TW202305194A - 一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒；該拉晶爐包括：設置在水冷套上方位置且呈圓筒狀的加熱裝置，該加熱裝置被配置成使得單晶矽棒沿著垂直方向向上移動時能夠進入至該加熱裝置限定出的熱處理室中進行熱處理；設置在該加熱裝置上方且呈圓筒狀的冷卻裝置，該冷卻裝置被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒沿著垂直方向繼續向上移動時能夠進入至該冷卻裝置限定出的冷卻室中進行冷卻處理。
Description
本發明實施例屬於半導體製造技術領域，尤其關於一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒。
近年來，隨著半導體器件製造過程中細微化的發展，對所需要的矽片的要求越來越高，不僅要求矽片表面區域缺陷很少甚至無缺陷，而且要求矽片具有足夠的體微缺陷（Bulk Micro Defects，BMD），以保護設置電子元件的矽片區域不被重金屬雜質汙染。而矽片中含有的重金屬雜質已然成為影響半導體器件品質的重要因素，因此重金屬雜質的含量需要在矽片生產過程中極力減少。目前，已知當在矽片內部形成足夠多的BMD時，這些BMD具有捕捉重金屬雜質的本質吸除(Intrinsic Gettering，IG)作用，能夠極大改善由於重金屬雜質導致的半導體器件品質不良的問題。近年來對含有BMD密度等於或大於1×10
8個/cm
3的矽片需求增加，因此在矽片供應至電子元件製造廠時需要在基材矽片中具有足夠的BMD核心，從而可以獲得高的BMD密度。
外延矽片是在矽片上通過氣相沉積反應生長一層單晶層（也稱之為外延層），由於外延層具有高的結晶完整性，且幾乎沒有缺陷的特性，因此目前外延矽片被作為半導體器件的基板材料而廣泛使用。但是在外延生長過程中，由於矽片暴露在1000℃以上的高溫環境中，較小的BMD核心會被消除，因此外延矽片中不能夠提供足夠數量的BMD核心，導致利用上述外延矽片製造半導體器件時無法充分引起足夠密度的BMD，進而使得製造得到的半導體器件品質不佳。
為了解決外延矽片中BMD密度降低的問題，通常會在單晶矽棒拉制過程中進行摻氮處理以獲得穩定的BMD核心；但是對於氮摻雜的矽片，其外周圍存在氧誘層積缺陷（Oxidation Induced Stacking Faults，OSF）區域會引起BMD的密度下降以及蝕刻坑（Etch Pit，EP）缺陷化。
有鑑於此，本發明實施例期望提供一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒；能夠提高單晶矽棒中的BMD核心，進而提高單晶矽棒中的BMD密度。
本發明實施例的技術方案是這樣實現的：
第一方面，本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括：
設置在水冷套上方位置且呈圓筒狀的加熱裝置，該加熱裝置被配置成使得單晶矽棒沿著垂直方向向上移動時能夠進入至該加熱裝置限定出的熱處理室中進行熱處理；
設置在該加熱裝置上方且呈圓筒狀的冷卻裝置，該冷卻裝置被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒沿著垂直方向繼續向上移動時能夠進入至該冷卻裝置限定出的冷卻室中進行冷卻處理。
第二方面，本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒的方法，該方法包括：
將多晶矽原料放置於石英坩堝中並熔化後，下降籽晶以拉制單晶矽棒；
該單晶矽棒沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至加熱裝置限定出的熱處理室中進行熱處理；
熱處理後的該單晶矽棒繼續沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至冷卻裝置限定出的冷卻室中進行冷卻處理。
第三方面，本發明實施例提供了一種單晶矽棒，該單晶矽棒由第二方面所述的方法拉制得到。
