專利名稱：用高生長(zhǎng)速率制備低缺陷密度硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在制造電子元件時(shí)使用的半導(dǎo)體級(jí)單晶硅的制備。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于制備基本上沒(méi)有空位型附聚的本征點(diǎn)缺陷的單晶硅錠及由該硅錠得到晶片的方法，其中上述晶錠在一定速率下生長(zhǎng)，上述速率用別的方法將造成晶錠內(nèi)部形成附聚的空位型本征點(diǎn)缺陷。
近年來(lái)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到單晶硅中的許多缺陷是在晶體生長(zhǎng)室中在晶體固化之后冷卻時(shí)形成。這些缺陷部分是由于存在過(guò)量本征點(diǎn)缺陷(亦即濃度高于溶度限)而引起，上述本征點(diǎn)缺陷通稱為空位和自填隙。由熔體生長(zhǎng)的硅晶體通常是在一種本征點(diǎn)缺陷或另一種本征點(diǎn)缺陷，或者是晶格空位(“V”)或者是自填隙(“I”)過(guò)量的情況下生長(zhǎng)。已有人提出，硅中這些點(diǎn)缺陷的類型和初始濃度在固化時(shí)確定，并且如果這些濃度達(dá)到系統(tǒng)中臨界過(guò)飽和程度及點(diǎn)缺陷的遷移率足夠高，則可能發(fā)生一種反應(yīng)或一種附聚現(xiàn)象。硅中附聚的本征點(diǎn)缺陷可能嚴(yán)重影響生產(chǎn)復(fù)雜和高集成度的電路時(shí)材料的生產(chǎn)潛力。
人們認(rèn)為空位型缺陷是一些可觀察到的晶體缺陷如D缺陷，流動(dòng)圖形缺陷(FPD)，柵氧化物完整性(GOI)缺陷，晶體原生粒子(COP)缺陷，晶體原生輕微點(diǎn)缺陷(LPD)，及用紅外光散射技術(shù)如掃描紅外顯微鏡和激光掃描層析X射線照相術(shù)觀察到的某些類型體缺陷等的起源。另外在過(guò)量空位區(qū)域中存在的是起到環(huán)形氧化誘生堆垛層錯(cuò)(OISF)的核作用的缺陷。據(jù)推測(cè)這種特殊的缺陷是一種由過(guò)量空位存在催化的高溫成核氧附聚物。
有關(guān)自填隙的缺陷較少充分研究。一般認(rèn)為它們是低密度填隙型位錯(cuò)環(huán)或網(wǎng)絡(luò)。這些缺陷不是柵氧化物完整性破壞的主要原因，上述柵氧化物完整性破壞是一個(gè)重要的晶片性能判據(jù)，但廣泛認(rèn)為它們是通常與漏電流問(wèn)題有關(guān)的其它類型器件失效的原因。
歷史上認(rèn)為這些直拉硅中空位和自填隙附聚缺陷的密度是在約1×103/cm3-約1×107/cm3范圍內(nèi)。盡管這些數(shù)值比較低，但附聚的本征點(diǎn)缺陷對(duì)器件制造者來(lái)說(shuō)具有迅速增加的重要意義，并且實(shí)際上現(xiàn)在被看作是器件制造過(guò)程中限制生產(chǎn)率的因素。
業(yè)已提出了一種控制形成附聚缺陷的方法，該方法是在從熔化的硅體固化形成單晶硅時(shí)，通過(guò)控制從熔化的硅體中提拉單晶硅錠的拉速(V)以及對(duì)一規(guī)定的溫度梯度控制生長(zhǎng)中的晶體固液界面附近的軸向溫度梯度G，來(lái)控制點(diǎn)缺陷的初始濃度，其中較高的拉速往往會(huì)產(chǎn)生富空位的材料和較低的拉速往往會(huì)產(chǎn)生富填隙的材料。尤其是，有人提出，軸向溫度梯度的徑向變化不大于5℃/cm或更小(例如參見(jiàn)Iida等的EP0890662)。然而，這種方法要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和控制拉晶機(jī)的熱區(qū)。
