34处的硅熔体20的流速。为此，流速控制器96可以控制提升器40和/或支撑轴驱动单元16以减小流速。也就是说，流速控制器96通过提升器40控制晶锭30的旋转速度，并且通过支撑轴驱动元件16控制坩埚10的旋转速度。当基于自旋速率误差值判断出测量到的自旋速率大于目标自旋速率(TSR)时，流速控制器96减小流速。当直径被感测到的位置34对应于硅熔体20的弯月面时，可以减小硅熔体20的流速以在弯月面上实现稳定的流动。

在步骤306之后，直径传感器90感测到单晶硅晶锭30的直径(308)。

在步骤308之后，第二比较器110将由直径传感器90感测到的直径与目标直径(TD)进行比较，并且将比较结果作为直径误差值输出到提升器40(310)。

在步骤310之后，提升器40根据直径误差值改变待生长的单晶硅晶锭30的提拉速率，并且在旋转晶锭的同时以经改变的提拉速率提拉单晶硅晶锭30(312)。这样，可根据直径误差值调节待生长的单晶硅晶锭30的提拉速率。

图11a和图11b是示出晶锭30的提拉速率(V)变化踪迹的图。图中的横坐标代表时间，纵坐标代表提拉速率V。

图12是示出根据相关领域和本实施例的提拉速率的范围的视图。在这里，P带代表图2所示的小空隙区和O带区之间的边界。

在相关领域中，提升器40根据由直径传感器90感测到的直径控制单晶硅晶锭30的提拉速率。例如，当由直径传感器90感测到的晶锭30的直径大于目标直径(TD)时，提升器增加晶锭30的提拉速率，增加量为实际感测到晶锭30的直径与目标直径的差值。但是，当由直径传感器90感测到的直径小于目标直径(TD)时，提升器40减小晶锭30的提拉速率，减小量为目标直径与实际感测到的直径的差值。在这种情形下，感测到直径的弯月面34处可能因晶锭30生长时生成的节点或因硅熔体20的流速的影响而变得不稳定。如图11a示范性示出的那样，当试图基于在不稳定的弯月面34处实际感测到的直径调节提拉速率时，提拉速率变化宽度322可能极大地偏离T(VG)范围内的目标变化宽度320。在这种情形下，如图12示范性示出的那样，由于P带区(在小空隙区和O带区之间)内的晶体缺陷336和I区或V区内的晶体缺陷334，应当被设置的晶锭30或硅晶片的频率可以增加(见参考附图标记330)。

与相关领域不同，为了解决上述问题，在本实施例中，在通过上述步骤302-步骤306稳定了弯月面34处的硅熔体的流动之后，直径传感器90精确地感测晶锭的直径，并且基于该精确感测的值调节晶锭的提拉速率。相应地，如图11b所示，偏离目标变化宽度320的提拉速率变化宽度324减小。因此，参考图12，待生长的单晶硅晶锭30的提拉速率范围可以从根据相关领域的0.015-0.016mm/min的范围L1大大增加到根据本实施例的0.010-0.030mm/min的范围L2(例如，0.025mm/min)。相应地，如图12示范性示出的那样，在本实施例中，根据晶片样品中的晶体缺陷的频率，应当理解没有因P区和I区(见参考标号332)内的晶体缺陷而应当被设置的晶锭30或硅晶片。这样，基于相同量的硅熔体20，生产率可以增加10％或更大，或者晶锭30的生长速率可以增加10％或更大。

图13是示出解释根据另一个实施例的生长单晶硅晶锭的方法的流程图。

参考图2和图13，第一控制器120确定加热器60的最大热辐射点的位置62(402)。

在步骤402之后，第二控制器130根据所确定的加热器60的最大热辐射点的位置62确定最大高斯平面(MGP)的位置，所确定的位置62接收自第一控制器120(404)。在这里，MGP指由磁场生成器80生成的磁场的水平分量最大的区域。绝缘器70将磁场生成器80与加热器60热隔离。

加热器60可以在垂直方向上呈现均匀的热辐射，并且可以调节其在垂直方向上的热辐射。当加热器60在垂直方向上产生均匀的热辐射时，最大热辐射点位于加热器60的中心上或略高于加热器60的中心。但是，当加热器60的热辐射在垂直方向上可调节时，可以任选地调节最大热辐射点。

