CN1904147B - 高质量硅单晶的生长方法和装置、硅单晶结晶块及硅晶片 - Google Patents

高质量硅单晶的生长方法和装置、硅单晶结晶块及硅晶片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用柴氏长晶法、以高生产率生产高质量硅单晶结晶块的技术。本发明的技术能控制氧溶出区域处的磁场强度，使其不同于固-液界面区域处的磁场强度，从而将氧含量控制为所需值。

Description

高质量硅单晶的生长方法和装置、硅单晶结晶块及硅晶片
技术领域
本发明涉及一种具有所需氧含量的高质量硅(Si)单晶结晶块，具体涉及这样一种高质量硅单晶结晶块和晶片及它们的生长方法和装置，其中，在用柴氏长晶法(Czochralski method)生长硅单晶结晶块期间，独立地控制硅熔体的温度分布和氧含量分布，以便生产出已控制了生长缺陷且氧含量符合客户需要的高质量硅单晶结晶块和晶片。
背景技术
在现有技术中众所周知的是，为了生长出可以提高半导体器件成品率的高质量硅单晶结晶块，主要是对结晶后的单晶结晶块的高温分布进行温度控制。这样做的目的是为了控制结晶后冷却时所引起的收缩应力等，或者在凝固过程中形成点缺陷的行为。
同时，为了满足客户所要求的各种氧含量规格(适于半导体器件)，投入了额外的资本。例如，调节压强、氩(Ar)流速等工艺参数，改变热区域，引入水平强磁场等。
根据柴氏长晶法这一生长硅单晶的典型工艺，将多晶硅装载入石英坩锅中，用加热器辐射的热量使其熔化成硅熔体，然后，从该硅熔体的表面生长出硅单晶结晶块。在生长硅单晶结晶块时，通过支撑着坩锅的轴的旋转来使该坩锅提升，以将固-液界面维持于恒定高度，而且，硅单晶结晶块在与坩锅同轴但反向旋转的同时被盘绕起来。在按照上述方法生长的基础上，将得到的硅单晶结晶块制成硅单晶晶片(通过诸如切片、打磨、抛光和清洁等晶片加工过程)，然后用作半导体器件的基底。
另外，作为一种促进硅单晶结晶块生长的典型技术，经由结晶块生长装置 的上部向其内引入氩等不活泼气体，然后经由该结晶块生长装置的下部排出。
此外，为了稳定单晶结晶块的生产和有效调节氧含量，通常使用至少预定强度的磁场，如：尖端(CUSP)磁场、垂直磁场和水平磁场等。
如上所述用于生长硅单晶结晶块的常规技术，使用了热屏蔽来控制正在生长的硅单晶的温度梯度和从硅熔体蒸发出来的氧。这种常规技术的例子包括：韩国专利No.374703、韩国专利申请No.2000-0071000和美国专利No.6,527,859等。同时，根据Machita等人的报道“The effects of argon gas flow rate and furnacepressure on oxygen concentration in Czochralski-grown Si crystals(Journal of CrystalGrowth，186(1998)362-368)”以及韩国专利申请No.2001-7011548，设置诸如气流控制器这样的热区，调节压强、氩流速和坩锅的旋转速度，都被提出来作为控制氧含量的手段。此外，日本已经公开的专利申请No.2000-247788和No.H10-130100，披露了使用一种调节磁场强度的装置和一种产生多-尖端(multi-CUSP)磁场的部件来抑制氧溶出和熔体对流。
然而，调节现有技术的几个工艺参数并不足以控制硅单晶结晶块的温度梯度或氧含量。所以，就不可能生产出点缺陷浓度低、氧含量符合客户需求的高质量硅单晶结晶块和晶片。
获得适合于制作器件的优质晶片基底的条件如下：在从晶片表面到几个微层的深度内形成的器件活性区域中，最好能够消除点缺陷之外的空位和自间隙(self-interstitial)等所有聚集缺陷。例如，晶体原生坑(COP：Crystal Originated Pit)是一种含有聚集空位的点缺陷，它恶化了栅氧化物的完整性(GOI：Gate OxideIntegrity)，因而降低了器件的成品率。另外，如果依赖于氧含量和空位浓度的微析出(micro precipitate)出现在器件活性区域内，也会恶化栅氧化物的完整性。另一方面，在比器件活性区域更深的体区域内，必须有包含微析出的体微缺陷(BMD：Bulk Micro Defect)。在半导体器件热处理过程中出现的BMD对于该器件活性区域是有害的，但它能通过吸收晶片表面和器件活性区域内的金属杂质来提高器件的成品率。所以，优质晶片基底需要具有适当的空位浓度和氧含量。