有人提出了另一種控制附聚的缺陷形成的方法，該方法是在從熔化的硅體中固化形成單晶硅時(shí)控制空位或填隙點(diǎn)缺陷的初始濃度，和然后控制晶體從固化溫度到約1050℃溫度的冷卻速率，以便允許硅自填隙原子或空位的擴(kuò)散，并因而使空位系統(tǒng)或填隙系統(tǒng)的過(guò)飽和保持在一個(gè)值處，該值小于附聚反應(yīng)發(fā)生的那些值(例如參見(jiàn)Falster等的美國(guó)專利No.5,919,302和Falster等的WO 98/45509)。然而一般公認(rèn)的是，空位以比硅自填隙慢得多的速率擴(kuò)散。因此，盡管這種方法可以成功地用來(lái)制備基本上沒(méi)有附聚的空位或填隙缺陷的單晶硅，但供空位充分?jǐn)U散所需的時(shí)間削弱了增加生長(zhǎng)速度的好處，而降低生產(chǎn)填隙為主的晶錠所需的生長(zhǎng)速度削弱了減少供填隙擴(kuò)散所需冷卻時(shí)間的好處。這可能會(huì)降低拉晶機(jī)生產(chǎn)率。
因此，簡(jiǎn)短地說(shuō)，本發(fā)明針對(duì)一種用于生長(zhǎng)單晶硅錠的方法，上述單晶硅錠具有一個(gè)中心軸線，一個(gè)籽晶錐，一個(gè)端錐，一個(gè)在籽晶錐和端錐之間的恒定直徑部分，及一個(gè)區(qū)域，上述區(qū)域包括晶錠恒定直徑部分的一小部分并且基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。晶錠按照直拉法由硅熔體生長(zhǎng)，方法包括(i)在恒定直徑部分內(nèi)部形成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中空位是主要的本征點(diǎn)缺陷，(ii)將晶錠的側(cè)表面加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流入上述區(qū)域，這樣減少上述區(qū)域中空位的濃度，及(iii)保持上述區(qū)域溫度超過(guò)溫度TA，在該溫度TA下，在形成上述區(qū)域和上述區(qū)域中空位濃度減少之間的這段時(shí)間里發(fā)生空位點(diǎn)缺陷附聚成附聚的缺陷。
本發(fā)明還針對(duì)一種用于生長(zhǎng)單晶硅錠的方法，上述單晶硅錠具有一個(gè)中心軸線，一個(gè)籽晶錐，一個(gè)端錐，一個(gè)在籽晶錐和端錐之間的恒定直徑部分，及一個(gè)區(qū)域，上述區(qū)域包括晶錠恒定直徑部分的一小部分并且基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。晶錠按照直拉法由硅熔體生長(zhǎng)，該方法包括(i)在恒定直徑部分內(nèi)部形成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中空位是主要的本征點(diǎn)缺陷；(ii)將晶錠的側(cè)表面加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流入上述區(qū)域，這樣使上述區(qū)域從空位為主的區(qū)域轉(zhuǎn)變到填隙為主的區(qū)域，及(iii)保持上述區(qū)域溫度超過(guò)溫度TA，在該TA下，在形成上述區(qū)域和上述區(qū)域中空位濃度減少的這段時(shí)間里發(fā)生空位點(diǎn)缺陷附聚成附聚的缺陷。
