TWI359216B - Device and method for producing a single crystal, - Google Patents

Description

1359216 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於製造僅被鐵輕微污染的半導體材料單 晶的設備。本發明亦關於用於製造該單晶的方法。此外，本發明 還關於根據該方法製造的半導體材料單晶以及從該單晶切下^ 導體晶圓（wafer )。 【先前技術】 一種合適的設備包括一具有嵌入由含碳材料製成的支撐坩堝 (supportcrucible)中的坩堝（crucible)的反應室（chamber)、— 用於加熱該坩堝的加熱器（heater)，以及一設置於該加熱器與該 ^堝之間以保護該反應室的隔熱材料（thermal insulati〇n)。通常^ ^-輕射罩，其包_生長的晶體且控鮮晶的冷卻速率，並使 侍於在製造單晶期間清洗該裝置的惰性氣體轉向。 根據JP-2〇0〇327485 A，可製造一鐵濃度低於2 χ 1〇9原子數/ ^^公分（atoms/cm3)的矽單晶。為了製造此等單晶，需要在複 jίΐ中純化多晶中間產物。但是對於本發明的僅被鐵輕微污 而Γ前述濃度仍是不具特徵的。更確切地說，重要的 =早晶的，賴域内也存在低的鐵濃度。例如Β臟ΐ()^，κ〇 ard，P.J. (Proc. Eiectr〇chem s〇c，83 9, 388 395 ( i983 乃觀察 的,達到單晶邊緣，並由此向單晶内擴散， (molybdenum) (h〇lder) 銹鋼（—iesssted)組成的晶種（seedciystai)支架。 PPta °·8 達至丨卜以士里氺數/立方A刀（at〇ms/cm3))的矽單晶。為了 達iU ’由組叙設制财元件必須 1359216 的材料’且簡料必須由鐵含量同樣特別低的碳切層加 中該觀用雜覆的扣控㈣純體流，其 度不高^ 立所述方f，可製造其中鐵濃 晶圓。 、數/立方“（at_/cm ))的單晶半導體矽 【發明内容】 並鐵漠在t曰刀iltoms/cm)的半導體材料單晶的選擇， 邊緣區域也侦戦濃度值。 早4下的晶圓的 本發明係關於用於製造半導體材料單晶的 反應室内且被爾:ϊ 5，之間的隔熱材料，該設備還包括一彈性密;:料= 賭料之_縫隙並且形錢態鐵絲化物向 本發明亦關於經由設置在-反應室内並且被掛禍加执器包圍 的掛塥中拉伸單晶以製造半導體材料單晶的方法，1中^ 密封材，密封隔熱材料與該反應室内壁間的縫隙，;^密封材二並 形成氣態的鐵羰基化物（ironcarbonyls)向該單晶移動的障礙。 本發明另關於一根據該方法製造的半導體材料單晶，其包括 ^有圓周、半徑R及邊緣區域的圓柱形的—區域，該區域&該圓 周杈向延伸至該單晶内最多R—5毫米的距離，並且具有一鐵濃 度’其中，該邊緣區域内的鐵濃度係低於1 X 1〇9原子婁丈/立方公分 (atoms/cm3)。 1359216 最後，本發明關於一從該單晶切下且具有 該邊緣區域係從該圓周徑向延伸i該半ί 宅米，且具有—鐵濃度，其中，該邊緣區域 内的鐵浪度係低於i X W原子數/立方公分（邮緣心料域 ，半導體材料較佳為梦’可視需要併含鍺 關’但直徑為丨50毫米、2〇°毫米及卿毫米或 本案發明人業已確認該單晶之鐵污染之一主要來應 ir ί由經冷卻的容器形成，其側壁由含鐵合金； ί體及隔熱㈣，㈣成的—氧化碳，經由惰性 米二 k&放而到達該反應室的内壁，並於仍超過i〇〇°c的献 揮發性的鐵羰基化物，其可進入隔熱材料與反應室内、 纽到達生長中的單晶。在無錢氏數百度溫度的單 曰曰接觸^，鐵羰基化物在與其形成反應相反之反應中分解成元 一氧化碳。在此優勢溫度下，麟擴散進人單晶邊緣區域内i '、’使該區之鐵濃度提高。藉由此—機制，鐵亦分佈在該設備的一 些7G件上’料元件雜至足以使纖基化物分解。此等元件包 括例如支撐掛禍、用於保護該反應室的隔熱材料、以及輕射罩。 業經建議用於降低鐵對單晶的污染的措施並不未將反應室壁 視為Θ染源，且未針對該問題提供於經濟上令人滿意的解決之道。 根據本發明，在隔熱材料與該反應室内壁之間的縫隙在至少 置上由彈性岔封材料密封，使得氣態的鐵幾基化物必須越 過^卩手礙，才能夠沿該反應室的内壁向上並隨後到達單晶。即使 緊密填充隔熱材料，由於製造誤差，在隔熱材料與該反應室内壁 之間仍存在縫隙。但通常會有意地設置縫隙，以允許存在一隔熱 材料及其固定裝置的熱膨脹所需的膨脹移動空間。 (s 7 此，彈性變形，且與縫隙吻合，因 料可以在整個縫隙内^伸乃持封閉。該密封材 方面的原因，較佳是為“密隙。但絲於經濟 其較佳者係_環形密封材料，i較户於部分縫隙。尤 但原則上該個環上下疊置。 若在利用該反應室的咖 他條件相同但之早晶的邊緣區勒賴濃度比在其 度，“到限制。除了單晶邊緣區域内的鐵濃 周朝其内=====周或由其切下的半導體晶圓的圓 朝徑向距離A j 夕笔米距離的區域。較佳者係於從圓周 ⑽離為1、2、3、4或5毫米的位置處測量鐵濃度。 felt) Γ其^所組成，較佳者係石碰（graphite 係盆彈性的碳纖維（Carb〇nflberS)。該材料較佳 其„為50至80毫米的測試棒而無斷裂， 姑袓沾辦二、二直或沿著材料幅面（web)。根據DIN 52143，該 為2 $ 變（taking Strain)較佳者在沿著材料幅面方向上 S彻7，姑1,’、在垂直材料幅面方向上為13至20%。根據_ 25 s 料1 3°° &的氮氣壓力差下的氣體滲透率較佳者為 nCm /(Cm *S)。根據DIN IS〇 8658，該材料的鐵含量較佳者