同时，就如韩国专利申请No.1999-7009261、No.1999-7009307和No.1999-7009309所描述的，现有技术以G0＝c+ax2来表达晶体的垂直温度梯度。所以，空位浓度从单晶结晶块的***圆周到中心逐渐增加，而间隙浓度则是减少。如果在单晶结晶块的***圆周附近没有发生足够程度的外扩散(out-diffusion)，就会产生LDP等间隙晶体缺陷。这将导致以中心具有高空位浓度的状态进行晶体生长。因此，由于空位浓度远高于平衡浓度，晶片的中心容易出现空位晶体缺陷(如：空穴(void)、氧化堆垛层错(OiSF：oxidation induced stacking fault))。另一方面，为了间隙外扩散的目的而降低晶体的冷却速率，这又需设置额外的热区。这样就降低了单晶结晶块的生长速率，从而降低了生产率。
针对用于控制硅单晶结晶块的温度分布以生产出高质量硅单晶结晶块的方法，已经提出了如下一些常规技术。日本专利申请No.H02-119891提出：通过在冷却结晶块的过程中采用热区来控制硅单晶结晶块的中心及周边的温度分布，以减少结晶块中由于凝固应变所引起的晶体缺陷。这份文献特别揭露了使用冷却套筒来增大单晶结晶块生长方向上的凝固速率从而减少晶格缺陷。另外，日本专利申请No.H07-158458提出：控制单晶结晶块的温度分布和拉拔速率。日本专利申请No.H07-066074提出：改善热区并控制冷却速率，利用点缺陷扩散来抑制晶体缺陷的形成。韩国专利申请No.2002-0021524声称：改进热屏蔽和水冷管可以提高高质量单晶结晶块的成品率。日本专利申请No.H05-061924提出：使硅单晶结晶块的生长速率进行周期性变化，利用氧致堆垛层错(OSF)和氧析出缺陷等晶体缺陷发生区域的滞后，防止单晶结晶块内产生晶体缺陷。
用于控制硅单晶结晶块中氧含量的常规技术包括：日本已经公开的专利申请No.10-013010，韩国专利注册No.10-0239864，韩国专利申请No.2001-7011548，等等。然而，这些技术都有如下缺点：或者是它们需要额外的投资，或者是高质量单晶并不能被真正地生产出来。
此外，韩国专利注册No.10-0271504披露了一种技术，用于将CUSP磁场的中心定位于硅熔体整个深度的至少1/3深度处，从而消除在生长方向上形成的裂缝，并因此改善沿径向的氧分布。韩国专利注册No.10-0239864披露了一种技术，其通过使用超导水平磁场来确保均匀的磁场分布，从而抑制对流。韩国专利申请公开No.2002-0081470披露了一种用于调节固-液界面形态与结晶温度之间关系的技术。然而，这些常规技术并没有披露使用非平衡磁场来控制不含有聚集晶体缺陷的高质量硅单晶结晶块中的氧含量。
而且，根据前面所述的技术，广受欢迎的高质量单晶结晶块只能以低的成品率生产出来。
发明内容
因此，本发明是为了解决现有技术中出现的上述问题而提出的，而且，本发明的一个目的是提供一种生长方法，其能够在将硅单晶结晶块控制成具有各种氧含量的同时，以高的生产率生长硅单晶结晶块。
本发明的另一个目的是提供高质量硅单晶结晶块和晶片，它们具有按照客户所需要的规格而分别控制的氧含量。
本发明的又一个目的是提供一种生长装置，用于生长分别控制了氧含量的高质量硅单晶结晶块。
本发明的再一个目的是提供一种以高生产率生长高质量硅单晶结晶块的方法。
本发明还有一个目的是提供一种以高成品率生长高质量硅单晶结晶块的装置。
为了实现这些目的，本发明提供一种用柴氏长晶法生长硅单晶结晶块的生长方法，其中，向硅熔体施加非平衡磁场。所述非平衡磁场是通过控制上、下磁场使它们的强度互不相同而形成的，所述上磁场形成于固-液界面区域，所述下磁场形成于坩锅底部及坩锅底部圆形区域的周围，所述硅单晶结晶块在以下条件中生长：当沿着平行于所述单晶结晶块纵向的轴线、从所述硅熔体与所述单晶结晶块之间的界面开始测量时，所述硅熔体的温度按照与所述单晶结晶块的距离 成比例地逐渐升高直到最热点，然后从该最热点逐渐下降，且所述硅熔体的上升温度梯度大于它的下降温度梯度。
优选的是，当沿着平行于单晶结晶块纵向的轴线、从硅熔体和单晶结晶块之间的界面开始测量时，硅熔体的温度按照与单晶结晶块的距离成比例地逐渐升高直到最热点，然后，从该最热点逐渐下降，而且，采用非平衡磁场，使从坩锅溶出的氧最少，并促进从硅熔体最接近于加热器的部分向界面中心或围绕着最热点的热区域的熔体对流。
优选的是，固-液界面区域处的磁场强度为0至150高斯，发生氧溶出的坩锅底部处的磁场强度为100至400高斯。
优选的是，在固-液界面的边缘，垂直磁场强度与水平磁场强度之比为0.1至1.0。