本發(fā)明另外還針對(duì)一種用于生長(zhǎng)單硅錠的方法，上述單晶硅錠具有一個(gè)中心軸線，一個(gè)籽晶錐，一個(gè)端錐，一個(gè)在籽晶錐和端錐之間的恒定直徑部分，及一個(gè)區(qū)域，上述區(qū)域包括晶錠恒定直徑部分的一小部分并且基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。晶錠按照直拉法由硅熔體生長(zhǎng)，該方法包括(i)在恒定直徑部分內(nèi)部形成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中空位是主要的本征點(diǎn)缺陷，(ii)將晶錠的側(cè)表面加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度，以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流入上述區(qū)域，這樣使上述區(qū)域從空位為主的區(qū)域轉(zhuǎn)變到填隙為主的區(qū)域，其中填隙的濃度至少是大約使填隙在晶錠常規(guī)冷卻時(shí)附聚所需的飽和濃度，(iii)保持上述區(qū)域的溫度超過(guò)溫度TA，在該溫度TA下，在形成上述區(qū)域和上述區(qū)域中空位濃度減少的這段時(shí)間里發(fā)生空位點(diǎn)缺陷附聚成附聚的缺陷，及(iv)控制上述區(qū)域的冷卻通過(guò)一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍下附聚的填隙可以成核以便抑制其中填隙的濃度，因此附聚的填隙在冷卻晶錠時(shí)不形成。
本發(fā)明另外還針對(duì)一種用于生長(zhǎng)單晶硅錠的方法，上述單晶硅錠具有一個(gè)中心軸線，一個(gè)籽晶錐，一個(gè)端錐，一個(gè)在籽晶錐和端錐之間的恒定直徑部分，及一個(gè)區(qū)域，上述區(qū)域包括晶錠恒定直徑部分的一小部分并且基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。晶錠按照直拉法由硅熔體生長(zhǎng)，該方法包括(i)在恒定直徑部分內(nèi)形成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域中空位是主要的本征點(diǎn)缺陷，(ii)將晶錠的側(cè)表面加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度，以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流向上述區(qū)域，這樣使上述區(qū)域從空位為主的區(qū)域轉(zhuǎn)變到填隙為主的區(qū)域，其中填隙的濃度至少是大約使填隙在晶錠常規(guī)冷卻時(shí)附聚所需的飽和濃度，(iii)保持上述區(qū)域的溫度超過(guò)溫度TA，在該溫度下，在形成上述區(qū)域和上述區(qū)域中空位濃度減少的這段時(shí)間里發(fā)生空位點(diǎn)缺陷附聚成附聚的缺陷，及(iv)使上述區(qū)域急冷通過(guò)一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍下附聚的填隙可以成核，以防止形成附聚的填隙。
本發(fā)明的另一些目的和特點(diǎn)一部分是顯而易見(jiàn)的，一部分在后面指出。
圖2是示出對(duì)一規(guī)定的自填隙[I]的初始濃度，為形成附聚的填隙缺陷所需的自由能變化ΔGI如何隨溫度T降低而增加的一個(gè)例子曲線圖。
圖3是通過(guò)急冷晶錠經(jīng)過(guò)一溫度范圍所制備的晶錠橫截面圖像，在上述溫度范圍下附聚的本征點(diǎn)缺陷成核。
