TWI668340B - 摻雜有n型摻雜劑的具有＜100＞取向的矽單晶以及用於生產此類單晶的方法 - Google Patents

Abstract

一種具有＜100＞取向的矽單晶以及一種用於從具有＜100＞取向的矽生產單晶的方法。單晶摻雜有n型摻雜劑且包括起始錐、圓柱形部分與端錐，在該起始錐的中間部分中的晶角係不小於20°且不大於30°，該中間部分的長度係不小於該起始錐的長度的50%，且邊緣小面係從該單晶的周邊延伸至該單晶中，在每種情況下，在該單晶的起始錐中與圓柱形部分中的邊緣小面的長度係不大於700微米。

Description

摻雜有n型摻雜劑的具有＜100＞取向的矽單晶以及用於生產此類單晶的方法

本發明的標的是一種摻雜有n型摻雜劑的具有＜100＞取向的矽單晶，以及一種用於生產此類單晶的方法。半導體晶圓係從此類型的單晶切割而成，並作為用於生產供功率應用（power application）的電子部件（例如功率MOSFET （金屬氧化物半導體場效電晶體，metal-oxide-semiconductor field-effect transistor））的基材而使用。通常藉由CZ（柴可斯基，Czochralski）法從備於坩堝中的熔體提拉所需的單晶。

現有技術／問題

EP 1 158 075 A1揭露例如有利的是提拉單晶的起始錐（starting cone），使得單晶的形狀較尖（comparatively pointed）。該措施降低了引起差排（dislocation）的事件的頻率，差排將導致單晶生長的終止。

亦已經研究了組成過冷（constitutional supercooling）對差排形成的影響（J.弗里德里西（J.Friedrich）等，ACTA PHYSICA POLONICA A 第2期，第124卷（2013年），第219-226頁），並已獲得研究結果，從而得到以下結論：建立更高的溫度梯度、降低拉伸速率以及增加熔體的對流輸送（convective transport）是有利的。

在US 2015/0275392 A1中，據記載，在起始錐處發生差排之前，表面小面（surface facet）經常出現在起始錐上。

本發明的發明人已解決說明如何進一步降低差排形成頻率的問題，差排是中止提拉所必須的。該問題的解決方案亦包括具有特性特徵（characteristic feature）的單晶。

因此，本發明的標的是一種摻雜有n型摻雜劑的具有＜100＞取向的矽單晶，其包括起始錐、圓柱形部分（cylindrical portion）與端錐（end cone），在起始錐的中間部分中的晶角（crystal angle）係不小於20°且不大於30°，中間部分的長度係不小於起始錐的長度的50%，且邊緣小面（edge facet）係從單晶的周邊延伸至單晶中，在每種情況下，在單晶的起始錐中與圓柱形部分中的邊緣小面的長度係不大於700微米。

單晶係摻雜有磷、砷或銻，或摻雜有該等摻雜劑的一或多種的混合物。電阻率在摻雜有磷的情況下係較佳不大於1.2 毫歐姆公分（mΩcm），在摻雜有砷的情況下係較佳不大於3毫歐姆公分，且在摻雜有銻的情況下係較佳不大於30毫歐姆公分。

單晶在圓柱形部分中的直徑較佳為不小於150毫米或不小於200毫米，特別佳為直徑不小於300毫米。

單晶的特性特徵是在起始錐的中間部分中的晶角及邊緣小面的長度，特別是在起始錐區域中的邊緣小面的長度。起始錐可被分成三部分，具體地分成第一部分、中間部分與第三部分，在第一部分的過程中晶角增加至第二（中間部分）的晶角，在第三部分的過程中晶角減小至單晶的圓柱形部分的晶角。

晶角是在單晶生長的＜100＞方向與相對於單晶周邊的切線之間的角度。邊緣小面是沿著{111}平面的小面，其係以與所述切線所成邊角（boundary angle）從單晶的周邊延伸至單晶的內部。