优选的是，所述磁场包括CUSP磁场，或者，所述磁场相对于单晶结晶块的纵向呈垂直或水平方向。
优选的是，硅单晶结晶块在满足方程3≤Ln[Vs/Vc]≤5的条件下生长，其中，Vc表示盛有硅熔体的坩锅的旋转速度，Vs表示硅单晶结晶块的旋转速度。
为了实现这些目的，本发明也提供一种用柴氏长晶法生长硅单晶结晶块的生长装置，包括：室；设置在所述室内用于盛放硅熔体的坩锅；设置在坩锅旁边用于加热硅熔体的加热器；拉拔装置，用于拉拔从硅熔体生长的硅单晶结晶块；以及设置在加热器旁边用于向硅熔体施加磁场的磁体。
优选的是，所述磁体适用于引入磁场，以促进硅熔体朝着硅单晶结晶块中央的对流。
优选的是，所述磁体适用于引入磁场，使从坩锅溶出的氧最少。
为了实现这些目的，本发明还提供由柴氏长晶法所生长的硅单晶制成的硅晶片，其中，无自间隙占优势缺陷区域(self-interstitial dominant defect-free region)和无空位占优势缺陷区域(vacancy dominant defect-free region)关于晶片中心非对称地分布在晶片平面中。
优选的是，间隙氧含量低于9.5ppma。
优选的是，间隙氧含量为9.5ppma至11.5ppma。
优选的是，间隙氧含量为11.5ppma至14ppma。
为了实现这些目的，本发明进一步提供用柴氏长晶法生长的硅单晶结晶块，其中，无自间隙占优势缺陷区域位于硅单晶结晶块的中央部分。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域被第一无空位占优势缺陷区域包围着。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域包围着第二无空位占优势缺陷区域。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域和所述第一、第二无空位占优势缺陷区域关于晶片平面中心非对称地分布在晶片平面中。
为了实现这些目的，本发明更进一步提供由用柴氏长晶法生长的硅单晶制成的硅晶片，其中，无自间隙占优势缺陷区域位于晶片平面的中央部分。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域被第一无空位占优势缺陷区域包围着。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域包围第二无空位占优势缺陷区域。
优选的是，所述无自间隙占优势缺陷区域和所述第一、第二无空位占优势缺陷区域关于晶片平面中心非对称地分布在晶片平面中。
附图说明
本发明的上述和其它目的、特征和优点，可从下面结合附图的详细描述中更容易地理解。
附图中：
图1是示意图，显示了根据本发明一个实施例用柴氏长晶法生长硅单晶结晶块的工艺，其中硅熔体的温度梯度分布是沿着平行于硅单晶结晶块径向的轴线测量的。
图2是剖视图，显示了根据本发明一个实施例在引入CUSP磁场的情况下生长硅单晶结晶块，其中，从峰值温度区域到热区域形成了合适的热传递隧道。
图3a是剖视图，显示了通过调节具有基本上平衡的CUSP磁场的磁***置，生长硅单晶结晶块，其中，画出了磁通线分布图的一半。
图3b是用标尺绘制的图，显示了图3a所示的磁通线分布图。
图4a是剖视图，显示了根据本发明一个实施例在基本上不平衡的CUSP磁场中生长硅单晶结晶块，其中，画出了磁通线分布图的一半。
图4b是用标尺绘制的图，显示了图4a所示的磁通线分布图。
图5a是现有技术中具有轴对称分布的硅单晶结晶块的示意性立体图和晶片的剖面图，其中，空位占优势区域形成于晶片的中央部分，间隙占优势区域形成于空位富集区域周围。
图5b是根据本发明具有非对称分布的硅单晶结晶块的示意性立体图和晶片的剖面图，其中，第一无空位占优势缺陷区域包围着位于结晶块/晶片平面中央的无自间隙占优势缺陷区域。
图5c是根据本发明具有非对称分布的硅单晶结晶块的示意性立体图和晶片的剖面图，其中，无自间隙占优势缺陷区域包围着第二无空位占优势缺陷区域。
图6中的照片显示了根据本发明一个实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图6还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。
图7中的照片显示了根据本发明另一个实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图7还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。