圖4是將具有經(jīng)受B缺陷湮滅熱處理之前B缺陷的晶片與具有經(jīng)受了B缺陷湮滅熱處理的B缺陷的晶片進(jìn)行比較的圖像。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明根據(jù)到目前為止的實(shí)驗(yàn)資料，本征點(diǎn)缺陷的類型和初始濃度似乎是當(dāng)晶錠從固化溫度(亦即約1410℃)冷卻到大于1300℃的一個(gè)溫度(亦即至少約1325℃，至少約1350℃或基至至少約1375℃)時(shí)開(kāi)始測(cè)定。也就是說(shuō)，這些缺陷的類型和初始濃度一般認(rèn)為受比值V/G0控制，此處V是生長(zhǎng)速度和G0是平均軸向溫度梯度。
空位和填隙占優(yōu)勢(shì)的材料之間的轉(zhuǎn)變?cè)赩/G0的一個(gè)臨界值處發(fā)生，根據(jù)目前可用的信息，V/G0的臨界值似乎是約2.1×10-5cm2/sk，此處G0是在上述溫度范圍內(nèi)軸向溫度梯度是恒定的條件下測(cè)定。在這個(gè)臨界值處，這些本特點(diǎn)缺陷的最終濃度相等的。如果V/G0值超過(guò)臨界值，則空位是主要的本征點(diǎn)缺陷，并且空位的濃度隨V/G0增加而增加。如果V/G0小于臨界值，則硅自填隙是主要的本征點(diǎn)缺陷，并且硅自填隙的濃度隨V/G0減小而增加。因此，對(duì)一規(guī)定的G0拉速降低往往會(huì)增加硅自填隙的濃度，而拉速增加往往會(huì)增加空位的濃度。
一旦確定了本征點(diǎn)缺陷的初始濃度，則認(rèn)為附聚缺陷的形成依賴于體系的自由能。對(duì)一規(guī)定的本征點(diǎn)缺陷濃度，溫度降低導(dǎo)致從本征點(diǎn)缺陷形成附聚缺陷的反應(yīng)自由能變化增加。因此，當(dāng)含有空位或填隙的一個(gè)區(qū)域從固化溫度冷卻經(jīng)過(guò)附聚缺陷成核的溫度時(shí)，接近用于形成附聚的空位或填隙缺陷的能量勢(shì)壘。當(dāng)冷卻繼續(xù)時(shí)，這個(gè)能量勢(shì)壘最終可能被超過(guò)，在能量勢(shì)壘超過(guò)的點(diǎn)處，一種附聚反應(yīng)發(fā)生(例如參見(jiàn)Falster等的美國(guó)專利No.5,919,302和Falster等的WO 98/45509)。
意外的是，發(fā)現(xiàn)了單晶硅錠可以在高生長(zhǎng)速率下提拉，上述高生長(zhǎng)速率起初產(chǎn)生比較高的空位濃度，并且這些濃度可以在附聚反應(yīng)發(fā)生之前通過(guò)從晶錠側(cè)表面注入填隙進(jìn)行抑制。一般，硅自填隙原子可以通過(guò)將晶錠側(cè)表面加熱到一個(gè)超過(guò)晶錠內(nèi)部溫度的溫度注入，因而形成一個(gè)從表面朝向內(nèi)部的熱梯度。在一個(gè)實(shí)施例中，空位的濃度僅是通過(guò)這種注入減少。在另一個(gè)實(shí)施例中，注入的硅自填隙原子數(shù)足以將硅從空位為主轉(zhuǎn)變成硅自填隙為主的硅。
因此，在本發(fā)明的方法中，在一個(gè)拉速下生長(zhǎng)具有標(biāo)稱直徑至少為約125mm，更優(yōu)選的是至少約150mm，及通常至少約200mm或甚至至少約300mm恒定直徑區(qū)域的晶錠，以便初始產(chǎn)生一個(gè)空位為主的區(qū)域(亦即其中在沿著晶錠的半徑和軸線的某一點(diǎn)處V/G0值大于V/G0的臨界值的條件下生長(zhǎng))?？瘴粸橹鞯膮^(qū)域可以在徑向和軸向方向上的二度空間上改變。
