RU2076909C1 - Method of growing silicon monocrystals - Google Patents

Abstract

FIELD: crystal growing. SUBSTANCE: invention is aiming at controlling concentration of oxygen in dislocation-free monocrystals. This aim is achieved when, in a method of growing silicon monocrystals using quartz crucible 270-330 mm in diameter installed in heater at ratio of area of melt/crucible contact surface to area of open melt surface ranged from 1.5 to 4.0, distance h from initial level of melt in crucible to upper edge of heater is maintained equal to 2-9 cm and increase (decrease) in oxygen concentration in upper part of growing monocrystal per each 0.4 cm^-3 is accomplished by raising (lowering) melt level of melt by 1 cm within h range. EFFECT: enabled growing silicon monocrystals for large variety of semiconductor devices with different specifications in respect to oxygen concentration. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов, в частности к технологии выращивания кремния по методу Чохральского. Монокристаллы кремния, выращенные по предлагаемому способу, могут быть использованы в производстве приборов электронной и силовой полупроводниковой техники. The invention relates to a technology for producing semiconductor materials, in particular to a technology for growing silicon according to the Czochralski method. Silicon single crystals grown by the proposed method can be used in the manufacture of electronic and power semiconductor devices.

Метод Чохральского включает выращивание монокристаллов на монокристаллическую затравку из расплава кремния, помещенного в кварцевый тигель. В результате реакции взаимодействия расплава со стенками кварцевого тигля растущий кристалл обогащается кислородом. Уровень концентрации кислорода в кристаллах Si в зависимости от типа полупроводниковых приборов и конкретной технологии их изготовления должен существенно различаться. Так, в современном производстве интегральных схем (особенно СБИС) концентрация кислорода (N_о) должна быть достаточно высокой для реализации эффекта внутреннего геттерирования. В кремнии, предназначенном для производства мощных транзисторов и приборов силовой полупроводниковой техники, N_о, напротив, должна быть минимально возможной для обеспечения высокой термостабильности электрофизических и структурных свойств кремния. В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки технологических методов управления (получения заданной величины) концентрацией кислорода в выращиваемых монокристаллах кремния.The Czochralski method involves growing single crystals on a single crystal seed from a silicon melt placed in a quartz crucible. As a result of the interaction between the melt and the walls of the quartz crucible, the growing crystal is enriched with oxygen. The level of oxygen concentration in Si crystals, depending on the type of semiconductor devices and the specific technology for their manufacture, should vary significantly. So, in the modern production of integrated circuits (especially VLSI), the oxygen concentration (N _о ) should be high enough to realize the effect of internal gettering. In silicon, intended for the production of high-power transistors and devices of power semiconductor technology, N _о , on the contrary, should be as low as possible to ensure high thermal stability of the electrophysical and structural properties of silicon. In connection with the foregoing, there is a need to develop technological methods for controlling (obtaining a given value) the oxygen concentration in the grown silicon single crystals.

Известен способ получения монокристаллов Si с пониженным содержанием кислорода [1] в соответствии с которым в расплав Si вводятся добавки некоторых примесей, таких как германий, олово, свинец и другие, которые связывают растворенный в кристаллической решетке выращиваемого кремния кислород с образованием новых соединений. В приведенном в [1] примере при добавке в расплав Si германия в количестве 6% весовых N_o в кристаллах снижается почти в 2 раза. К недостаткам предложенного в [1] способа можно отнести возможность нарушения бездислокационного роста или появления некоторых других дефектов структуры, связанных с вводимыми примесями, особенно при выращивании монокристаллов Si большого диаметра и большой длины.A known method of producing single crystals of Si with a reduced oxygen content [1] in accordance with which additives of certain impurities, such as germanium, tin, lead and others, are added to the Si melt, which bind oxygen dissolved in the crystal lattice of the grown silicon to form new compounds. In the example given in [1], when germanium is added to the melt Si in an amount of 6% by weight N _o in crystals, it decreases by almost a factor of 2. The disadvantages of the method proposed in [1] include the possibility of disruption-free growth or the appearance of some other structural defects associated with introduced impurities, especially when growing Si single crystals of large diameter and long length.

Известен способ получения монокристаллов Si c повышенным содержанием кислорода [2] в соответствии с которым для предотвращения испарения SiO (а следовательно, увеличения N_o в растущем кристалле) на открытой поверхности расплава размещается вращающееся кварцевое кольцо с внутренним диаметром, превышающим в 1,2 раза диаметр растущего кристалла.A known method of producing single crystals of Si with a high oxygen content [2] according to which, to prevent evaporation of SiO (and therefore, increase N _o in the growing crystal), a rotating quartz ring with an inner diameter exceeding 1.2 times the diameter is placed on the open surface of the melt growing crystal.

