CN111101195A - 一种单晶硅晶棒的长晶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单晶硅晶棒的长晶方法，所述长晶方法依次包括放肩阶段和等径阶段，其中，通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩段的高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡。本发明提供的单晶硅晶棒的长晶方法能够避免晶棒的无谓浪费，从而提高了生产效率。

Description

一种单晶硅晶棒的长晶方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种单晶硅晶棒的长晶方法。
背景技术
随着科技的发展、新电子产品的不断出现，对大直径单晶硅的需求量增长迅速。单晶硅晶体的生长方法主要包括直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法用于生长单晶硅棒材，外延法用于生长单晶硅薄膜。其中，直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池等，是目前最常见的单晶硅生长方法。
直拉法制备单晶硅，即在长晶炉中，使籽晶浸入容置于坩埚的硅熔体中，在转动籽晶及坩埚的同时提拉籽晶，以在籽晶下端依次进行引晶、放肩、转肩、等径及收尾，获得单晶硅晶棒。在上述过程中，实现无结晶缺陷的长晶比较困难，无法达到制造正片的质量要求的晶棒无法投入使用，因而会造成浪费，提高了生产成本。
因此，有必要提出一种单晶硅晶棒的长晶方法，以解决上述问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
针对现有技术的不足，本发明提供一种单晶硅晶棒的长晶方法，所述长晶方法依次包括放肩阶段和等径阶段，其中，通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩段的高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡。
示例性地，所述放肩段的高度不小于所述单晶硅晶棒等径段直径的1/3。
示例性地，所述放肩速度为提拉速度。
示例性地，所述温度为加热器温度。
示例性地，在所述放肩阶段同时调整所述放肩速度和所述温度，并实时控制所述放肩段的直径变化，直到所述放肩段的直径达到等径段的直径。
示例性地，所述放肩速度范围为0.35mm/min-1.5mm/min。
示例性地，在所述放肩阶段之前还包括引晶阶段，在所述等径阶段之后还包括收尾阶段。
示例性地，所述长晶方法为直拉法。
本发明提供的单晶硅晶棒的长晶方法能够避免晶棒的无谓浪费，从而提高了生产效率。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1示出了现有的单晶硅晶棒的长晶方法所获得的单晶硅晶棒的示意图。
图2示出了本发明一实施例所提供的单晶硅晶棒的长晶方法所获得的单晶硅晶棒的示意图。
图3示出了本发明一实施例所提供的单晶硅晶棒的单晶硅晶棒的长晶方法所使用的长晶炉的示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
在利用直拉法制备大尺寸硅单晶的过程中，需要提高材料的利用率并保证晶体直径达到要求，最前沿的半导体技术要求晶体生长时不能有例如COP(Crystal OriginatedParticle，晶体原生颗粒)或LDL(Large Dislocation Loop，大位错环)的缺陷，因此必须对长晶速率进行精密控制，速率过快容易产生COP缺陷，速率过慢容易产生LDL缺陷。
目前单晶硅晶棒的制备方法主要为直拉法(Czochralski method)，其主要工艺步骤包括引晶、放肩、等径、收尾几个阶段。在生长初期，单晶硅晶棒生长的固液界面处存在两种散热方式。其中，界面外缘(靠近长晶炉内壁的一侧)主要为辐射散热，界面中心主要为热传导散热。由于放肩生长步骤中形成的肩部的高度较小，使得肩部顶端距离高温硅熔体较近，这就使生长界面中心与肩部的温差较小，沿直拉方向的轴向温度梯度较低，从而不利于生长界面中心沿肩部进行的热传导散热，造成界面中心的散热速率远小于界面外缘的散热速率，使晶体生长界面呈向下凹陷(即向硅熔体一侧凹陷)，如图1所示。这种凹陷界面会造成单晶硅晶棒的外缘生长速度高于中心生长速度，从而诱发应力缺陷，进而破坏单晶硅晶棒的晶体结构。