在典型的直拉體生長(zhǎng)條件下，晶體生長(zhǎng)速度V隨著距晶體軸線徑向距離的變化近似恒定不變，但G0一般是從晶體軸線處的最大值減小到晶錠側(cè)表面處的最小值。結(jié)果，晶格空位的濃度一般隨距晶錠軸線徑向距離增加而減少，并且一個(gè)空位為主的硅區(qū)域，如果真的存在的話，將占據(jù)在晶錠軸線和某個(gè)徑向距離Rv之間的軸向?qū)ΨQ區(qū)域，上述徑向距離Rv是從晶錠的軸線測(cè)量的。優(yōu)選的是，Rv是有一個(gè)至少約為晶錠恒定直徑部分半徑1％的值，更優(yōu)選的是至少約為5％，更優(yōu)選的是至少約為10％，更優(yōu)選的是至少約為25％，更優(yōu)選的是至少約為50％，更優(yōu)選地是至少約75％，及還更優(yōu)選的是至少約為90％。
由于V/G0可以隨軸向位置變化而改變，軸向位置變化是由于V，G0或V和V0二者改變的結(jié)果，所以空位為主的硅軸向?qū)ΨQ區(qū)域的寬度也可以隨軸向位置變化而改變。按另一種方式說(shuō)，空位為主的軸向?qū)ΨQ區(qū)域的徑向?qū)挾瓤梢噪S軸向位置的變化而增加或減少。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，在晶錠恒定直徑部分生長(zhǎng)過(guò)程中V/G0的變化可以起初產(chǎn)生具有一軸向長(zhǎng)度的單一空位為主的區(qū)域，上述軸向長(zhǎng)度等于或小于晶錠恒定直徑部分的軸向長(zhǎng)度；也就是說(shuō)，空位為主的軸向?qū)ΨQ區(qū)域具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠恒定直徑部分軸向長(zhǎng)度的1％，更優(yōu)選的是至少約5％，更優(yōu)選的是至少約10％，更優(yōu)選的是至少約25％，更優(yōu)選的是至少約50％，更優(yōu)選地是至少約75％，及還更優(yōu)選的是至少約為90％。一般，這個(gè)實(shí)施例是優(yōu)選的，因?yàn)樵诰w的恒定直徑部分生長(zhǎng)過(guò)程中，它可供最大生長(zhǎng)速率V用。盡管目前較少優(yōu)選，在另一個(gè)實(shí)施例中，可能理想情況是起初具有多個(gè)(比如至少2，3，4，5，6，7，8，9或甚至10個(gè))被填隙為主的區(qū)域分開(kāi)的不連續(xù)的空位為主的區(qū)域。不管起初在晶錠的恒定直徑部分內(nèi)是否有一個(gè)或多個(gè)空位為主的區(qū)域，一般優(yōu)選的是在晶錠的恒定直徑部分中起初空位為主的軸向?qū)ΨQ區(qū)域的附聚體積占據(jù)晶錠恒定直徑部分總體積的至少約1％，更優(yōu)選的是至少約5％，更優(yōu)選的是至少約10％，更優(yōu)選的是至少約25％，更優(yōu)選的是至少約50％，更優(yōu)選地是至少約75％，及還更優(yōu)選的是至少約90％。
當(dāng)晶錠正生長(zhǎng)時(shí)，一般讓前面的晶錠固化部分冷卻。然而，在本發(fā)明的方法中，空位為主的區(qū)域保持在一個(gè)溫度下，直到晶錠的側(cè)面表面加熱到硅自填隙注入這個(gè)區(qū)域時(shí)為止，上述保持的溫度超過(guò)附聚的空位缺陷形成時(shí)的溫度。一般，成核作用溫度隨本征點(diǎn)缺陷的濃度增加而增加。此外，附聚空位型缺陷的成核溫度范圍稍大于附聚填隙型缺陷的成核溫度范圍；按另一種方式說(shuō)，在直拉法生長(zhǎng)的單晶硅中通常產(chǎn)生的空位濃度范圍內(nèi)，附聚的空位缺陷成核溫度一般在約1000℃和約1200℃之間及典型的是在約1000℃和1100℃之間，而在直拉法生長(zhǎng)的單晶硅中通常產(chǎn)生的硅自填隙濃度范圍內(nèi)，附聚的填隙缺陷的成核溫度一般在約850℃和約1100℃之間及典型的是在約870℃和約970℃之間。