Недостатками описанного в [2] способа являются трудности обеспечения бездислокационного роста кристалла из-за близкого расположения инородного тела, а также некоторые проблемы, связанные с получением хорошей формы выращиваемого кристалла из-за сложности автоматического поддержания диаметра. The disadvantages of the method described in [2] are the difficulties of ensuring dislocation-free crystal growth due to the close proximity of the foreign body, as well as some problems associated with obtaining a good shape of the grown crystal due to the difficulty of automatically maintaining the diameter.

Общим недостатком описанных в [1] и [2] методов является факт одностороннего воздействия на концентрацию кислорода, т.е. ее уменьшение [1] или увеличение [2] при этом не решается задача управления N_o в широком диапазоне величин.A common drawback of the methods described in [1] and [2] is the fact of a unilateral effect on the oxygen concentration, i.e. its decrease [1] or increase [2] does not solve the problem of controlling N _o in a wide range of values.

Известен способ управления концентрацией кислорода в выращенных по методу Чохральского монокристаллах Si путем изменения факторов, влияющих на гидродинамику потоков в расплаве Si частот вращения кристалла (W_кр) и тигля (W_т, а также отношения W_кр/W_т [3] Так, в соответствии с [3] концентрация кислорода в верхней части монокристаллов Si диаметром 75 80 мм, выращенных в условиях W_кр 20 об/мин и W_т 2 об/мин, была более чем в 1,5 раза выше, чем в условиях W_кр 0,5 об/мин и W_т 15 об/мин, однако описанный в [3] метод лишь констатирует факт влияния W_т, W_кр и W_кр/W_т, но не дает необходимых рекомендаций по управлению концентрацией кислорода в желаемом интервале величин N_о.A known method of controlling the oxygen concentration in Si single crystals grown by the Czochralski method by changing the factors affecting the hydrodynamics of the flows in a Si melt of the crystal rotational frequencies (W _cr ) and crucible (W _t , as well as the W _cr / W _t ratios [3] So, in According to [3], the oxygen concentration in the upper part of Si single crystals with a diameter of 75–80 mm, grown under conditions of W _cr 20 rpm and W _t 2 rpm, was more than 1.5 times higher than under conditions W _cr 0 5 rev / min and 15 W _m / min, but described in [3] a method ascertains the fact of influence W _t, W _cr and W _cr / W _t, but ie gives the necessary recommendations for the management of the oxygen concentration in the desired range of values for N _o.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является способ, описанный в [4] Предложенный в [4] способ позволяет управлять концентрацией кислорода в верхних частях (в месте выхода на постоянный диаметр) монокристаллов Si в достаточно широких пределах путем выбора соответствующего отношения площади поверхности контакта расплава с тиглем (S_к) к площади открытой поверхности расплава (S_и) в пределах 1,5 4,0 и последующего формулирования условий выращивания для реализации этого отношения: диаметра тигля, массы загрузки в тигель и режима перемешивания расплава. Так, для получения N_о в верхней части монокристаллов Si диаметром 80 мм на уровне ≈ 1,2•10¹⁸ см^-3 (≈ 9,0•10¹⁷ cм^-3 при калибровочном коэффициенте 2,45•10¹⁷ cм^-2) необходимо реализовать отношение S_к/S_и ≈ 2,8 путем использования, например, тигля диаметром 270 мм и загрузки в тигель 16 кг (рекомендуемые величины W_кр и W_т для обеспечения указанной величины N_о в [4] не приводятся).The closest solution adopted for the prototype is the method described in [4] The method proposed in [4] allows you to control the oxygen concentration in the upper parts (at the place of constant diameter exit) of Si single crystals in a fairly wide range by choosing the appropriate contact surface area ratio melt with the crucible (S _k) to the area of the open surface of the melt (S _i) between 1.5 4.0, and subsequent formulation of growth conditions for the implementation of this relationship: the diameter of the crucible, the mass loading in the crucible and the mode re eshivaniya melt. So, to obtain N _о in the upper part of Si single crystals with a diameter of 80 mm at a level of ≈ 1.2 • 10 ¹⁸ cm ^-3 (≈ 9.0 • 10 ¹⁷ cm ^-3 with a calibration coefficient of 2.45 • 10 ¹⁷ cm ^-2 ) it is necessary to realize the ratio S _to / S _and ≈ 2.8 by using, for example, a crucible with a diameter of 270 mm and loading 16 kg into the crucible (the recommended values of W _cr and W _t to ensure the indicated value of N _о are not given in [4]).