在步骤404之后，第二控制器130控制磁场生成器80以向坩埚10施加磁场，从而在被确定的位置上创建MGP(406)。

然后，当最大热辐射点的位置被改变时(408)，根据最大热辐射点的经改变的位置62调节MGP的位置(410)。第一控制器120可以控制加热器60以改变最大热辐射点的位置62。当加热器60被移动时，最大热辐射点的位置62也可以被改变。第二控制器130检查被第一控制器120改变的最大热辐射点的位置62，并且根据经改变的位置调节MGP被创建的位置。

在步骤410之后，第二控制器130控制磁场生成器80以向坩埚10施加磁场，从而在经调节的位置上创建MGP(412)。

在一些实施例中，可以将MGP确定为位于低于最大热辐射点的位置62的位置处。例如，基于硅熔体20的界面，MGP可以位于比最大热辐射点的位置62低20％-40％的位置处。也就是说，假设最大热辐射点的位置62与硅熔体20的界面相隔第一距离D1，则MGP可以位于与硅熔体20的界面相隔第二距离D2的位置处，该第二距离D2比第一距离D1短20％-40％。第二距离D2可以是在50-300mm范围内，如：150mm。

图14a示出基于MGP位置值的IDP区裕度的最大值，而图14b示出基于MGP位置值的IDP区裕度的最大值的70％值。在每个图中，横坐标代表MGP位置值。MGP位置值在硅熔体20的界面处为零，并且在界面以下减小到负值。在图14b中，“参考(REF)”标出与根据本实施例的MGP比较的参考值。

参考图14a和图14b，应当理解MGP可以位于-50～-300mm的范围内，并且当MGP位于-150mm处时IDP区的裕度变得最大。

同时，可以通过调节MGP的位置和最大热辐射点的位置62控制硅熔体20的对流，并且也可以通过由磁场生成器80施加的磁场强度来控制硅熔体20的对流。例如，应当理解由磁场生成器80向坩埚10施加的磁场的强度可以是2000-3400高斯，并且在磁场强度为2800高斯时IDP区的裕度变得最大。

图15a示出基于磁场强度的IDP区裕度的最大值，而图15b示出基于磁场强度的IDP区裕度的最大值的70％值。每个图中的横坐标代表IDP区的裕度，而纵坐标代表以高斯计量的磁场强度。在图15b中，“参考”标出与根据本实施例的高斯值比较的参考值。

参考图15a和图15b，当磁场强度为2800高斯时，IDP区的裕度可以从0.007mm/min增加到0.010-0.030mm/min。例如，IDP区的裕度可以被增大到0.020-0.022mm/min的范围。

IDP区裕度的增加使得形成IDP区的1250～1420℃的温度范围扩大，这使上述硅晶片的制造变得容易得多。

当改变单晶硅晶锭30的自旋速率时，也改变了硅熔体20的界面的凸面、晶锭30生长方向上的温度梯度(G＝Gs+Gm)(在这里，Gs是晶锭的温度梯度，Gm是硅熔体20的温度梯度)、在晶锭30和硅熔体20之间的接触区处晶锭30的径向温度梯度差(ΔG＝Gse-Gsc)(在这里，Gse和Gsc分别是晶锭30较低的边缘处和中心处的温度梯度)、晶锭30内包括的氧浓度、在晶锭30和硅熔体20之间的过冷区的大小及类似参量。例如，硅晶锭30的更大的自旋速率导致硅熔体20的界面的更大凸面、更大的温度梯度G、更小的温度梯度差ΔG、更低的氧浓度，从而使得能够生产高质量的晶锭30，但是使提拉速率控制变得困难。相反，硅晶锭30的更小的自旋速率导致硅熔体20的平坦界面、更小的温度梯度G、更大的温度梯度差ΔG、更高的氧浓度，这可能潜在地导致生产出差劣质量的晶锭30，但是确保容易地控制提拉速率。但是，由于磁场的存在，可以打破这些关系。此外，一般而言，图2所示的硅熔体20可以通过旋转晶锭30而经受沿箭头22所示的方向的对流和通过旋转坩埚10而经受沿箭头24所示的方向的对流。但是，硅熔体20可以经受基于MGP的被隔离的上部和下部的对流。

