CN1508299A - 硅单晶及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单晶，其超过总锭长度10％的锭长度具有均匀缺陷图及狭窄的径向掺杂剂及氧变化，以及一种用以制造该硅晶片的方法。该依照Czochralski法的方法包括，于固化界面区域内的熔化物中形成偏离转动对称的温度分布。
Description
技术领域
本发明涉及硅单晶及制造该硅单晶的方法，其中所述单晶是利用Czochralski法自熔化物抽拉而成的。Czochralski法已公知且用于工业规模制造半导体晶片，该晶片进而成为制作电子元件的原料。
背景技术
众所周知，制造直径200毫米或以上的单晶时需要特别要求，尤其因特意设定径向晶体性能在狭窄可能范围内会有相当大困难。外来异物或掺杂剂及晶体缺失或其附聚体的浓度尤其这样。径向晶体性能主要决定于固化界面处的热条件及出现于该处的异物浓度。热源是所使用的加热器及固化过程中所释出的结晶热。例如，在直径为300毫米及拉晶速率为0.4毫米/分钟的单晶中，后者在固化界面处另外释放出约2千瓦的热量。除直接辐射能及热传导之外，由熔化物流体传送的热量也非常重要。固化界面区内热的消失主要决定于辐射出来的热量及单晶内传导热的消失。所以，借助于拉晶设备的结构，即热传导零件及热屏蔽的几何形状配置，并借助于另外热源，可调节总热平衡。但，加工条件如生长速率、压力、数量、经由拉晶设备的清洗气体的类型及引导也对热平衡具有重大影响。例如，增加清洗气体的压力或量可达成温度的减低。较高的拉晶速率增加所产生的结晶热。
调节传热熔化物流体通常证明是困难的，因为预先实施完全理论计算极为繁复。熔化物流体与坩埚及单晶的转动量及转动方向有关。例如，同向转动所形成的对流方式与反向转动所形成者完全不同。通常优选反向转动，可相对导致富氧物质较少，而且单晶拉成长度部分更加稳定。来自所施加磁场的力的作用也可影响熔化物流体。静磁场是用以达成减缓的目的，而动磁场可特意地改变及增加熔化物流体的大小及方向。
单晶固化区内的径向温度分布主要决定于边缘处辐射出来的热。所以，单晶边缘处的温度降远超过其中心处。轴向温度降通常以G表示(轴向温度梯度)。其径向变化G(r)是决定晶体固有点缺陷分布及由此引起的其他晶体特性的极重要因素。由热平衡所造成温度梯度G的径向变化通常是由数值模拟计算决定的。为达成此目的，为检查计算工作，采用经由整个晶体的轴向纵剖面并通过适当制备方法可观察到固化界面的径向分布图。通常发现的固化界面向上的弯度极大。弯度愈小则说明温度梯度愈均匀。温度梯度的径向变化可更精确地衍生自不同生长速率情况下径向晶体缺陷分布的性状。
关于晶体缺陷的形成，比值v/G(r)最为重要，G(r)作为单晶内径向位置的函数，代表单晶固化界面处的轴向温度梯度，v代表自熔化物抽拉单晶的速率。若比例v/G超过临界值k1，普遍产生空位缺陷，其可聚集且可确定为例如结晶起因微粒(COP)。视检测方法而定，结晶起因微粒有时也称作光点缺陷(LPD)或LLS。由于v/G通常呈递减径向分布，所以COP在单晶的中心位置最普遍。它们的直径通常约为100纳米且在元件制作过程中可引起问题。COP的大小及数目是由起始浓度、冷却速率及聚集过程中外来异物的存在决定的。例如，氮的存在，引起大小分布朝向具有较大缺陷密度的较小COP改变。
若比例v/G低于临界值k2(该值低于k1)，主要的硅固有点缺陷则以晶格间原子(硅自身间隙)的形式出现，其可同样地形成附聚体且由其自身显现出宏观规模的位错环。由于其外观，这些常称作A旋涡，或较小型称作B漩涡，或简称Lpit(大型蚀刻凹痕)缺陷。就其大小而言，LPit是在超过10微米的范围。通常，即使外延层也不再能毫无瑕疵地遮盖这些缺陷。因此，这些缺陷可负面影响元件的产率。