在讓空位為主的區(qū)域冷卻到溫度高于空位可以成核的溫度之后，晶錠的側(cè)表面或晶錠的一部分被重新加熱；也就是說(shuō)，在開(kāi)始冷卻之后，熱量加到側(cè)表面上以便在晶錠的側(cè)表面和內(nèi)部之間產(chǎn)生一個(gè)熱梯度。通常，將表面加熱到一個(gè)足以產(chǎn)生至少約10℃/cm(當(dāng)從晶錠表面朝向空位為主的區(qū)域測(cè)量時(shí))熱梯度的溫度，更優(yōu)選的是具有至少約20℃/cm，30℃/cm，40℃/cm，50℃/cm或高于50℃/cm的梯度。因而，將側(cè)表面加熱到溫度為至少約1200℃，更優(yōu)選的是至少約1250℃，和最優(yōu)選的是至少約1300℃，但低于硅的固化溫度(亦即約1410℃)。然而，根據(jù)實(shí)際情況，難以將側(cè)表面加熱到接近硅的固化溫度并且還能產(chǎn)生所希望的熱梯度。因此，盡管側(cè)表面可以加熱到溫度約1200℃-1400℃的范圍，但更優(yōu)選的是將側(cè)表面加熱到約1300℃-約1375℃的溫度范圍，及最優(yōu)選的是加熱到約1325℃-1350℃的溫度范圍。
由于晶錠在加熱側(cè)表面之前的溫度通常是沿著晶錠的半徑從晶錠的側(cè)表面朝軸線方向增加，以致側(cè)表面溫度是處于低于晶錠內(nèi)部的溫度下，所以可能是在加熱表面時(shí)，在側(cè)表面和距離小于晶錠半徑處的一個(gè)區(qū)域之間可以產(chǎn)生熱梯度，并且事實(shí)上只在側(cè)表面和在小于側(cè)表面到空位為主的區(qū)域外部邊界的距離的一個(gè)距離處的區(qū)域之間延伸的距離范圍內(nèi)存在。結(jié)果，填隙的熱誘生向內(nèi)流量可能只遍布半徑的約20％，40％，60％，80％或80％以上。盡管溫度梯度可能不從側(cè)表面延伸到空隙為主的區(qū)域，但可以認(rèn)為硅自填隙濃度梯度將提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，以使填隙的熱誘生的流量擴(kuò)大到溫度梯度范圍之外，因此填隙繼續(xù)向空位為主的區(qū)域擴(kuò)散到溫度梯度之外。用不同的說(shuō)法，一旦填隙由熱梯度產(chǎn)生，它們繼續(xù)擴(kuò)散到濃度更小的區(qū)域，因此擴(kuò)散到空位為主的區(qū)域。
按照上述條件加熱晶錠的側(cè)表面造成在側(cè)表面處填隙的濃度Cis增加。然后填隙將向晶錠的內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)填隙擴(kuò)散到空位為主的區(qū)域中時(shí)，其中一部分填隙將與空位結(jié)合，同時(shí)造成空位的濃度Cis減少和填隙的濃度Ci增加。繼續(xù)加熱后者表面并保持其中溫度梯度將使填隙的流量繼續(xù)，以致內(nèi)部的填隙濃度Ci將通過(guò)向內(nèi)擴(kuò)散最終達(dá)到與表面處平衡濃度相同的值Cis。因此，晶錠內(nèi)部的填隙溶解將變得過(guò)飽和一個(gè)倍數(shù)S＝Cis/Cie，因?yàn)閮?nèi)部的平衡濃度Cie低于表面的值Cis。
在達(dá)到這個(gè)目的的方法中，空位為主區(qū)域中的空位將湮滅，因此減少了空位為主的區(qū)域中空位的濃度Cis。因而，將形成飽和同樣倍數(shù)S下的空位。倘若足夠的填隙流入空位為主的區(qū)域，則空位為主的區(qū)域可以轉(zhuǎn)變成其中Ci＞Cis填隙為主的區(qū)域。