本發明實施例提供了一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐、方法及單晶矽棒；通過在拉晶爐中設置加熱裝置以在單晶矽棒沿著垂直方向向上移動的過程中對單晶矽棒進行熱處理；以及在加熱裝置上方設置有冷卻裝置，以對熱處理後的單晶矽棒沿進行冷卻處理；通過該拉晶爐能夠改變單晶矽棒的溫度場，使得單晶矽棒處於適合BMD核心形成和長大的溫度下，並通過冷卻裝置控制單晶矽棒的冷卻速度，以提高BMD的形核數，進而提高了單晶矽棒內的BMD密度。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效，茲將本發明配合附圖及附件，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍，合先敘明。
在本發明實施例的描述中，需要理解的是，術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。在本發明實施例的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1，其示出了相關的拉晶爐1A，如圖1所示，該拉晶爐1A可以包括：
爐體101，該爐體101限定出爐體空腔FC；
石英坩堝102，該石英坩堝102設置在爐體101限定出的爐體空腔FC底部並用於在製備單晶矽棒SA的初始階段容納固態的多晶矽原料；
石墨坩堝103，該石墨坩堝103設置在石英坩堝102的外周，用於支撐和固定石英坩堝102；
坩堝加熱器104，該坩堝加熱器104設置在石墨坩堝103的外周以對石英坩堝102和石墨坩堝103進行加熱，從而使容納在石英坩堝102中的多晶矽原料熔化成矽熔液；
爐體側壁保溫元件105，該爐體側壁保溫元件105設置在爐體101的圓筒狀爐體側壁的內側以減少由坩堝加熱器104產生的熱量經由爐體側壁散失；
倒錐筒狀的導流筒106，該導流筒106設置在石英坩堝102的上方以用於將比如氬氣的惰性氣體從上至下引導至石英坩堝102中的矽熔液上方，其中，導流筒106的頂部的徑向尺寸小於爐體101的徑向尺寸並借助水平的導流筒保持架（圖中未示出）固定至爐體101的側壁；
圓筒狀的水冷套107，該水冷套107的徑向尺寸小於導流筒106的頂部的徑向尺寸以便以在豎向方向上與導流筒106交疊的方式設置在導流筒106的上方，以用於對拉制出的單晶矽棒SA進行冷卻；
圓環形的平板狀保溫蓋108，該保溫蓋108為比如石墨製成的單層蓋板，該保溫蓋108以其外環緣與爐體101的側壁接觸並且其內環緣與導流筒106接觸的方式水平地設置在爐體側壁保溫元件105的導流筒保持架上方，以防止坩堝加熱器104產生的熱量經由爐體101的頂部散失；
坩堝托盤109，該坩堝托盤109為比如石墨支撐，用於支撐石墨坩堝103；
坩堝旋轉機構110，該坩堝旋轉機構110用於驅動石英坩堝102和石墨坩堝103旋轉。
當使用拉晶爐1A拉制單晶矽棒SA時，首先，將高純度的多晶矽原料放入石英坩堝102中，並在坩堝旋轉機構110驅動石英坩堝102旋轉的同時通過坩堝加熱器104對石英坩堝102不斷進行加熱，以將容納在石英坩堝102中的多晶矽原料熔化成熔融狀態，即熔化成矽熔液，其中，加熱溫度維持在大約一千多攝氏度，爐中的氣體通常是惰性氣體，使多晶矽原料熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。當通過控制由坩堝加熱器104提供的熱場將矽熔液的液面溫度控制在結晶的臨界點時，通過位於液面上方的籽晶（圖中未示出）從液面沿垂直方向向上提拉，矽熔液隨著籽晶的提拉上升按照籽晶的晶向生長出單晶矽棒SA。為了使最終生產出的矽片具有較高的BMD密度，可以選擇在單晶矽棒SA的拉制過程中進行摻氮，例如可以在拉制過程中向拉晶爐1A的爐室內沖入氮氣或者可以使石英坩堝102中的矽熔液中摻雜含氮的矽片，由此拉制出的單晶矽棒SA以及由單晶矽棒SA切割出的矽片中便會摻雜有氮。
但是，由上述方法製備得到的矽片在通過外延沉積反應生成外延矽片的過程中，由於外延沉積反應溫度為1000℃使得矽片中較小的BMD核心會被消除，因此外延矽片中不能夠提供足夠數量的BMD核心。為了避免上述問題，相關技術中會拉制直徑更粗的單晶矽棒SA，並通過輥磨的方式去除單晶矽棒SA邊緣的OSF部分，但是這種操作造成單晶矽棒SA的損耗以及時間成本過高。