图8中的照片显示了根据本发明又一个实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图8还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。
图9中的照片显示了根据现有技术生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图9还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。
具体实施方式
下面详细说明高质量硅单晶结晶块的生长装置和生产方法及由此生产的晶片。
本发明从这样一个认识出发，即：从硅熔体生长固态的硅单晶时，要想生长出具有最少点缺陷的高质量硅单晶结晶块，仅仅通过调节单晶温度梯度和固-液界面形态是不够的，对于高质量硅单晶结晶块的生长而言，可能存在更具决定性的因素。
为了克服结晶之后的固相反应的限制，对凝固前的液态作了透彻的分析，结果，发现硅熔体的温度分布是非常重要的。
晶体生长通常是通过原子或分子形态的生长单元向着晶体生长界面或亚稳区域迁移然后附着在那里而实现的，其中，硅熔体中的上升温度梯度，使得流体状态的生长单元向着晶体生长界面或亚稳区域迁移的驱动力增大。
这里，所述晶体生长界面也称为结晶界面或固-液界面，在该界面处，固态的硅单晶结晶块与液态的硅熔体接触。所述亚稳区域表示一种准备凝固的液态硅熔体的状态，其具有不完全结晶性。
由于硅熔体中高的温度梯度驱动了更多的生长单元参与晶体生长，低的拉拔速率会使过剩的原子结晶，因此，硅单晶结晶块具有自间隙富集(self-interstitialrich)的特性。反过来，硅熔体中低的温度梯度不能使得足够数目的原子参与结晶，所以，高的拉拔速率使得硅单晶结晶块具有空位富集(vacancy rich)的特性。
图1是示意图，显示了根据本发明一个实施例用柴氏长晶法生长硅单晶的工艺。如图1所示，根据本发明用于生长硅单晶结晶块的装置包括室10，硅单晶结晶块在该室中生长。
在室10内设置用于盛放硅熔体(以SM表示)的石英坩锅20，由石墨制成的坩锅支撑25设置得围绕着石英坩锅20。
坩锅支撑25固定于旋转轴30上，该旋转轴通过驱动装置(未显示)旋转，使石英坩锅20一边旋转一边上升，从而把固-液界面维持在预定的高度。坩锅支撑25由圆筒形加热器40以预定的间隔围绕着，该加热器40由桶形恒温器或绝热体45围绕着。
也就是说，加热器40安装于石英坩锅20的旁边，把装载于石英坩锅20内的高纯度多晶体硅块加热成硅熔体SM，而且，桶形恒温器45防止从加热器40辐射的热量扩散到室10的侧壁，从而提高热效率。
此外，围绕着桶形恒温器45的外部圆周设置磁体70。这就使得能将加热器40用作稳定的热源从而防止硅熔体的过冷现象。优选的是，这样的设置也能通过磁体70对磁场强度进行调节，从而控制热量使其经由各种路径从加热器40传递到固-液界面。结果，可以实现更有效的热传递。
本发明中，磁体70用来向石英坩锅20内的氧溶出区域和固-液界面引入不同强度的磁场。通常，使用CUSP磁场来抑制基于平衡磁场分布的硅熔体对流，从而控制稳定的单晶生长条件和氧含量，但是，控制氧含量的条件与制造高质量硅单晶的条件相反。因此，本发明就是要克服这一问题。
在此情形中，上磁场控制与热量流动相关的温度分布，下磁场控制单晶结晶块中的氧含量，该氧含量与从坩锅溶出的氧或已溶出氧的迁移相关。
可以垂直于或平行于硅单晶纵向对硅熔体施加磁场，或者，可以向硅熔体施加CUSP磁场。当磁通线在固-液界面和其下面的硅熔体中形成特定形状时，就获得了同样的效果。
图2是剖视图，显示了根据本发明一个实施例在施加CUSP磁场的情况下生长硅单晶结晶块，其中，从峰值温度区域到热区域形成了合适的热传递隧道。图3a是剖视图，显示了通过调节具有基本上平衡的CUSP磁场的磁***置，生长硅单晶结晶块，其中，画出了磁通线分布图的一半。图3b是用标尺绘制的图，显示了图3a所示的磁通线分布图。图4a是剖视图，显示了根据本发明一个实施例在基本上不平衡的CUSP磁场中生长硅单晶结晶块，其中，画出了磁通线分布图的一半。图4b是用标尺绘制的图，显示了图4a所示的磁通线分布图。
磁场控制硅熔体的对流，具体地说，在垂直于磁通线的方向上抑制熔体流动，从而甚至影响热量流动。也就是说，图2至4b所示的磁通线分布，在垂直于磁通线的方向上抑制熔体对流，而在平行于磁通线的方向上促进熔体流动和热量流动。