Однако в [4] не рассмотрено влияние факторов, определяющих температуру стенки кварцевого тигля, а именно конструкции экранировки теплового узла и положения расплава внутри горячей зоны установки выращивания. Вместе с тем известно, что изменение температуры стенки тигля приводит к существенному изменению скорости растворения кварцевого тигля в расплаве Si, а следовательно, к изменению количества поступающего в расплав (и кристалл) кислорода, даже при обеспечении одинакового отношения S_к/S_и.However, in [4], the influence of factors determining the temperature of the wall of a quartz crucible was not considered, namely, the screening design of the thermal unit and the position of the melt inside the hot zone of the growing plant. However, it is known that the wall temperature variation of the crucible results in a substantial change in the dissolution rate of the quartz crucible into molten Si, and consequently also the amount entering the melt (and crystal) of oxygen, even when providing the same relationship _{to the} S / S _and.

Цель изобретения управление концентрацией кислорода (получение заданной величины N_о) в бездислокационных монокристаллах Si, выращиваемых по методу Чохральского.The purpose of the invention is the control of oxygen concentration (obtaining a predetermined value of N _o ) in dislocation-free Si single crystals grown by the Czochralski method.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристалла кремния по Чохральскому с использованием установленного внутри нагревателя кварцевого тигля диаметром 300 ± 30 мм при отношении площади поверхности контакта расплава с тиглем к площади открытой поверхности расплава 1,5-4,0 расстояние (h) от начального уровня расплава в тигле до верхнего края нагревателя поддерживают равным 2 9 cм, а увеличение (уменьшение) концентрации кислорода в верхней части растущего монокристалла на каждые 0,4 ± 0,2•10¹⁷ см^-3 проводят путем повышения (понижения) уровня расплава на 1 см в пределах указанного интервала h.This goal is achieved by the fact that in the Czochralski method of growing a silicon single crystal using a quartz crucible with a diameter of 300 ± 30 mm installed inside the heater with a ratio of the surface area of the contact of the melt with the crucible to the area of the open surface of the melt, 1.5-4.0 distance (h) from the initial level of the melt in the crucible to the upper edge of the heater is maintained equal to 2 9 cm, and an increase (decrease) in the oxygen concentration in the upper part of the growing single crystal for every 0.4 ± 0.2 • 10 ¹⁷ cm ^{-3 is} carried out by increasing ( lowering) the melt level by 1 cm within the specified interval h.

Выбор указанного интервала величин h обусловлен тем, что при h менее 2 см и более 9 см крайне затруднен бездислокационный рост кристалла. Кроме того, при h > 9 cм вследствие низкого радиального градиента температур в расплаве возникают трудности с обеспечением хорошей формы растущего кристалла. Для устранения этого недостатка потребуется применение чрезвычайно низких скоростей выращивания, что экономически нецелесообразно. The choice of the indicated interval of h values is due to the fact that for h less than 2 cm and more than 9 cm, dislocation-free crystal growth is extremely difficult. In addition, at h> 9 cm, due to the low radial temperature gradient in the melt, difficulties arise in ensuring a good shape of the growing crystal. To eliminate this drawback will require the use of extremely low growing speeds, which is economically impractical.

С другой стороны, при выращивании в условиях h < 2 cм увеличивается вероятность спонтанной кристаллизации расплава у стенок кварцевого тигля (так называемые "подморозки"). On the other hand, when grown under conditions of h <2 cm, the likelihood of spontaneous crystallization of the melt at the walls of the quartz crucible increases (the so-called "frost").