与相关领域不同，根据上述的本实施例，考虑硅熔体的对流，根据最大热辐射点的位置确定MGP，并通过合适地调节磁场强度控制硅熔体20的对流。因此，有可能对在自旋速率改变时导致的上述问题作出补偿。也就是说，当MGP位于比根据硅熔体20的界面得到的最大热辐射点的位置62低20％-40％的位置处，沿箭头22标出的方向上的对流朝着晶锭30的中心变强，这使得能够获得空位-间隙复合部分，并最终增加IDP区的裕量。

在本实施例中，使用图2示范性示出的装置来生长由包括缺陷大小为10-30nm的晶体缺陷占主导的过渡区的硅晶片或晶锭。但是，图2所示的用于执行上述图10和图13所示的方法的生长装置仅仅是以示例方式提供的，当然，也可以使用自动生长控制器(AGC)(未示出)、自动温度控制器(ATC)(未示出)或类似装置执行每一个步骤。

此外，可以同时使用上述图10和图13所示的生长单晶硅晶锭的方法，或可以单独使用其中的任意方法。此外，为了制造根据本实施例所述的硅晶片，除了使用单晶硅晶锭30的自旋速率之外，也可以使用MGP、磁场强度、最大热辐射点位置、惰性气体(如：氩气那样的冷却气体等)的压强/流速、热屏蔽构件50和硅熔体20之间的间隙、热屏蔽构件50的形状、加热器60的数目和坩埚10的旋转速度。

虽然上文示出和描述了优选实施例，但是仅是以示例方式提供的实施例，本公开不限于上述具体的实施例。因此，对本领域技术人员而言显而易见的是，本文未描述的变型和变化也可以实现，只要不背离实施例的主旨。例如，可以以改进的形式分别使用上文详细描述的实施例的组件。此外，与变型和申请有关的区别应当被解释为被包括在由所附权利要求定义的本发明的范围内。

产业实用性

本实施例可用于生产包括缺陷大小小于30nm的微晶体缺陷的半导体用的高质量单晶硅晶锭和晶片。

Claims (33)

1.一种单晶硅晶锭和晶片，包括过渡区，所述过渡区具有在空位主导非缺陷区和间隙主导非缺陷区中的至少一个区中包括的晶体缺陷之中的大小为10-30nm的主导晶体缺陷。

2.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述大小为10-30nm的晶体缺陷构成所述过渡区内包括的所有晶体缺陷的50％以上。

3.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述大小为10-30nm的晶体缺陷构成所述过渡区内包括的所有晶体缺陷的70％或以上。

4.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述过渡区不包括环形氧化物导致的堆垛层错。

5.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，用切克劳斯基方法制造所述单晶硅晶锭和晶片。

6.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述过渡区内包括的所述晶体缺陷的大小为10-19nm。

7.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，在所述单晶硅晶锭和晶片中，所述间隙主导非缺陷区占整个过渡区的100x％(在这里，0≤x≤1)，所述空位主导非缺陷区占整个过渡区的100(1-x)％。

8.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，基于所述单晶硅晶锭和晶片的直径，所述间隙主导非缺陷区占整个过渡区的70％或更多。

9.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，基于所述单晶硅晶锭和晶片的直径，所述空位主导非缺陷区占整个过渡区的30％或更少。

10.如权利要求1所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述过渡区的所述空位主导非缺陷区位于所述单晶硅晶锭和晶片的边缘，而所述过渡区的所述间隙主导非缺陷区位于所述边缘之内所述单晶硅晶锭和晶片的中心处。

11.如权利要求1-10中任意一项所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，所述过渡区内包括的所述晶体缺陷的大小可以通过Magics方法检测。

12.如权利要求11所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，在不对所述单晶硅晶锭和晶片进行热处理的状态下，所述过渡区内包括的所述晶体缺陷的大小可以通过Magics方法检测。

13.如权利要求11所述的单晶硅晶锭和晶片，其特征在于，大小为10-19nm的所述晶体缺陷出现在通过所述Magics方法捕捉到的图像的1号像素中。

14.一种生长单晶硅晶锭的装置，所述装置包括：

配置成在其内接收硅熔体的坩埚；

安装在所述坩埚周围以向所述坩埚施加热的加热器；和

配置成向所述坩埚施加磁场，以便在由根据所述加热器的最大热辐射点的位置确定的位置处创建最大磁平面(MGP)的磁场生成器。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，进一步包括：