既不发生空位聚集也不发生晶格间原子聚集的范围，也即v/G介于K1及K2之间的范围，广义上称作中立区或完美区。然而，仍自由的、未聚集空位所占的范围及晶格间原子所界定的区域则作进一步区别。空位范围，也称v区域(空位)是基于一项事实加以区别：若单晶内的氧含量够高，该处将形成氧感应的堆垛层错，而i-范围(晶格间原子)则保持完全无裂痕。所以，狭义上，仅i-区域事实上是完美晶体区域。
直径超过70纳米的大型氧沉淀物可作为氧感应堆垛层错(OSF)看得出来。为此目的，借助于一种称作湿氧化的特别热处理可制备自单晶切割的半导体晶片。晶体生长过程中所形成的氧沉淀物，有时称作长成的体积微细缺陷(BMD)的尺寸成长，是由硅结晶格内的空位促成。所以仅在v-范围内发现OSF。
若生长条件是经成功地加以适当设定，使得缺陷函数v/G(r)的径向分布位于COP或Lpit的临界界限内，单体晶片变成实质上无缺陷。但这不易达成，尤其抽拉的单晶的直径相对甚大时，因为G值与直径有密切关系。在此情况下，由于热辐射的损失，晶体边缘的温度梯度远高于中心部位。
缺陷函数v/G(r)或温度梯度G(r)的径向分布导致自单晶切割的半导体晶片上可能出现多个缺陷区域。COP优选发生在中心部位。固化界面区域内单晶的冷却速率导致聚集空位的尺寸分布。利用高冷却速率或用氮掺杂熔化物可特意地改变COP的尺寸分布：由小量大型COP成为大量小型、低破坏性COP。由于硅空位与氧沉淀的相互作用，COP区与氧感应堆垛层错环(OSF)相邻。随后在外侧有一完全无缺陷区域，该区域再与包括硅晶格间原子附聚体的晶体缺陷区域(LPIT)为界。在单晶的边缘处，晶格间原子随热条件而向外扩散，因此，在该处可再度形成厘米范围内的无缺陷环。
Eidenzon/Puzanov在“Inorganic Materials”第33卷，第3期，1977，第219至255页曾指出制造无缺陷材料的可能方法。在此情况下已参考在聚集温度范围内所需的冷却速率、掺杂氮所造成的影响及例如变换生长速率的方法。例如，在专利文献EP 866150 B1或US 6,153,008曾发表：于固化界面区域利用钝性或活性热屏蔽可沿晶体直径将v/G(r)均匀化至某种程度。然而，对大型单晶而言，利用这些方法均匀化温度梯度更加困难。
就目前所获知识而论，尤其对于晶体直径200毫米及以上，需要寻求设定所需生长条件的新颖经济方法，以便获得客户所需缺陷分布。仅含COP、尤其具有预定尺寸及密度分布的半导体晶片，以及不具有任何点缺陷附聚体的半导体晶片，在此情况下特别有利。然而，具有两种或仅具有一种点缺陷的、且具有堆垛层错环的半导体晶片(环晶片)，客户也可加以规定。其要求是尤其生长条件须加以适当设定，使得尽可能多具有特定缺陷特性的半导体晶片可自单晶分出来。
固化界面处轴向温度梯度的径向分布G(r)及生长速率v的目标控制，不仅可设定单晶内的特定缺陷分布，而且由于单晶内掺合氧及掺杂剂同样地与生长极限有密切关系，温度梯度的目标控制也可减低掺杂剂及氧分布的径向变化。
控制此种情形的一种可能方法是抽拉单晶时使用磁场，因磁场可用于影响熔化物内的流动条件，并因此影响温度平衡，尤其在固化界面区域。对静磁场(水平、垂直及CUSP磁场)、单相或多相交替磁场、转动磁场及移动磁场的使用曾有过说明。例如，依据专利申请EP1225255 A1及US 2002/0092461 A1，曾使用移动磁场以控制单晶内的氧掺合作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可容许内部缺陷及外来异物如氧及掺杂剂沿轴向浓度设定在狭窄范围内的目标模式中的改良方法。
本发明涉及一种用以制造单晶的方法，该方法是使用Czochralski法，自转动坩埚内的熔化物抽拉单晶，其中于固化界面区域内熔化物中形成偏离转动对称的温度分布。
在常规Czochralski法中，保持对称物理条件，即在晶体的抽拉过程中熔化物流体及温度分布均遵守转动对称配置。
以下所述方法的发明人曾发现，熔化物内温度场转动对称的破坏、尤其在固化界面区内的破坏，可影响轴向温度梯度G(r)及氧及掺杂剂的浓度沿晶体直径更加均匀。例如，该影响表明，与使用转动对称温度场时相较，固化界面的曲率大幅减小。