Величина изменения концентрации кислорода в кристалле при изменении начального положения расплава на 1 см находится в пределах (0,2-0,6)•10¹⁷ см^-3 и определяется типом установки выращивания (конструкцией ее теплового узла), а также размерами, формой и материалом элементов под тигель и экранировки теплового узла. Так, в частности, экспериментально установлено, что замена цельного графитового элемента под тигель на сетчатый (деталь 4 на чертеже) приводит к увеличению ΔN_o/h более чем в 1,5 раза. В колебание величины ΔN_o/h ± 0,2•10¹⁷ cм^-3/см включена также погрешность метода измерения концентрации кислорода.The magnitude of the change in the oxygen concentration in the crystal with a change in the initial position of the melt by 1 cm is in the range (0.2-0.6) • 10 ¹⁷ cm ^-3 and is determined by the type of growth setup (the design of its thermal unit), as well as the size, shape and material of elements for a crucible and shielding of a thermal unit. So, in particular, it was experimentally established that replacing a solid graphite element under a crucible with a mesh one (part 4 in the drawing) leads to an increase in ΔN _o / h by more than 1.5 times. The fluctuation of ΔN _o / h ± 0.2 • 10 ¹⁷ cm ^-3 / cm also includes the error of the method of measuring oxygen concentration.

На чертеже изображены основные элементы теплового узла установки выращивания, а также заявляемый в изобретении параметр, h. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 графитовый нагреватель; 2 кварцевый тигель; 3 - расплав Si; 4 цилиндрический графитовый элемент под тигель. The drawing shows the basic elements of the thermal unit of the plant growth, as well as the parameter claimed in the invention, h. The following notation is adopted in the drawing: 1 graphite heater; 2 quartz crucible; 3 - Si melt; 4 cylindrical graphite element under the crucible.

Пример. Монокристаллы Si диаметром 80, 105 и 155 мм марки КДБ 12 кристаллографической ориентации <100> были выращены на установке "Редмет-30" в протоке аргона из тигля диаметром 330 мм. Цилиндрический элемент под тигель (деталь 4 на чертеже) был выполнен в виде графитовой сетки. Расход газа составлял: при выращивании монокристалла диаметром 80 мм 800 л/ч, диаметром 105 мм 1200 л/ч и диаметром 155 мм 1500 л/ч. Скорость выращивания изменяли от 1,5 до 0,5 мм/мин по программе. Частоты вращения кристалла и тигля поддерживали постоянными соответственно 20 и 3 об./мин. Example. Si single crystals with a diameter of 80, 105 and 155 mm of the KDB 12 grade of crystallographic orientation <100> were grown on a Redmet-30 apparatus in an argon flow from a crucible with a diameter of 330 mm. The cylindrical element under the crucible (part 4 in the drawing) was made in the form of a graphite grid. The gas flow rate was: when growing a single crystal with a diameter of 80 mm 800 l / h, a diameter of 105 mm 1200 l / h and a diameter of 155 mm 1500 l / h. The growth rate was varied from 1.5 to 0.5 mm / min according to the program. The crystal and crucible rotational frequencies were kept constant at 20 and 3 rpm, respectively.

Выращивание кристалла осуществляли при различном положении начального уровня расплава в тигле по отношению к нагревателю, для чего тигель перемещали на заданное расстояние. The crystal was grown at different positions of the initial level of the melt in the crucible with respect to the heater, for which the crucible was moved to a predetermined distance.

Концентрацию кислорода измеряли в центральной части монокристалла в месте выхода на постоянный диаметр ИК-методом по поглощению на длине волны 9,1 мкм при использовании калибровочного коэффициента 2,45•10¹⁷ см^-2.The oxygen concentration was measured in the central part of the single crystal at the place of reaching a constant diameter by the IR method by absorption at a wavelength of 9.1 μm using a calibration coefficient of 2.45 • 10 ¹⁷ cm ^-2 .

В таблице приведены некоторые дополнительные данные по режиму выращивания монокристаллов: масса загрузки в тигель, отношение S_к/S_и, величина h, а также результаты измерения N_о в кристаллах и величины ΔN_o/h.
Как видно из представленных данных, в испытанном варианте конструкции теплового узла и отношений S_к/S_и, изменяя начальное положение расплава по отношению к нагревателю, можно управлять концентрацией кислорода в верхних частях монокристаллов Si в достаточно широких пределах: (5-8,5)•10¹⁷ см^-3 для кристаллов диаметром 80 мм, (5,7 - 9,3)•10¹⁷ см^-3 для кристаллов диаметром 105 мм и (7-11)•10¹⁷ cм^-3 для кристаллов диаметром 155 мм.The table shows some additional data on the mode of growing single crystals: the mass of the load in the crucible, the ratio of S _to / S _and , the value of h, as well as the measurement results of N _о in crystals and ΔN _o / h.
As can be seen from the presented data, in the tested version of the design of the thermal unit and the S _to / S ratios _and , changing the initial position of the melt with respect to the heater, it is possible to control the oxygen concentration in the upper parts of Si single crystals in a fairly wide range: (5-8.5) • 10 ¹⁷ cm ^-3 for crystals with a diameter of 80 mm, (5.7 - 9.3) • 10 ¹⁷ cm ^-3 for crystals with a diameter of 105 mm and (7-11) • 10 ¹⁷ cm ^-3 for crystals with a diameter of 155 mm.