配置成控制所述加热器以改变所述最大热辐射点的位置的第一控制器；和

配置成控制所述磁场生成器以在根据所述经改变的最大热辐射点的位置而调节的位置处创建所述MGP的第二控制器。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述加热器配置成调节垂直方向上的热辐射量。

17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述MGP位于低于所述最大热辐射点的位置的位置处。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，基于所述硅熔体的界面，所述MGP位于比所述最大热辐射点的位置低20％-40％的位置处。

19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述MGP位于比所述硅熔体的界面低50-300mm的位置处。

20.如权利要求14所述的装置，其特征在于，待生长的所述单晶硅晶锭的目标提拉速率范围是0.010-0.030mm/min。

21.一种由生长单晶硅晶锭的装置执行的生长单晶硅晶锭的方法，所述装置包括配置成在其内接收硅熔体的坩埚、围绕所述坩埚安装以向所述坩埚施加热的加热器和配置成向所述坩埚施加磁场的磁场生成器，所述方法包括：

确定所述加热器的最大热辐射点的位置；

根据所确定的最大热辐射点的位置，确定最大磁平面(MGP)的位置；和

向所述坩埚施加所述磁场以在所确定的位置创建MGP。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括：

当所述最大热辐射点的位置被改变时，根据所述经改变的最大热辐射点的位置调节所述MGP的位置；和

通过向所述坩埚施加所述磁场来在所述经调节的位置处创建所述MGP。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述坩埚施加所述磁场以在低于所述最大热辐射点的位置处创建所述MGP。

24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述坩埚施加所述磁场，以基于所述硅熔体的界面，在比所述最大热辐射点的位置低20％-40％的位置处创建所述MGP。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述坩埚施加所述磁场以在比所述硅熔体的界面位置低50-300mm的位置处创建所述MGP。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，待生长的所述单晶硅晶锭的目标提拉速率范围是0.010-0.030mm/min。

27.一种生长单晶硅晶锭的装置，所述装置包括：

配置成在其内接收硅熔体以生长单晶硅晶锭的坩埚；

配置成向所述坩埚施加热以使所述坩埚中的硅熔化的加热器；

配置成在旋转所述单晶硅晶锭的同时提拉所述单晶硅晶锭的提升器；

配置成计算所述单晶硅晶锭的自旋速率的自旋速率计算器；

配置成将所述计算出的自旋速率与目标自旋速率进行比较并将所述比较结果作为自旋速率误差值输出的第一比较器；

配置成根据所述自旋速率误差值在所述单晶硅晶锭的直径被感测到的位置处调节所述硅熔体的流速的流速控制器；

配置成感测所述单晶硅晶锭的所述直径的直径传感器。

28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，进一步包括配置成将所感测到的直径与目标直径进行比较并将所述比较结果作为直径误差值输出的第二比较器，

其中，所述提升器在转动所述单晶硅晶锭的同时，以根据所述直径误差值改变的提拉速率提拉所述单晶硅晶锭。

29.一种由生长单晶硅晶锭的装置执行的生长单晶硅晶锭的方法，所述装置包括：配置成在其内接收硅熔体以生长单晶硅晶锭的坩埚、配置成向所述坩埚施加热以使所述坩埚中的硅熔化的加热器和配置成在旋转所述单晶硅晶锭的同时提拉所述单晶硅晶锭的提升器，所述方法包括：

测量所述单晶硅晶锭的自旋速率；

通过将所测量到的自旋速率与目标速率进行比较来确定自旋速率误差值；

根据所述自旋速率误差值在所述单晶硅晶锭的直径被感测到的位置处调节所述硅熔体的流速；

感测所述单晶硅晶锭的所述直径。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，进一步包括：

通过将所感测到的直径与目标直径进行比较来确定直径误差值；和

根据所述直径误差值，改变待生长的所述单晶硅晶锭的提拉速率。

31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述调节包括当所测量到的自旋速率大于所述目标自旋速率时减小所述流速。

32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，所述直径被感测到的位置对应于所述硅熔体的弯月面，

其中，通过减小所述硅熔体的流速来稳定所述弯月面处的所述硅熔体的流动。

33.如权利要求29所述的方法，其特征在于，待生长的所述单晶硅晶锭的提拉速率的范围是0.020-0.030mm/min。