另外在相關技術中也會對上述矽片進行熱處理，從而獲得更多的BMD核心，但是在熱處理過程中矽片往往容易受到金屬汙染，而且熱處理的時間較長，成本很高。
基於上述闡述，為了提高單晶矽棒SA以及由其制得的矽片內的BMD密度，參見圖2，其示出了本發明實施例提供的拉晶爐1，如圖2所示，該拉晶爐1具體包括：
設置在水冷套107上方位置且呈圓筒狀的加熱裝置201，該加熱裝置201被配置成使得單晶矽棒S沿著垂直方向向上移動時能夠進入至該加熱裝置201限定出的熱處理室2011中進行熱處理；
設置在該加熱裝置201上方且呈圓筒狀的冷卻裝置202，該冷卻裝置202被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒S沿著垂直方向繼續向上移動時能夠進入至該冷卻裝置202限定出的冷卻室2021中進行冷卻處理。
對於圖2所示的拉晶爐1，通過在水冷套107上方位置設置呈圓筒狀的加熱裝置201，且加熱裝置201被配置成使得單晶矽棒S沿著垂直方向向上移動時能夠進入至加熱裝置201限定出的熱處理室2011中進行熱處理；以及在加熱裝置201上方設置有呈圓筒狀的冷卻裝置202，且冷卻裝置202被配置成使得熱處理後的單晶矽棒S沿著垂直方向繼續向上移動時能夠進入至冷卻裝置202限定出的冷卻室2021中進行冷卻處理；通過該拉晶爐1能夠改變單晶矽棒S的溫度場，使得單晶矽棒S處於適合BMD核心形成和長大的溫度下，並通過冷卻裝置202控制單晶矽棒S的冷卻速度，以提高BMD的形核數，進而提高了單晶矽棒S內的BMD密度。
可以理解地，對於圖2所示的技術方案，能夠實現單晶矽棒S在不摻雜氮，或者由單晶矽棒S製成的矽片不用進行熱處理的情況下，即能夠使得外延矽片中的BMD密度達到客戶規格要求。
對於圖2所示的技術方案，在一些可能的實現方式中，如圖2所示，該拉晶爐1還包括提拉機構203，該提拉機構203被配置成使得該單晶矽棒S沿著垂直方向向上的提拉速度V（mm/min）與該單晶矽棒S軸向方向上的平均溫度梯度G（℃/mm）的比例參數V/G處於1.1（V/G）
臨界至1.2（V/G）
臨界之間；其中（V/G）
臨界指的是P
v區域與P
i區域之間邊界位置上的V/G值。
需要說明的是，如圖3所示，單晶矽棒S中BMD密度等於或大於1×10
8個/cm
3的區域被定義為包含氧析出促進區域（以下簡稱“P
v區域”），OSF區域和空位富集區域（以下簡稱“V-rich區域”），其中OSF區域也稱為P-帶區域（以下簡稱P-band區域）；而BMD密度小於1×10
8個/cm
3的區域被定義為含氧析出抑制區域（以下簡稱“P
i區域”），B-帶區域（以下簡稱B-band區域）和間隙矽富集區域（以下簡稱“I-rich區域”）；而在P
v區域與P
i區域之間的邊界位置上的V/G值被定義為（V/G）臨界。
可以理解地，在單晶矽棒S的拉制過程中，採用較高的提拉速度進行單晶矽棒S的拉制時，可選地，V/G處於1.1（V/G）
臨界至1.2（V/G）
臨界之間，這樣在較高的提拉速度下使單晶矽棒S在V-rich區域進行結晶生長，以使得單晶矽棒S的直徑區域以空位缺陷為主，這主要是因為BMD是雜質氧在空位缺陷中沉積形成的，在實際生產中單晶矽棒S中BMD會沉積在空位缺陷區域和空位富集區域，而如果單晶矽棒S中含有空位缺陷區，會影響由單晶矽棒S製備得到的矽片的柵極氧化膜的完整性。而對於I-rich區域，由於無法沉積雜質氧，因而無法形成BMD。因此只有單晶矽棒中的V-rich區域才能產生高密度的BMD，進而獲得高潔淨表面的矽片。
對於圖2所示的技術方案，可選地，該加熱裝置201用於提供600℃至800℃的熱處理溫度。可以理解地，通過加熱裝置201對單晶矽棒S進行加熱，使單晶矽棒S的熱處理溫度保持在600℃至800℃，這是因為熱處理溫度在600℃至800℃之間有利於促進BMD核心的形成和長大，能夠防止外延生長過程中1000℃以上的高溫環境造成較小的BMD核心被消除，這樣有利於保證最終獲得的外延矽片中的BMD密度滿足客戶規格要求。