在沒(méi)有掌握一特定理論情況下，可以認(rèn)為在填隙注入過(guò)程中正好在某一點(diǎn)處，在距晶錠軸線一個(gè)距離ro處前面存在有空位湮滅，從而留下了一個(gè)空位為主的區(qū)域，該區(qū)域具有一個(gè)還沒(méi)有湮滅的初始空位的半徑ro和一個(gè)圍繞其余空位為主區(qū)域同心式定位的環(huán)形區(qū)，該環(huán)形區(qū)具有一最小半徑r＞ro，其中起初存在的空位已經(jīng)湮滅。在前面湮滅處(在r＝ro處)的填隙濃度Ci比晶體表面處(此處是平衡值Cis)小得多。因而有一個(gè)填隙的徑向向內(nèi)流量；濃度場(chǎng)可以作為準(zhǔn)穩(wěn)狀態(tài)處理，并且那樣用圓柱幾何體的慣用公式說(shuō)明，其中Ci＝Cisln(r/ro)/ln(R/ro)(1)式中R是晶錠的半徑。填隙流到空位為主區(qū)域的總向內(nèi)通量Q定義為Q＝2πDiCis/ln(R/ro) (2)由于按照方程(3)所述的填隙向內(nèi)流量Q，空位為主區(qū)域直徑減小為d(πro2Cv)/dt＝-Q (3)而且，通過(guò)將方程(2)代入方程(3)并使最終方程平衡，空位為主區(qū)域半徑的動(dòng)態(tài)減少可以說(shuō)明如下roln(R/ro)dro/dt＝-DiCis/Cv(4)方程(4)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化成(ro/R)2ln[(ro/R)2/e]＝-1+(4DiCis/R2Cv)t (5)因此完全湮滅空位為主的區(qū)域所需時(shí)間周期是在空位為主的區(qū)域半徑減小到零時(shí)發(fā)生，上述時(shí)間周期以后稱之為湮滅時(shí)間ta，因此在方程(5)中r＝0得到公式為ta＝R2Cis/4DiCis(6)因此，湮滅時(shí)間依賴于空位的濃度Cis，晶錠的直徑R，及自擴(kuò)散乘積DiCie，該自擴(kuò)散乘積DiCie強(qiáng)烈依賴于溫度。因此溫度應(yīng)盡可能高，以便增加自擴(kuò)散乘積和減少湮滅時(shí)間。例如，測(cè)定了具有典型空位濃度的150mm晶錠的空位湮滅時(shí)間，當(dāng)側(cè)表面加熱到約1200℃溫度時(shí)為至少約160小時(shí)，當(dāng)側(cè)表面加熱到約1250℃溫度時(shí)為至少約45小時(shí)，及當(dāng)側(cè)表面加熱到約1300℃溫度時(shí)為至少約14小時(shí)，以便完全湮滅空位為主的區(qū)域。而且，在一規(guī)定溫度下與較小直徑的晶錠相比較大直徑的晶錠需要更長(zhǎng)的時(shí)間周期來(lái)加熱側(cè)表面。例如，200mm晶錠的空位湮滅時(shí)間，當(dāng)側(cè)表面加熱到1200℃溫度時(shí)為至少約284小時(shí)，當(dāng)側(cè)表面加熱到約1250℃溫度時(shí)為至少約80小時(shí)，及當(dāng)側(cè)表面加熱到約1300℃時(shí)為至少約25小時(shí)。300mm晶錠的空位湮滅時(shí)間，當(dāng)側(cè)表面加熱到約1200℃溫度時(shí)為至少約640小時(shí)當(dāng)側(cè)表面加熱到約1250℃時(shí)為至少約180小時(shí)，及當(dāng)側(cè)表面加熱到約1300℃溫度時(shí)至少約56小時(shí)。因而，側(cè)表面優(yōu)選的是加熱時(shí)間周期為至少約10小時(shí)，至少約25小時(shí)，至少約30小時(shí)，至少約100小時(shí)，并甚至可以加熱時(shí)間周期為至少約500小時(shí)或500小時(shí)以上。
通過(guò)將晶錠轉(zhuǎn)變成“半無(wú)缺陷”型可以大大減少湮滅時(shí)間。也就是說(shuō)，其中只有一部分空位為主的區(qū)域轉(zhuǎn)變成填隙為主的區(qū)域的晶錠。用于轉(zhuǎn)變一半無(wú)缺陷晶體所需退火時(shí)間的公式可以用-RV/I代替晶體半徑R得到，此處RV/I是V/I邊界位置的半徑。所需時(shí)間減少這兩個(gè)數(shù)值之比的平方倍。在這方面，應(yīng)該注意，在加熱期間及因此在填隙注入期間，可以與上述情況不同。優(yōu)選的是，湮滅整個(gè)空位為主的區(qū)域，以使最終的區(qū)域都轉(zhuǎn)變成填隙為主的區(qū)域。