在起始錐的中間部分，中間部分的長度係不小於起始錐的長度的50%、較佳不小於70%且特別佳不小於90%，晶角係不小於20°且不大於30°。起始錐的第三部分（放肩（shouldering））的長度在較低的個位數百分比範圍（lower single-digit percentage range）內，例如2%。單晶起始錐的第一部分具有實際上對應於其餘部分的長度。

發明人已發現差排起源於邊緣小面，且邊緣小面的長度（特別是在起始錐中的邊緣小面的長度）是差排形成頻率所依賴的關鍵參數。他們推斷，為了解決所提出的問題，邊緣小面的長度應在單晶的起始錐中不大於700微米，且在單晶的圓柱形部分中不大於700微米、較佳不大於300微米。

為了確定邊緣小面的長度，可在平行於單晶生長方向的{110}平面中切割單晶，確切言之，以此種方式切割單晶，即單晶的典型生長線（脊（ridge））係位於經分離的磚片形（tile-shaped）樣品（厚片（slab））的中間。然後將樣品的一側研磨、拋光並較佳借助於根據射哥（Secco）（優先蝕刻（preferential etching））的優先缺陷蝕刻而向下蝕刻至生長線的中心。邊緣小面的長度隨後可藉由用光學顯微鏡檢查來確定。當如此進行時，必須確保測量平面係與生長線的中心（最大可測量的小面長度）重合，否則小面長度係被錯誤地測量得太小。

邊緣小面的長度可受到在生長中單晶中的溫度梯度所影響。沿著邊緣小面的延伸方向的溫度梯度越大，長度越短。因此，較佳係努力實現使得在生長中單晶與熔體之間的相界呈現一種形式，基於該形式，該溫度梯度變得盡可能大。當在提拉軸線的方向與在單晶周邊區域中與單晶生長方向相反的方向之間的曲率角為0°或小於0°時，特別佳為-35.3°時，即為此情況。單晶周邊區域是從周邊徑向延伸至單晶中直至0.1毫米長度的區域。

較佳的是，當提拉起始錐的中間部分及第三部分時，相界具有被認為相對於提拉軸線而為凹形彎曲（concavely curved）、w形或平面的形狀。當提拉單晶的圓柱形部分時，此類形狀也應是其目標，特別佳為凹形彎曲的相界。在此情況下，在提拉軸線的方向與在單晶周邊區域中與單晶生長方向相反的方向之間的曲率角係較佳小於0°。

本發明的標的亦涉及一種用於從具有＜100＞取向的矽生產單晶的方法，所述方法包括 用n型摻雜劑摻雜熔體； 藉由CZ法提拉單晶的起始錐、圓柱形部分與端錐； 提拉起始錐，在起始錐的中間部分中的晶角不小於20°且不大於30°，中間部分的長度係不小於起始錐的長度的50%，晶角的變動（fluctuation）係借助於角度控制而被限定為不大於0.01°／秒（°/s）；以不大於極限提拉速率的75%的提拉速率來提拉單晶的圓柱形部分，如果超過該極速提拉速率，則單晶的變形阻止提拉的繼續；以及 主動冷卻（active cooling）單晶。

特別佳係以不大於極限提拉速率的65%的提拉速率來提拉單晶的圓柱形部分。

在提拉單晶之前，熔體係摻雜有磷、砷、銻或該等摻雜劑中的一或多種的混合物。較佳係提供足以提拉單晶的摻雜劑的量，其中在單晶的圓柱形部分中的電阻率在摻雜有磷的情況下係較佳不大於1.2毫歐姆公分，在摻雜有砷的情況下係較佳不大於3毫歐姆公分，且在摻雜有銻的情況下係較佳不大於30毫歐姆公分。