對於圖2所示的技術方案，可選地，該冷卻裝置202被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒的冷卻速率為大於2.7℃/min，以提高BMD核心的密度。在本發明實施例中，在加熱裝置201的上方設置有冷卻裝置202，以控制單晶矽棒S經熱處理後的冷卻溫度和冷卻速率，這是因為飽和BMD的密度與單晶矽棒S的冷卻速率有關，較高的冷卻速率可以提高BMD核心的密度；對熱處理後的單晶矽棒S進行快速冷卻能夠抑制單晶矽棒S內部空位的再結合，以保證最終得到的單晶矽棒S中殘留有較高的空位濃度，進而保證獲得足夠多的BMD核心。需要說明的是，在本發明實施例中，針對不同客戶規格要求的BMD密度，可以通過冷卻裝置202對單晶矽棒S提供不同的冷卻速率，進而來控制單晶矽棒S中BMD核心的密度。
對於圖2所示的技術方案，該拉晶爐1還包括水冷套107，該水冷套107被配置成使得拉制得到的該單晶矽棒S在1150℃至1020℃之間快速冷卻，以使得該單晶矽棒S的冷卻速率大於2.7℃/min，以抑制空位缺陷在單晶矽棒S中再結合，從而保證了單晶矽棒S中以空位缺陷為主。
參見圖4，其示出了本發明實施例提供的一種用於拉制單晶矽棒的方法，該方法包括：
S401：將多晶矽原料放置於石英坩堝102中並熔化後，下降籽晶以拉制單晶矽棒S；
S402：該單晶矽棒S沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至加熱裝置201限定出的熱處理室2011中進行熱處理；
S403：熱處理後的該單晶矽棒S繼續沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至冷卻裝置202限定出的冷卻室2021中進行冷卻處理。
對於圖4所示的技術方案，在拉晶爐1中，對單晶矽棒S進行熱處理後再進行冷卻處理，通過控制單晶矽棒S的V/G參數、熱處理溫度和熱處理時間，以及熱處理步驟後的冷卻溫度和冷卻時間來控制單晶矽棒S的溫度場，以此來控制單晶矽棒S內部BMD核心的形成和長大，進而提高單晶矽棒中BMD的密度。
對於圖4所示的技術方案，可選地，該單晶矽棒S沿著垂直方向向上的提拉速度V（mm/min）與該單晶矽棒S軸向方向上的平均溫度梯度G（℃/mm）的比例參數V/G處於1.1（V/G）
臨界至1.2（V/G）
臨界之間；其中（V/G）
臨界指的是P
v區域與P
i區域之間邊界位置上的V/G值。
對於圖4所示的技術方案，可選地，該加熱裝置201用於提供600℃至800℃的熱處理溫度。
對於圖4所示的技術方案，可選地，該冷卻裝置202被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒S的冷卻速率大於2.7℃/min。
舉例來說，參見圖5，其示出了利用數值模擬方法得到的由拉晶爐1拉制的單晶矽棒S的溫度場示意圖，其中，拉制單晶矽棒S的V/G處於1.1（V/G）
臨界至1.2（V/G）
臨界之間。由圖5可以看出，在拉晶爐1中，採用參數V/G拉制得到的單晶矽棒S的溫度場處於600℃至800℃的區域範圍很寬，也就是說在上述很寬範圍內均有利於BMD核心的形成和長大。需要說明的是，在拉晶爐1中，採用參數V/G拉制單晶矽棒S時，單晶矽棒S在600℃至800℃溫度範圍內大約停留570分鐘（min）。
同樣地，利用相同的數值模擬條件對由拉晶爐1A拉制的單晶矽棒SA的溫度場進行數值模擬，其得到的溫度場參見圖6，由圖6可以看出，在拉晶爐1A中，採用參數V/G拉制得到的單晶矽棒SA的溫度場處於600℃至800℃的區域範圍很窄，也就是說在上述很窄範圍內才能夠適於BMD核心的形成和長大。需要說明的是，在拉晶爐1A中，採用參數V/G拉制單晶矽棒SA時，單晶矽棒SA在600℃至800℃溫度範圍內大約停留158分鐘（min）。
最後，本發明實施例還提供了一種單晶矽棒，該單晶矽棒由根據前述技術方案所述的方法拉制得到。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
以上僅為本發明之較佳實施例，並非用來限定本發明之實施範圍，如果不脫離本發明之精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
1A:拉晶爐
101:爐體
102:石英坩堝
103:石墨坩堝
104:坩堝加熱器
105:爐體側壁保溫元件
106:導流筒