依照本发明，利用此项事实制造单晶，该单晶沿径向的缺陷、氧及掺杂剂的浓度是在狭窄的公差范围内，可考虑v/G(r)关系来特意设定该浓度。
所以，本发明还涉及一种单晶，该单晶超过总锭长度10％的锭长度具有均匀的缺陷图案及狭窄的径向掺杂剂及氧变化。特别优选的实施方案是：超过总锭长度10％的锭长度、在超过60％的横截面上无聚集的固有点缺陷的单晶，或超过总锭长度10％的锭长度仅包含聚集的空位的单晶，及超过总锭长度10％的锭长度仅包含聚集的晶格间原子的单晶。再者，单晶优选直径最低为200毫米，而且优选超过总长度10％的锭长度具有的径向掺杂剂变化低于10％、及超过总锭长度10％的锭长度具有的径向氧变化低于10％。
依照本发明的特别优选实施方案，部分屏蔽施加于熔化物的磁场、优选移动磁场，使得相对于坩埚转动轴的场力线的转动对称受到破坏。尤其所用屏蔽体的形状及材料、磁场的波辐及频率以及坩埚的转动对固化界面区域内温度分布具有影响。
置于电磁线圈内侧的金属材料如厚度为1厘米或数厘米的铜板，可用作磁屏蔽。动磁场的穿透深度则视所用频率而定。所以，所用的频率为10赫兹至约1000赫兹。若使用附有矩形铜板部分屏蔽的移动磁场，30赫兹区内的频率特别适当。磁场的强度也可决定其效果。若磁场线圈高达50圈，用以产生交替场的电流强度优选为500安培。高坩埚转动速率、尤其每分钟3转及更高，降低了磁场的影响，即对熔化物流体的预期非转动或对称的影响则大幅降低。总是容纳在坩埚内的熔化物量也应考虑，因为随该数量的变化可形成不同的熔化物流体模式。所需条件，即磁场的比例、屏蔽及拉晶工艺参数如坩埚转动，总是通过实验及通过模拟计算估计而加以详细测定。
依照本发明的另一实施方案，单晶是以轴外的方式抽拉，换言之，抽拉单晶时单晶与坩埚的转动轴并不一致，导致类似的有利结果，尤其有关外来异物或掺杂剂的浓度轴向变化的减少。然而，在此实施方案内，拉晶加工中可控制干扰的可能受到限制。在个别试验中，尤其氧含量的径向变化可改进高达百分之一。
附图说明
参照附图将本发明加以说明如下。
图1所示是常规拉晶方法。
图2所示是依照本发明方法第二实施方案的轴外拉晶配置，用于比较。
图3所示是现有技术中典型的转动对称配置，其中使用移动磁场。
图4内所示的配置与后者的不同处在于其具有破坏转动对称条件的另一磁屏蔽。
图5所示是附有两个分开磁场的优选配置。
图6至图10所示是可说明本发明的有利效果的测量及模拟计算的结果。
具体实施方式
图1所示是常规拉晶法。其所示为单晶1、固化界面2、坩埚、熔化物流体3及坩埚加热装置4的的配置。相反，图2所示是依照本发明方法第二实施方案的轴外拉晶的配置，由坩埚转动轴5及晶体转动轴6的不同位置可以显示出。两转动轴间的距离超过一厘米可导致固化界面处不再呈转动对称的明显变化条件。
下列诸图对本发明的说明是基于施加转动磁场的实例。总是以图示方式显示的熔化物流体由所附模拟计算求得。图3所示是现有技术典型的转动对称配置，其由于磁力而作用在熔化物流体上，利用移动磁场(也称作TMF)，该转动对称配置包括单晶1、固化界面2及加热器4。由磁场线圈8产生且以磁场磁力线7表示的移动磁场的效果是由其所造成的熔化物流体3显现出来。图3所示的配置具有沿轴向自坩埚抽拉的单晶1、坩埚加热器4及与单晶呈同心定位的磁装置8及坩埚，该配置产生常规使用的熔化物流体3，并且是典型的现有技术所述方法。图示的磁力线圈8具有高达50圈，并且以直径超过500毫米的线圈可传送高达500安培的电流。