Таким образом, предложенное решение позволяет выращивать монокристаллы Si для широкого класса полупроводниковых приборов с различными требованиями к величинам N_о. Так, монокристаллы Si диаметром 80 мм с N_о 5•10¹⁷ см-3, выращенные в соответствии с примером 3 таблицы, могут быть использованы в производстве мощных транзисторов, где необходимым условием является чрезвычайно высокая термостабильность удельного электрического сопротивления Si.Thus, the proposed solution allows one to grow Si single crystals for a wide class of semiconductor devices with different requirements for N _о values. So, Si single crystals with a diameter of 80 mm with N _about 5 • 10 ¹⁷ cm-3 grown in accordance with Example 3 of the table can be used in the manufacture of high-power transistors, where an extremely high thermal stability of the electrical resistivity of Si is a prerequisite.

В свою очередь, монокристаллы Si того же диаметра с N_o 8,5•10¹⁷ см^-3, выращенные в соответствии с примером 1 таблицы, могут быть применены в производстве интегральных схем с использованием внутреннего геттера.In turn, Si single crystals of the same diameter with N _o 8.5 • 10 ¹⁷ cm ^-3 grown in accordance with Example 1 of the table can be used in the manufacture of integrated circuits using an internal getter.

Приведенные в таблице данные являются также убедительной демонстрацией основного недостатка способа выращивания по прототипу [4] выращивание монокристаллов при одной и той же величине отношения S_к/S_и, но при различном положении расплава внутри теплового узла установки выращивания, приводит к существенно различным величинам N_о в кристаллах. Так, например, для монокристаллов диаметром 80 мм, выращенных в условиях реализации одного и того же отношения S_к/S_и (1,8), но при изменении h в пределах 2 9 см, величины N_о изменяются в пределах (5-8,5)•10¹⁷ см^-3.The data presented in the table are also a convincing demonstration of the main disadvantage of the prototype growing method [4], the growth of single crystals at the same S _to / S ratio _and , but at different positions of the melt inside the heating unit of the growing plant, leads to significantly different values of N _о in crystals. So, for example, for single crystals with a diameter of 80 mm grown under the conditions of realization of the same ratio S _to / S _and (1.8), but with a change in h within 2 9 cm, the values of N _о change in the range (5-8 5) • 10 ¹⁷ cm ^-3 .

Таким образом, указанные в заявке условия выращивания являются оптимальными и целесообразными с точки зрения достижения требуемого положительного эффекта управления концентрацией кислорода в бездислокационных монокристаллах Si в широком интервале величин. Такие кристаллы могут быть успешно использованы в приборах силовой и электронной полупроводниковой техники. Thus, the growing conditions indicated in the application are optimal and advisable from the point of view of achieving the desired positive effect of controlling the oxygen concentration in dislocation-free Si single crystals in a wide range of values. Such crystals can be successfully used in devices of power and electronic semiconductor technology.

Claims (1)

Способ выращивания монокристаллов кремния по Чохральскому с использованием установленного внутри нагревателя кварцевого тигля диаметром (300 ± 30) мм и отношения площади поверхности контакта расплава с тиглем к площади открытой поверхности расплава 1,5 4,0, отличающийся тем, что расстояние h от начального уровня расплава в тигле до верхнего края нагревателя поддерживают равным 2 9 см, а увеличение (уменьшение) концентрации кислорода в верхней части растущего кристалла на каждые (0,4 ± 0,2) • 10^1 7 см^- 3 проводят путем повышения (понижения) уровня расплава на 1 см в пределах указанного интервала h.The method of growing silicon single crystals according to Czochralski using a quartz crucible installed inside the heater with a diameter of (300 ± 30) mm and the ratio of the contact surface area of the melt with the crucible to the open surface area of the melt 1.5 4.0, characterized in that the distance h from the initial level of the melt in the crucible, to the upper edge of the heater is maintained equal to 2 9 cm, and an increase (decrease) in the oxygen concentration in the upper part of the growing crystal for each (0.4 ± 0.2) • 10 ^{1 7} cm ^{- 3 is} carried out by increasing (decreasing) the level of races melt 1 cm within the specified interval h.

Images