發明人已發現，邊緣小面的線性生長係特別取決於在生長中單晶與熔體之間的相界處的晶角及溫度梯度。為了實現將邊緣小面的線性生長限制至所期望的程度的目的，晶角應不大於30°，且應主動冷卻相界附近的區域，較佳係借助於其中有水流過之用於冷卻的冷卻裝置來進行冷卻，特別是甚至在已進行起始錐提拉期間進行冷卻。當提拉直徑為至少300毫米的單晶矽的圓柱形部分時，在矽的熔點（1410°C ）至1000°C的溫度範圍內的冷卻速率係較佳不小於2 K／分鐘（K/min）。

僅憑該等措施還不夠，因為系統對相界區域中的晶角變動及溫度變動反應非常敏感。因此，亦有利的是，提拉單晶的起始錐體的中間部分係伴隨角度控制且在提拉單晶的圓柱形部分時顯著地限制提拉速率。

在將起始錐的中間部分提拉直至放肩開始的時間點的期間，較佳係使用基於晶角的控制。此類控制係例如描述於WO 00/60145 A1中，且使用晶角作為參考變數。放肩是指起始錐的晶角返回至單晶圓柱形部分的晶角的過渡階段。

亦較佳的是，在放肩期間，基於預想的計畫（受控（controlled））而在沒有角度控制的情況下提拉單晶。所述控制容許提拉速率及坩堝加熱的加熱輸出，以及可能存在之用於從上方加熱熔體的一或多個額外加熱器的加熱輸出。在放肩期間，提拉速率應不大於1.5 毫米／分鐘（mm/min）。較佳地，在放肩期間將提拉速率設定為該值。作為將提拉速率增加至超過該極限的替代，可增加坩堝加熱的加熱輸出以及可能存在之一或多個額外加熱器的加熱輸出。

在提拉單晶的圓柱形部分的期間，提拉速率應不大於極限提拉速率的0.75倍，特別佳不大於極限提拉速率的0.65倍。極限提拉速率是可在所用的裝置中提拉單晶而不會發生單晶變形太多以致無法繼續提拉的最大可能速率。如果軸線穿過單晶中間的位置係偏離預定位置超過5毫米，則可假定存在有單晶變形，在該變形的存在下，係再也不能繼續提拉。提拉速率的限制係用於限制在相界區域中的溫度變動的目的。

如已提到的，有利的是確保在提拉單晶的圓柱形部分期間的相界具有凹形彎曲的形狀。較佳地，在單晶的周邊區域中的曲率角係小於0°。為此，單晶的旋轉速率與坩堝的旋轉速率的比率應較佳不小於2，及／或熔體應暴露於較佳不小於2500高斯（Gauss）的水平磁場或CUSP磁場。

下面參照附圖進一步解釋本發明。

如第1圖所示意性表示，具有晶角κ的起始錐1通常具有邊緣小面2及可能有的表面小面3。邊緣小面2從起始錐1的周邊沿著{111}平面延伸至內部。{111}平面與垂直於具有＜100＞取向的單晶的生長方向的平面的交角μ為54.7的固定值。

第2圖顯示＜100＞取向的矽單晶的起始錐1，其在與熔體的相界5處生長。相界5延伸至單晶的周邊至三相邊界TPB，其中在熔體的彎月面（meniscus）4的上端，由熔體形成的液相l、由單晶形成的固相s及由周圍氣氛形成的氣相g係彼此相遇。相界5的輪廓亦大致代表等溫線的輪廓。邊緣小面係沿著與提拉軸線pd的方向形成35.3°角α的方向延伸。在邊緣小面的延伸方向上的溫度梯度G _f應盡可能大，以使邊緣小面的長度盡可能小。因此，在提拉軸線的方向與單晶周邊處的溫度梯度G _s的方向之間的曲率角θ應為0°或小於0°，特別佳為-35.3°。溫度梯度G _s從相界5以直角延伸至單晶中，因此具有與單晶的生長方向相反的方向。溫度梯度G _f與G _s以及還有曲率角θ係藉由以下等式而彼此相關： G _s= cos(35.3°+θ) × G _f