Λ ; 3 mg/kg 尤其以 SGL Carbon 製造商的 Sigratherm®牌 GFA 石紐為佳。該材料係具有厚度9至1()毫米的幅面形式。 成迷宮式封環（labyrinthseal)之折疊狀態巾，其甚至 於畨封該反應室内壁與隔熱材料間之縫隙，該縫隙大於幅面 厚度。 用於貫現上述目的而建議的另一措施，係包含於該反應室的 1359216 •内壁上提供-陶究塗層（ceramic c〇ating (alummum oxide)塗層。該陶究塗層阻佳者為氧化鋁 内壁直接_，從而降低鐵縣化物^彡成讀該反應室的 料併材者僅與雜密封材 系統㈣ve_ingsys；l===p=單晶的活性冷卻 量將熱量帶走的冷卻裝置，部糸統係—利用輸入的能 冷卻系統之-例子，如第5,567,399 ^2==合適活性 ==ί：ί件。該等元件於；其：= 式。下面將參考圖式更詳細地闡述本發明的—個較佳具體實施方 【實施方式】 ，1圖所示為根據Czochralski法所势造之丰邋骑从„0 示意圖’圖中僅標示有助於理解本“的元件—ff早晶的設備 偟。該設備包括反應室丨，其令反應 U到達早阳的途 製造單晶3時所功能之元件‘元;又 J 2及其他滿足 的熔融體5拉伸單晶3 件3 掛堝2内所包含 2的支撑6上以支樓職 固·亥掛禍2的掛網加熱器、8。隔熱材料 10係保護該反應室丨的内壁9不 響。通常亦會以其他元件之形式於=加熱器8所釋出的熱所影 如„區域以及反應室1底‘的區 封材料12加以密封。根據一較佳二9 的缝隙，以彈性密 形。生長中之單晶3係經姉草;3具環 含隔件，朗定於支撐體。射可包 13外'另包含 =丄較===亦可整合於_ W。根據3 層15，其將阻止::氧化碳斑内壁=設置有陶&塗 物。喊塗層丨1 2 3 4 5僅如圖鐵聽生成鐵縣化 實施例： 1 第—圖所描述特徵，但於内壁9不具陶究塗； 2 12之轴向寬度約為漏毫米之環形的彈性密封材i 曰的設備中，拉伸出直徑為毫米的棒狀石夕i :榛妝單晶切下之晶圓的邊緣區域内的鐵濃度。從不 性密封材料的設備所製造的單晶。提供= 同的設備帽成，但差财於該反應室内 熱⑧材料之間的縫隙由以橫越單晶軸的方向延伸 fat errn^ GFA 1〇型石墨氈製成的環加以密封。除了彈性密 3 =以外，還使用-整合於輕射罩内的活性冷卻系統，以製造用以 ，供c型晶圓的單晶。在距晶_邊緣尺為〗毫米、3毫米及$ 4 耄米的徑向距離的三個位置上測定鐵濃度，其結果彙整於下表 5 中。邊緣區域以外的鐵濃度均不高於邊緣區域。該等濃度係根^ ASTMF391所測量。 寸辰又你很據 1359216 A :