于是，热的硅生长单元沿着最短路径从最接近于加热器的局域峰值温度区域TP迁移到固-液界面，从而使得热损失最小，又促进了热量朝着固-液界面中心或硅熔体的热区域TH的流动。
换句话说，磁场以最小的热损失促进了热从峰值温度区域TP到热区域TH 的热传递，增加了固-液界面与热区域TH之间的温差或者硅熔体的上升温度梯度。结果，增大了让原子和分子形态的生长单元朝着晶体生长界面迁移的驱动力，从而提高了高质量晶体的生长速率。
此外，图4a至4b所示的非平衡磁通线分布使得石英坩锅底部周围的温度 相对较低，因而，使得从坩锅底部溶出的氧以及已溶出氧的迁移达到最小。所以，为了抑制从坩锅底部溶出的氧和已溶出氧的迁移，可以加强下磁场。
结果，可以通过调节上、下磁场的强度使它们彼此非对称来形成非平衡磁场。优选的是，上磁场形成于固-液界面附近，下磁场形成于从石英坩锅溶出氧的部位附近。
另外，最好将固-液界面附近的磁场强度控制在0至150高斯之间，而发生最大量氧溶出的坩锅底部及圆形区域附近的磁场强度在100至400高斯之间。固-液界面部分可以是零高斯位置(ZGP)，在那里磁场强度变为0。如果固-液界面部分的磁场强度为150高斯或更高，会损害向固-液界面的热传递。另一方面，如果该部分的磁场强度小于100高斯或超过400高斯，则坩锅底部圆形区域附近不会形成合适的热传递隧道。
优选的是，在固-液界面(三相点)的边缘处，将垂直磁场强度与水平磁场强度之比控制在0.1至1.0的范围内。如果垂直磁场强度与水平磁场强度之比小于0.1或超过1.0，将不会形成合适的热传递隧道。
图3a和3b显示了一种磁通线分布图，其中，固-液界面中心处的磁场强度是100高斯，发生最大量氧溶出的坩锅底部圆形区域附近的磁场强度是190高斯。另一方面，图4a和4b显示了一种磁通线分布图，其中，固-液界面中心处的磁场强度是20高斯，发生最大量氧溶出的坩锅底部圆形区域附近的磁场强度是340高斯。
如上面所提到的，通过调节上、下磁场的相对强度或固-液界面处的垂直磁场强度与水平磁场强度之比，就能够实现硅单晶结晶块和晶片的高成品率，这些硅单晶结晶块和晶片具有客户所需的各种氧含量，例如氧含量：小于9.5ppma，等于9.5ppma或以上，等于11.5ppma或以下，大于11.5ppma以及等于14ppma或以下。
也就是说，本发明的目的在于，在生产无晶体缺陷的高质量硅单晶的同时，把氧含量这个主要质量指标控制为所需的值。为此，向硅熔体施加非平衡磁场分布，以便控制石英坩锅的氧溶出部位处的磁场强度，使其值与固-液界面处的磁场强度值不同。
另外，在室10的上方安装盘绕装置(未示出)，以便盘绕绳索，晶种位于该绳索的末端并接触石英坩锅20内的硅熔体SM，因此，在一边盘绕绳索一边使晶种上升的过程中，硅单晶结晶块IG就相应地生长出来。在硅单晶结晶块IG的生长期间，盘绕装置在盘绕绳索的同时还进行旋转，其中，在硅单晶结晶块IG与坩锅20的旋转轴30同轴但反向旋转的同时，将该硅单晶结晶块IG提升起来。
经由室10的顶部，向正在生长的单晶结晶块IG和硅熔体SM供给氩、氖(Ne)及氮等不活泼气体，所使用的不活泼气体经由室10的下部排出。
优选的是，在硅单晶结晶块IG和坩锅20之间设置热屏蔽50，它围绕着结晶块IG，以便防止结晶块IG的热散逸。还优选的是，在热屏蔽50最接近于硅单晶结晶块IG的部分上还安装圆筒形热罩60，以进一步隔断热量流动从而保存热量。
下面参考图1进行更详细的描述，图1显示了硅熔体的温度梯度分布和等温线，这是沿着平行于硅单晶结晶块径向的轴线测量的。
纵观硅熔体SM的温度，发现峰值温度位于坩锅20侧边最接近于热源或加热器40的一部分硅熔体SM中(图1中以TP指示的区域)，而最低温度，也就是凝固温度，位于发生晶体生长的固-液界面处。
沿着平行于单晶结晶块IG径向的轴线测量硅熔体SM的温度梯度时，该温度梯度变成垂直的瞬时梯度，最好在位于硅单晶结晶块IG下方的硅熔体部分中测量这一瞬时梯度。
高质量硅单晶结晶块优选在测量的温度梯度满足下列方程1的条件下生长：
(ΔTmax-ΔTmin)/ΔTmin)×100≤10............方程1
其中，ΔTmax是测量的最大温度梯度，ΔTmin是测量的最小温度梯度(参考韩国专利申请公开No.2004-98530)。
另外，参考图2，它显示了沿着平行于单晶结晶块纵向的轴线测量的硅熔体的温度梯度分布，本发明的硅熔体中具有热区域(图1中以TH指示的区域)，该区域相对于周围的区域来说更热一些，且本发明特别控制从热区域TH上方到它下方的区域内的温度梯度。