107:水冷套
108:保溫蓋
109:坩堝托盤
110:坩堝旋轉機構
FC:爐體空腔
SA:單晶矽棒
S:單晶矽棒
1:拉晶爐
201:加熱裝置
202:冷卻裝置
203:提拉機構
2011:熱處理室
2021:冷卻室
S401-S403:步驟
圖1為本發明實施例提供的相關的拉晶爐結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的單晶矽棒內部缺陷分佈與V/G關係分佈示意圖；
圖4為本發明實施例提供的一種用於拉制單晶矽棒的方法流程示意圖；
圖5為本發明實施例提供的利用本發明實施例提供的用於拉制單晶矽棒的拉晶爐數值模擬得到的單晶矽棒的溫度場示意圖；
圖6為本發明實施例提供的利用相關的拉晶爐數值模擬得到的單晶矽棒的溫度場示意圖。
101:爐體
102:石英坩堝
103:石墨坩堝
104:坩堝加熱器
105:爐體側壁保溫元件
106:導流筒
107:水冷套
108:保溫蓋
109:坩堝托盤
110:坩堝旋轉機構
S:單晶矽棒
1:拉晶爐
201:加熱裝置
202:冷卻裝置
203:提拉機構
2011:熱處理室
2021:冷卻室
Claims (10)
- 一種用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐包括： 設置在水冷套上方位置且呈圓筒狀的加熱裝置，該加熱裝置被配置成使得單晶矽棒沿著垂直方向向上移動時能夠進入至該加熱裝置限定出的熱處理室中進行熱處理； 設置在該加熱裝置上方且呈圓筒狀的冷卻裝置，該冷卻裝置被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒沿著垂直方向繼續向上移動時能夠進入至該冷卻裝置限定出的冷卻室中進行冷卻處理。
- 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐還包括提拉機構，該提拉機構被配置成使得該單晶矽棒沿著垂直方向向上的提拉速度V與該單晶矽棒軸向方向上的平均溫度梯度G的比例參數V/G處於1.1（V/G） 臨界至1.2（V/G） 臨界之間；其中（V/G） 臨界指的是P v區域與P i區域之間邊界位置上的V/G值。
- 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該加熱裝置用於提供600℃至800℃的熱處理溫度。
- 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，其中，該冷卻裝置被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒的冷卻速率為大於2.7℃/min。
- 如請求項1所述之用於拉制單晶矽棒的拉晶爐，該拉晶爐還包括水冷套，該水冷套被配置成使得拉制得到的該單晶矽棒在1150℃至1020℃之間快速冷卻，以使得該單晶矽棒的冷卻速率大於2.7℃/min。
- 一種用於拉制單晶矽棒的方法，該方法包括： 將多晶矽原料放置於石英坩堝中並熔化後，下降籽晶以拉制單晶矽棒； 該單晶矽棒沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至加熱裝置限定出的熱處理室中進行熱處理； 熱處理後的該單晶矽棒繼續沿著垂直方向以設定的提拉速度V向上被提拉並移動至冷卻裝置限定出的冷卻室中進行冷卻處理。
- 如請求項6所述之用於拉制單晶矽棒的方法，其中，該單晶矽棒沿著垂直方向向上的提拉速度V與該單晶矽棒軸向方向上的平均溫度梯度G的比例參數V/G處於1.1（V/G） 臨界至1.2（V/G） 臨界之間；其中（V/G） 臨界指的是P v區域與P i區域之間邊界位置上的V/G值。
- 如請求項6所述之用於拉制單晶矽棒的方法，其中，該加熱裝置用於提供600℃至800℃的熱處理溫度。
- 如請求項6所述之用於拉制單晶矽棒的方法，其中，該冷卻裝置被配置成使得熱處理後的該單晶矽棒的冷卻速率大於2.7℃/min。
- 一種單晶矽棒，該單晶矽棒由根據如請求項6至9中任一項所述之用於拉制單晶矽棒的方法拉制得到。
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