目前，出于经济成本(如用电量，用时长度等)的考量，一般采用的是比较急速的放肩。其结果是凹陷的固液界面从放肩段延伸至等径段之中，这段非平坦界面的等径段晶棒无法达到制造正片的质量要求，因此不得不放弃等径形成后的一段晶棒，造成浪费。以现有的成本观念来考量，能改良的余地非常小。
针对上述问题，本发明提供一种单晶硅晶棒的长晶方法，所述长晶方法依次包括放肩阶段和等径阶段，其中，通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩段的高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡。本发明提供的单晶硅晶棒的长晶方法能够避免晶棒的无谓浪费，从而提高了生产效率。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构及/或步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。[示例性实施例]
下面将参照图2以及图3，对本发明一实施方式的单晶硅晶棒的长晶方法做详细描述。
如图2所示，本发明提供的长晶方法依次包括放肩阶段和等径阶段，其中，通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡。根据本发明提供的方法，通过增加放肩段的高度，将固液界面凹陷的部分全部调整在等径段形成之前，从而避免了晶棒的无谓浪费，提高了生产效率。
具体地，首先提供长晶炉，并在所述长晶炉中将硅料加热熔化为硅熔体。
如图3所示，所述长晶炉用于采用直拉法生长硅单晶，包括炉体301，炉体301中设有加热装置和提拉装置。加热装置包括石英坩埚302、石墨坩埚303、加热器304。其中，石英坩埚302用于盛放硅料，例如多晶硅。硅料在其中被加热为硅熔体305。石墨坩埚303包裹在石英坩埚302的外侧，用于在加热过程中对石英坩埚302提供支撑，加热器304设置在石墨坩埚303的外侧。石英坩埚302上方设置有热屏306，所述热屏306具有下伸的环绕硅单晶307生长区域的倒锥形屏状物，可阻断加热器304和高温硅熔体305对生长的单晶硅晶棒307的直接热辐射，降低单晶硅晶棒307的温度。同时，热屏还能够使下吹的氩气集中直接喷到生长界面附近，进一步增强单晶硅晶棒307的散热。炉体301侧壁上还设有保温材料，例如碳毡。
提拉装置包括竖直设置的籽晶轴308和坩埚轴309，籽晶轴308设置在石英坩埚302的上方，坩埚轴309设置在石墨坩埚303的底部，籽晶轴308的底部通过夹具安装有籽晶，其顶部连接籽晶轴驱动装置，使其能够一边旋转一边向上缓慢提拉。坩埚轴309的底部设有坩埚轴驱动装置，使坩埚轴309能够带动坩埚进行旋转。
在进行单晶生长时，首先在石英坩埚302中投放硅料，接着关闭长晶炉并抽真空，在长晶炉中充入保护气体。示例性地，所述保护气体为氩气，其纯度为99.99％以上，压力为0.05Mpa，流量为70L/min。然后，打开加热器304，加热至熔化温度1420℃以上，使硅料在20min内全部熔化为硅熔体305。
接着，将籽晶浸入硅熔体305中，通过籽晶轴308带动籽晶旋转并缓慢提拉，以使硅原子沿籽晶生长为单晶硅晶棒307。所述生长过程依次包括引晶、放肩、转肩、等径及收尾几个阶段。
具体地，首先进行引晶阶段。即当硅熔体305稳定到一定温度后，将籽晶浸入硅熔体中，将籽晶以一定的拉速进行提升，使硅原子沿籽晶生长为一定直径的细颈，直至细颈达到预定长度。示例性地，所述拉速范围为1.5mm/min-2.5mm/min，细颈长度为晶棒直径的1.2-1.4倍，细颈直径范围为5mm-7mm。
当细颈达到预定长度之后，进入放肩阶段，该阶段所形成的锥形晶棒为晶棒的放肩段。在放肩阶段中，逐渐降低温度和拉晶速率，使晶棒直径逐渐增大，同时通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩段的高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡，其中，所述向下凹陷指固液界面向硅熔体一侧凹陷。其中，所述放肩速度为提拉速度。具体地，在长晶过程，晶棒的运动包含沿晶棒轴向的提拉及晶棒绕自身轴线的转动，所述放肩速度指晶棒轴向的提拉速度。所述温度为加热器温度，即通过控制加热器304的温度来增加放肩段的高度。在一个实施例中，放肩高度的调整是通过同时进行温度控制和放肩速度控制来实现的。示例性地，所述放肩速度范围为0.35mm/min-1.5mm/min。