当沿着平行于硅单晶结晶块IG纵向的轴线X测量硅熔体SM的温度时，该硅熔体SM的温度，从固-液界面开始，按照与结晶块IG的距离成比例地逐渐上升到峰值或最热点H，然后，从该最热点H开始，逐渐下降到与结晶块IG距离最远的硅熔体SM底部。
这种情况下，硅单晶结晶块IG优选在维持ΔTi＞ΔTd的条件下生长，其中，ΔTi表示硅熔体的从固-液界面上升到最热点H的温度梯度，ΔTd表示硅熔体的从最热点H下降到熔体底部的温度梯度。作为指示温度测量位置的参考的轴线X，优选是穿过硅单晶结晶块IG中心的中心轴。
优选的是，最热点H存在于从硅熔体SM顶部算起、该硅熔体整个深度的大约1/5～2/3位置处(见韩国专利申请No.2004-0098530)。
此外，随着坩锅旋转速度的降低，硅熔体沿径向的温度梯度降低，这使硅熔体沿径向的温度分布变得均匀。因此，坩锅的旋转速度应尽可能地降低，以使硅熔体的温度沿单晶结晶块的径向均匀分布(见韩国专利申请No.2004-0098530)。
而且，为了以高的生产率生产高质量单晶，单晶结晶块IG的旋转速度的操作范围应视坩锅20的旋转速度而定。
相对于坩锅的慢速旋转来说，如果硅单晶结晶块旋转太快，冷却的硅熔体就会从坩锅底部升起。结果，就降低了热区域的温度，因而使得硅熔体的垂直温度梯度下降。
因此，优选的是，硅单晶结晶块在满足下列方程2的条件下进行生长：
3≤Ln[Vs/Vc]≤5............方程2
其中，Vc表示坩锅的旋转速度，Vs表示硅单晶结晶块的旋转速度。
通过如上所述对硅熔体的温度分布的优化，发现能容易地得到无晶体缺陷的高质量单晶，且生长速率有了显著的提高。
这个现象来源于以下事实：随着从固-液界面上升到最热点的硅熔体温度梯度的增大，使原子和分子形态的生长单元向着晶体生长界面迁移的驱动力也增大。结果，能提高晶体的拉拔速率或高质量晶体的生长速率，这就使空位和间隙等点缺陷最少。
通过上面提及的加热器的改进、磁场的应用以及坩锅和单晶的旋转速度的控制，借助于所谓的“隧道效应(channel effect)”，就可以如上所述优化硅熔体沿着单晶结晶块径向和纵向的温度分布。
隧道效应是指沿着图4b所示的假想隧道100、从熔体的最热区域到高温区域的最小损失热传递。这样的隧道效应能增大熔体的上升温度梯度，即，从固-液界面到高温区域范围内的熔体部分的温度梯度。于是，坩锅底部相对变凉，从而限制了那里的氧溶出。
利用上面提到的方法，本发明能控制空位和间隙等点缺陷，从而抑制位错生长缺陷(例如：刃型、螺型和环型位错)、堆垛层错和空穴(聚集空位的形式)等各种缺陷。
近来，硅晶片制造技术的发展，使得不含有上述聚集点缺陷的无缺陷晶片 得以实现。尽管浓度并没有高到会发生聚集的程度，但是，在半导体器件的实际制造过程的热处理期间，相对较高浓度的空位和氧会在器件活性区域附近产生微析出之类的二次缺陷。
然而，前面所述根据本发明的实施例的装置和方法，能充分降低其生长的硅单晶结晶块中的空位浓度，因此，微析出之类的缺陷就不会在器件活性区域附近形成。也就是说，本发明能实现高生产率的晶片，其含有的点缺陷浓度处于会在热处理期间形成微析出的空位临界饱和浓度以下。在这样的情况下，韩国专利申请No.2004-0098530报道了热处理条件和结果。
过去，晶片的中央部分是无空位占优势缺陷区域，它的周围是无间隙占优势缺陷区域(见图5a)。然而，由于晶片制造技术的发展，它们的分布现在被颠倒过来了。因此，如同本发明，无间隙占优势缺陷区域可以形成于硅结晶块和晶片的中央部分，无空位占优势缺陷区域可以形成于周边部分(见图5b和5c)。而且，甚至可以获得具有平衡的间隙-空位浓度而没有任何间隙富集区或空位富集区的平衡区域。
此外，由于本发明基于流体机制，即，单晶生长时，硅熔体的温度分布关于中心是非对称的，因此，总会发现间隙和空位占优势区域关于结晶块纵向的中心轴是基本非对称的。然而，这并没有在获得高质量单晶结晶块和晶片方面带来任何问题。也就是说，按照本发明制造的硅晶片中，间隙占优势区域与空位占优势区域关于晶片中心可以是非对称的。
通常，硅熔体中存在两种对流体(convection cell)，即，硅熔体SM的对流分布分为外区域对流和内部对流，所述外区域对流沿着坩锅底部和侧壁上升到硅熔体SM的顶部，然后沿着硅熔体SM的顶部向单晶结晶块循环，所述内部对流沿着周边的内斜面在邻近于单晶结晶块底部处循环。
本发明优选的熔体对流的例子在韩国专利申请No.2000-0071000和No.2003-0080998中有详细的描述，这样做能使单晶质量在其径向上更加均匀。
本发明将通过下面的例子进行更详尽的描述，在这些例子中生长了200mm的硅单晶结晶块。然而，应该理解的是，下面的例子仅仅用于解释的目的，而不是限制本发明的保护范围。