图4所示是实施本方法优选实施方案的配置，因此与图3所示配置相比，另外包含破坏转动对称条件的磁力屏蔽9。例如，建立完全改变的热传递熔化物流体3，导致固化界面2的大幅平展并使温度梯度G(r)可沿径向加以均匀化。所用金属屏蔽引起作用于熔化物及单晶上的轴动对称丧失，形成非对称移动磁场(ATMF)，该非对称移动磁场产生偏离转动对称的熔化物流体3。模拟计算说明，总屏蔽高达2/3的面对单晶的磁场线圈面积且是与转动轴对称配置的两个或多个屏蔽，产生甚至更多有利的熔化物流体，以便得到固化界面处温度梯度G(r)的最佳均匀化。图5所示是特别优选的实施方案，其中具有两个配置在产生磁场的装置8与坩埚之间的分离的磁场9及10。
实施例
通过与常规配置比较，以下利用实施例将本发明配置的效果加以更详细说明。
图6所示是在常规条件下，利用对应于图3所示配置的转动对称移动磁场所拉单晶片的轴向纵剖面。如纵剖面所示，由寿命测量结果(μPCD)可非常清晰地看出固化界面极为弯曲的径向分布图。为作比较，图7所示是可清晰显示部分屏蔽移动磁场效果的寿命测量结果。在制造晶体过程中，使用图4所示的具有非对称移动磁场(ATMF)的配置，其他拉晶条件相同。与图6相比较，经由单晶的纵剖面上所测量的寿命具有大幅减小的固化界面曲率。如强化曲线12所清晰显示的较平展的固化界面可推断，在固化界面区域内的轴向温度梯度G(r)更均匀。
图8概括多个寿命测量结果，以便比较图3及图4分别所示对称移动磁场(TMF)及非对称移动磁场(ATM)固化界面的不同曲率分布。
以试验结果为基准，利用模拟计算估计图9所示轴向温度梯度的径向分布。与较平展的固化界面作类比，可预期到温度梯度及由此的v/G(r)的均匀化。该较平展的固化界面也可在外来物质、尤其氧浓度的径向分布内感觉到其出现。图10内所示在对称移动磁场(TMF)及非对称移动磁场(ATMF)情况下所拉单晶内径向氧变化的统计比较则显示：使用本发明配置时，沿单晶直径方向，氧的掺合作用更加均匀。
Claims (20)
1、一种单晶，其超过总锭长度10％的锭长度具有均匀缺陷图及狭窄的径向掺杂剂及氧变化。
2、如权利要求1的单晶，其超过总锭长度10％的锭长度在60％或以上的横截面上不具有附聚的固有及产生的点缺陷。
3、如权利要求1的单晶，其超过总锭长度10％的锭长度仅包括聚集的空穴。
4、如权利要求1的单晶，其超过总锭长度10％的锭长度仅包括聚集的晶格间原子。
5、如权利要求1-4之一的单晶，其超过总锭长度10％的锭长度具有低于10％的径向掺杂剂变化。
6、如权利要求1-5之一的单晶，其超过总锭长度10％的锭长度具有低于10％的径向氧变化。
7、如权利要求1-6之一的单晶，其直径至少为200毫米。
8、一种由权利要求1-7之一的单晶制得的硅半导体晶片。
9、一种利用Czochralski法由转动坩埚内的熔化物抽拉单晶来制造硅单晶的方法，其中于固化界面区域内的熔化物中产生偏离转动对称的温度分布。
10、如权利要求9的方法，其中通过施加部分屏蔽的移动磁场来影响温度分布的不对称。
11、如权利要求10的方法，其中部分屏蔽的移动磁场用于控制熔化物流体，使轴向温度梯度沿晶体直径更均匀。
12、如权利要求10或11的方法，其中通过移动磁场的幅度来影响温度分布的不对称。
13、如权利要求10-12之一的方法，其中通过移动磁场的频率来影响温度分布的不对称。
14、如权利要求10-13之一的方法，其中通过屏蔽的形状及材料特性来影响温度分布的不对称。
15、如权利要求9-14之一的方法，其中通过坩埚的转动来影响温度分布的不对称。
16、如权利要求9-15之一的方法，其中通过单晶的轴外抽拉来影响温度分布的不对称。
17、如权利要求16的方法，其中单晶的轴外抽拉使轴向温度梯度沿晶体直径更加均匀。
18、如权利要求9-17之一的方法，其中减小固化界面的曲率。
19、如权利要求9-18之一的方法，其中于固化界面处使轴向温度梯度更均匀。
20、一种利用Czochralski法抽拉硅单晶的装置，其包括容纳熔化物的坩埚、配置在坩埚周围的加热器及产生移动磁场的磁装置，其特征在于具有一个屏蔽或多个部分屏蔽以消除所述磁装置所产生磁场的转动对称。
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