類型 κ—ι毫米位置處的鐵濃度[原— 子數/立方公分（atoms/cm3) 1 Hi米位置處的鐵濃度[原 ----琴立方公分（airrnis/crr^、] R-5毫米位置處的鐵濃度[原 A 3 X 1〇10 2.3 X ι〇]〇 丁 JL 乃公分、aiornvcHi 夕 J 1.3 X 1〇10 B 1.5 X 1〇10 1 X 1〇10 0.6 X 1〇10 C <LoD <L〇D <LoD 結果顯示，經由使用密封材料，鐵濃度可以降低至少5〇%。 c型aa片内的鐵濃度在測試位置上甚至低於丨χ 1〇9原子數/立方公 分（atoms/cm3)的測量極限（L〇D)。 【圖式簡單說明】

第1圖所示為用於根據Czochralski法製造半導體材料單晶的 設備的示意圖。 M 【主要元件符號說明】 1 反應室 2 坩堝 3 單晶 4 機械元件 5 熔融體 6 軸 7 支撐坩堝 8 坩堝加熱器 9 内壁 10隔熱材料 11 縫隙 12彈性密封材料 13輻射罩 1359216 14活性冷卻系統 15陶瓷塗層 16支撐體

Claims (2)

1359216 F告本丨 專利申誥苹 中^^|^本(湖年7月) 十申請專利範圍： 4为曰修正本 1.-種用於製造半導體材料單晶之設備，其係包含一反應室；一設 置於，反應室内由—職加熱器包圍之蝴；_用於屏蔽一生長 =之早晶的键罩；以及—位於該綱加熱器與該反應室内壁^ 間的隔熱材料，其特徵在於： 該設備係包含-彈性密封材料，祕密_反應室_金敎 材料間之縫職氣態鐵縣化物向該單晶移動之障礙。… 2· !所述之設備’其中該彈性密封材料使鐵絲化物向該 早日日的移動降低至少50%。 3·如請求項i或2所述之設備，其中該彈性密封材料係為環形。 4. ϋ項1或2所述之設備，其中該彈性密封材 或石墨化的碳纖維的石墨餘成。 S有灭化

5. St 1或2所述之設備’其中該設備進-步包含-用於冷卻 6玄生長中之單晶的活性冷卻系統。 P 6. 如請求項丨或2所述之設備，其中該設備進 反應室内壁上的陶曼塗層。 謂於该 7·:種經由自㈣中拉伸—單晶以製造—半導體材料單 設置於—反應室内且被—卿加熱器所包圍，其中 壁間生密封材料以密封一位於隔熱材料與該反應室的内 8縫隙，以形成氣態鐵羰基化物向該單晶移動之障礙。 8. 法’其中該氣態鐵縣化物向該單晶之移動 9，如请求項7或8所述之方法，其巾該單晶係經活性冷卻。 1〇. S項7或8所述之方法，其中該反應室之内壁係塗覆有-陶 13 1359216 11.如請求項7或8所述之方法，進一步包含定期清除該反應室中含 碳元件之表面上所沉積之鐵。