例1
具有非对称点缺陷浓度分布的硅单晶结晶块，其中，间隙在结晶块中央占优势，空位在***圆周占优势。
通过调节单晶结晶块的旋转速度和坩锅的旋转速度，控制硅熔体的温度分布。单晶结晶块的旋转速度为13转/分钟到17转/分钟，坩锅的旋转速度为0.3转/分钟到0.8转/分钟。为了有效地控制硅单晶结晶块中的点缺陷浓度，控制硅熔体而不是硅单晶结晶块的温度分布。
通过增大硅熔体的从硅单晶结晶块生长界面到10mm至100mm深度部分的垂直温度梯度，结晶块中央处间隙-空位转变的极限拉拔速率有了大幅提高。
选择一个已生长的单晶结晶块的垂直剖面样品，测量该样品的缺陷等质量分布。因为着重于控制硅熔体(而不是单晶结晶块)的温度分布，因此，质量区域分布关于中心是非对称的，且间隙-空位转变的极限拉拔速率是0.56mm/min。所得到的氧含量是限制在12.5ppma到13.5ppma范围之内的值。测试结果列于下面的表1中。
图6中的照片显示了根据本发明一个实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图6还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。可以看出，结晶块中央就是该结晶块的450mm长度位置处的V/I界面，当拉拔速率为V＝V*时，在结晶块边缘发现了与空位关联的氧致堆垛层错环(OSF ring)缺陷。
例2
具有非对称点缺陷浓度分布的硅单晶结晶块，其中的点缺陷被最大限度地控制。
除了单晶结晶块的旋转速度和坩锅的旋转速度以外，还通过调节CUSP磁场的中心位置和磁场强度来改善硅熔体的温度分布。单晶结晶块和坩锅具有与例1一样的旋转速度。固-液界面中心处的磁场强度是100高斯，坩锅底部圆形区域处的磁场强度是190高斯。
为了最大限度地控制点缺陷的浓度，调节硅熔体而不是硅单晶结晶块的温度分布。也就是，通过增大硅熔体的从硅单晶结晶块的生长界面到硅熔体30mm深度位置的垂直温度梯度，显著地提高单晶结晶块的拉拔速率，因此，空位和间隙浓度都能被恰当控制。同时，可以调节磁场的水平/垂直分量的分布，以使热量经由最短路径从加热器传递到熔体中心轴上的热区域和固-液界面。
选择一个已生长的单晶结晶块的垂直剖面样品，测量该样品的缺陷等质量分布。结果发现，质量区域分布关于中心是非对称的，间隙-空位转变的极限拉拔速率是0.63mm/min，而且，得到的氧含量是13ppma或更高。测试结果列于下面的表1中。
图7中的照片显示了根据本发明另一个实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图7还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。可以看出，当拉拔速率为V＝V*时，在结晶块的580mm长度位置附近，没有发现径向的缺陷。
例3
具有非对称点缺陷浓度分布的高质量硅单晶结晶块，其氧含量受到控制。
除了单晶结晶块的旋转速度和坩锅的旋转速度之外，还通过设置非平衡的CUSP上、下磁场强度，使热量更有效地传递，并降低氧含量。单晶结晶块和坩锅具有与例1一样的旋转速度。固-液界面中心处的磁场强度是20高斯，坩锅底部圆形区域处的磁场强度是340高斯。
也就是说，提高下磁场强度来降低氧含量，将上磁场强度相对调弱，从而使热量经由最短路径从加热器传递到固-液界面。在这种情况下，调节磁场以维持热隧道的形状一致。
选择一个已生长的单晶结晶块的垂直剖面样品，测量该样品的缺陷等质量分布。结果发现，质量区域分布关于中心是非对称的，间隙-空位转变的极限拉拔速率是0.64mm/min，而且，氧含量是11ppma或更少。测试结果列于下面的表1中。
图8中的照片显示了根据本发明又一实施例生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图8还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。可以看出，当拉拔速率为V＝V*时，在结晶块的465mm长度位置附近，没有发现径向的缺陷。
对比例
如韩国专利申请No.1998-0026790所披露的，设置热区以控制单晶结晶块的温度分布，而且，按照现有技术，通过引入水平强磁场来控制固-液界面形态使其朝着结晶块凸起，从而改变结晶块的拉拔速率，以此方式生长出单晶结晶块。