在一个较佳的实施例中，放肩段的高度是等径段直径的1/3以上。使用X射线对晶片进行表征分析可知，当放肩段的高度大于或等于等径段直径的1/3时，可以确保固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡，从而使等径段具有平坦的固液界面，从而减少了晶体缺陷的产生，避免了等径段的无谓浪费。同时，采用较低速度进行放肩还能够避免高速放肩所造成的晶体缺陷。
在一个实施例中，所述放肩阶段同时调整所述放肩速度和所述温度，并实时控制所述放肩段的直径变化，直到所述放肩段的直径达到等径段的直径。具体地，晶体生长的过程中，在单晶硅晶棒307与硅熔体305的固液界面处由于潜热的释放而产生亮环。可利用图像采集装置(如，CCD相机)采集长晶炉内单晶硅晶棒307与硅熔体305的三相交界处的亮环图像，然后利用计算机对图像进行处理，得出单晶硅晶棒307的直径并反馈回控制***对长晶进行控制。作为示例，根据CCD相机获取的图像信号获取单晶硅晶棒307的直径的方法包括：图像处理程序提取固液界面处的亮环以获取晶体轮廓；将晶体轮廓进行拟合，获得椭圆边界；将椭圆边界校正成圆形边界；在圆形边界上任取三个像素点，分别将其坐标值代入圆坐标公式中、组成方程式并求解，即可计算得出圆心坐标和晶体的直径大小。
当单晶硅晶棒直径达到预定值以后，进入等径阶段，该阶段所形成的圆柱形晶棒为晶棒的等径段。具体地，调整坩埚温度、拉速、坩埚转速和晶体转速，稳定生长速率，使晶体直径保持不变，一直到拉晶完毕。由于在所述放肩阶段已完成了固液界面从向下凹陷到平坦的过渡，因而等径阶段的固液界面平坦，避免了凹陷界面诱发的应力缺陷，减少了COP缺陷和LDL缺陷的产生，从而避免了等径段晶棒的无谓浪费。
最后，进入收尾阶段。收尾时，加快提升速率，同时升高硅熔体305的温度，使晶棒直径逐渐变小，形成一个圆锥形，最终离开液面。将完成收尾的晶棒升至上炉室冷却一段时间后取出，即完成一次生长周期。
至此，完成了本发明实施例的单晶硅晶棒的长晶方法的相关步骤的介绍。可以理解的是，本实施例的单晶硅晶棒的长晶方法不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，其都包括在本实施例长晶方法的范围内。
本发明提供的单晶硅晶棒的长晶方法能够避免晶棒的无谓浪费，从而提高了生产效率。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种单晶硅晶棒的长晶方法，其特征在于，所述长晶方法依次包括放肩阶段和等径阶段，其中，通过控制所述放肩阶段的放肩速度和/或温度来增加放肩段的高度，以使固液界面在所述放肩阶段完成从向下凹陷到平坦的过渡。
2.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，所述放肩段的高度不小于所述单晶硅晶棒等径段直径的1/3。
3.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，所述放肩速度为提拉速度。
4.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，所述温度为加热器温度。
5.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，在所述放肩阶段同时调整所述放肩速度和所述温度，并实时控制所述放肩段的直径变化，直到所述放肩段的直径达到等径段的直径。
6.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，所述放肩速度范围为0.35mm/min-1.5mm/min。
7.根据权利要求1所述的长晶方法，其特征在于，在所述放肩阶段之前还包括引晶阶段，在所述等径阶段之后还包括收尾阶段。
8.根据权利要求1-7之一所述的长晶方法，其特征在于，所述长晶方法为直拉法。
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