與根據第2圖的表示不同，相界5盡可能具有被認為與提拉軸線的方向相反而為凹形彎曲、w形、實質平面（virtually planar）或平面的形狀。在起始錐中間部分中的晶角κ係不小於20°且不大於30°，起始錐中間部分的長度係不小於起始錐的長度的50%。

在第3圖中，溫度梯度G _f係相對於曲率角θ繪製。溫度梯度G _f與G _s在θ = -35.3°達到最大值。

根據第4圖的顯微照片可用於確定邊緣小面的長度。其顯示起始錐的中間部分的一部分。另外描繪有晶角κ與邊緣小面的長度l _f。

第5圖及第6圖顯示根據本發明的實施例，從位置P = -125毫米處開始提拉單晶起始錐中間部分至提拉單晶圓柱形部分的前25毫米的晶角κ及邊緣小面的長度l _f的輪廓（第5圖），以及從開始提拉單晶的圓柱形部分（P = 0毫米）至提拉圓柱形部分的前125毫米的相應輪廓（第6圖）。

1：起始錐 2：邊緣小面 3：表面小面 4：彎月面 5：相界 G _f、G _s：溫度梯度 l _f：長度 l：液相 g：氣相 pd：提拉軸線 s：固相 TPB：三相邊界 α：角 κ：晶角 θ：曲率角 μ：交角

第1圖用於解釋術語，且以示意性的表示形式顯示穿過起始錐中間的縱向截面。 第2圖示意性顯示沿生長方向穿過生長起始錐的部分截面。 第3圖顯示其中沿著小面G _f的溫度梯度相對於曲率角θ繪製的圖。 第4圖顯示製備後的樣品在光學顯微鏡檢查期間的顯微照片的一部分。 第5圖及第6圖透過根據本發明的實施例顯示晶角與邊緣小面的長度的輪廓（profile）。

Claims (9)

1. 一種摻雜有n型摻雜劑的具有＜100＞取向的矽單晶，其包括起始錐（starting cone）、圓柱形部分（cylindrical portion）與端錐（end cone），在該起始錐的中間部分中的晶角（crystal angle）係不小於20°且不大於30°，該中間部分的長度係不小於該起始錐的長度的50%，且邊緣小面（edge facet）係從該單晶的周邊延伸至該單晶中，在每種情況下，在該單晶的起始錐中與圓柱形部分中的邊緣小面的長度係不大於700微米。
2. 如請求項1所述的單晶，其具有電阻率不大於1.2 毫歐姆公分（mOhmcm），且含有磷作為摻雜劑。
3. 如請求項1所述的單晶，其具有電阻率不大於3毫歐姆公分，且含有砷作為摻雜劑。
4. 如請求項1所述的單晶，其具有電阻率不大於30毫歐姆公分，且含有銻作為摻雜劑。
5. 一種單晶矽的半導體晶圓，其係從如請求項1至4中任一項所述的單晶的圓柱形部分切割。
6. 一種用於從具有＜100＞取向的矽生產單晶的方法，其包括 用n型摻雜劑摻雜熔體； 藉由CZ（柴可斯基，Czochralski）法提拉單晶的起始錐、圓柱形部分與端錐； 提拉該起始錐，在該起始錐的中間部分中的晶角不小於20°且不大於30°，該中間部分的長度係不小於該起始錐的長度的50%，該晶角的變動（fluctuation）係借助於角度控制而被限定為不大於0.01°／秒（°/s）；以不大於極限提拉速率的75%的提拉速率來提拉該單晶的圓柱形部分，如果超過該極速提拉速率，則該單晶的變形阻止提拉的繼續；以及 主動冷卻（active cooling）該單晶。
7. 如請求項6所述的方法，亦包括以不大於1.5 毫米／分鐘（mm/min）的提拉速率在該起始錐與該圓柱形部分之間的過渡區域中提拉該單晶。
8. 如請求項6或7所述的方法，冷卻該單晶係借助於水冷式冷卻（water-cooled cooling）來進行。
9. 如請求項6或7所述的方法，亦包括從該單晶的圓柱形部分切割半導體晶圓。