选择一个已生长的单晶结晶块的垂直剖面样品，测量该样品的缺陷等质量分布。结果观察到，质量区域分布关于中心是非对称的，间隙-空位转变的极限拉拔速率相对较低，是0.48mm/min。氧含量是限制在大约12ppma到13ppma之间的值。测试结果列于下面的表1中。
图9中的照片显示了根据现有技术生长的硅单晶结晶块的轴向剖视图，它是在氧析出热处理后以少数载流子寿命扫描的，图9还显示了拉拔速率随晶体长度变化的曲线图。可以看出，当拉拔速率为V＝V*时，在结晶块的490mm长度位置附近，没有发现径向的缺陷。
表1 
拉拔速率(V)   位置R*处的磁场  强度(Gauss)   G*处的垂直/水平  磁场强度比 间隙氧含量(ppma)
例1 0.56   0   - 12.5～13.5
例2 0.63   100/190   0.9 13～15
例3 0.64   20/340   0.2 9～11
对比例1 0.48   2500～3500   0.05 12～13
R*：生长界面中心/坩锅圆形区域
G*：生长界面边缘
根据上面的描述，本发明有以下效果：
首先，通过将硅熔体的温度分布控制在本发明提出的特定条件下，能够生长出具有各种氧含量的高质量硅单晶。
此外，本发明能向硅熔体提供非平衡磁场，因此，从石英坩锅溶出氧的区域处的磁场强度不同于固-液界面区域处的磁场强度。
另外，本发明能调节上、下磁场的强度和固-液界面处的垂直/水平磁场强度，因此，能够以高生产率生长单晶结晶块，同时，结晶块中具有满足客户所需规格的各种氧含量。
而且，本发明能向硅熔体引入具有强的下磁场的非平衡磁场，以便抑制从坩锅底部或圆形区域溶出的氧，并使已溶出氧的迁移最小，从而降低硅单晶结晶块中的氧含量。
除此之外，本发明能将上磁场强度与下磁场强度之比调节成适当值，以增大固-液界面与热区域TH之间的温差或者上升温度梯度，从而提高单晶结晶块的生长速率。
结果，高的生长速率就能提高高质量硅单晶结晶块的成品率。
进一步地，本发明能提供点缺陷浓度基本上呈非对称分布而不是常规对称分布的硅晶片，也能提供点缺陷浓度低的高质量硅单晶结晶块和硅晶片，它们具有的点缺陷浓度处于这样一个水平：热处理不会在器件活性区域附近产生微析出之类的二次缺陷。
而且，通过使用从高质量单晶结晶块加工而成的晶片作为基底，本发明能提高电子器件的成品率。
尽管为了解释的目的而描述了本发明的优选实施例，但可以理解的是，本领域技术人员可以对本发明进行各种修改、添加和替换，而并没有脱离本发明在所附权利要求书中披露的范围和精神。

Claims (8)

1.一种用柴氏长晶法生长硅单晶结晶块的生长方法，其中，向硅熔体施加非平衡磁场，所述非平衡磁场是通过控制上、下磁场使它们具有互不相同的强度来形成的，所述上磁场形成于固-液界面区域，所述下磁场形成于坩锅底部及坩锅底部圆形区域的周围，所述硅单晶结晶块在以下条件中生长：当沿着平行于所述单晶结晶块纵向的轴线、从所述硅熔体与所述单晶结晶块之间的界面开始测量时，所述硅熔体的温度按照与所述单晶结晶块的距离成比例地逐渐升高直到最热点，然后从该最热点逐渐下降，且所述硅熔体的上升温度梯度大于它的下降温度梯度。
2.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，所述最热点位于从所述硅熔体顶部算起、所述硅熔体整个深度的1/5～2/3位置处。
3.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，固-液界面区域处的磁场强度为0至150高斯，发生氧溶出的坩锅底部处的磁场强度为100至400高斯。
4.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，在所述固-液界面的边缘，垂直磁场强度与水平磁场强度之比为0.1至1.0。
5.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，所述磁场包括CUSP磁场。
6.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，所述磁场的方向相对于所述单晶结晶块的纵向呈垂直或水平方向。
7.如权利要求1所述的硅单晶结晶块生长方法，其中，所述硅单晶结晶块在满足方程3≤Ln[Vs/Vc]≤5的条件下进行生长，
其中的Vc表示盛有所述硅熔体的坩锅的旋转速度，Vs表示所述硅单晶结晶块的旋转速度。
8.一种通过对权利要求1～7中任何一项所生长的硅单晶结晶块进行加工来生产高质量硅晶片的方法。
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