還應(yīng)該注意，結(jié)果是區(qū)域變成填隙為主，繼續(xù)加熱可能會(huì)造成填隙濃度增加到大于晶錠冷卻時(shí)附聚的填隙缺陷成核所需的濃度水平。然而，如上所述，附聚的填隙缺陷成核作用可以避免或可供選擇地加以抑制，以便只形成B型缺陷。因此，加熱側(cè)表面的時(shí)間周期超過(guò)此處所述的那些時(shí)間僅造成填隙的濃度增加，填隙濃度的增加可以隨后如下所述進(jìn)行抑制。
按照本發(fā)明的方法，倘若可以將至少約10℃/cm的溫度梯度保持如上所述足夠長(zhǎng)的時(shí)間周期，則側(cè)表面可以用該領(lǐng)域中任何已知的方法加熱，用于將硅加熱到超過(guò)1200℃的溫度。因此根據(jù)實(shí)際情況，不希望將晶錠整個(gè)外表面同時(shí)加熱?？梢哉J(rèn)為為了達(dá)到和保持所需的溫度梯度，必需讓晶錠中心的熱量在軸向上逸出。同時(shí)加熱整個(gè)晶錠將防止這種冷卻路線用于晶錠的中心，并且晶錠最終加熱到一個(gè)恒定的溫度，因此清除了溫度梯度。因此優(yōu)選的是，采用環(huán)形加熱器來(lái)加熱側(cè)表面，其中使環(huán)形加熱器和側(cè)表面這樣彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以使整個(gè)側(cè)表面最終按上述條件加熱。環(huán)形加熱器可以同心式圍繞晶錠設(shè)置在生長(zhǎng)室內(nèi)固定位置中，以便當(dāng)從熔體提拉晶錠時(shí)，使側(cè)表面通過(guò)環(huán)形加熱器?？晒┻x擇地，環(huán)形加熱器可以同心式圍繞晶錠設(shè)置在生長(zhǎng)室內(nèi)，以使它可以在晶錠軸線的方向上升或下降。此外，環(huán)形加熱器可以在提拉室內(nèi)設(shè)置在與晶錠軸線同心的固定位置中，以便當(dāng)側(cè)表面被拉入拉晶室中時(shí)通過(guò)環(huán)形加熱器，或者，它可以沿著晶錠的軸線活動(dòng)，以便使晶錠可以上升到拉晶室中，此后環(huán)形加熱器可以沿著晶錠的軸線通過(guò)，以使側(cè)表面按本發(fā)明的要求加熱。
若已知環(huán)形加熱器的長(zhǎng)度或者更精確地說(shuō)用環(huán)形加熱器的熱區(qū)所加熱的側(cè)表面部分的長(zhǎng)度L及環(huán)形加熱器與晶錠的相對(duì)速度V，則側(cè)表面的停延時(shí)間按L/V計(jì)算。換句話說(shuō)，在用環(huán)形加熱器加熱的側(cè)表面部分的長(zhǎng)度，環(huán)形加熱器相對(duì)于晶錠的速度，及這樣加熱側(cè)表面使停延時(shí)間等于L/V的停延時(shí)間之間有關(guān)系。因此一旦溫度和加熱持續(xù)時(shí)間確定，該領(lǐng)域的技術(shù)人員就可以確定環(huán)形加熱器和側(cè)表面必需運(yùn)動(dòng)的速度。實(shí)際上說(shuō)，長(zhǎng)度L不會(huì)比一個(gè)晶錠的直徑大許多，因?yàn)闊崃繌臒岬谋砻娴捷^冷內(nèi)部的徑向向內(nèi)流量必須在軸向方向上從晶錠的中心除去，以便保持如上所述所需溫度梯度。
例如，在150mm晶錠其中側(cè)表面如上所述加熱到約1300℃溫度保溫14小時(shí)情況下，若用其中L為約150mm的最大長(zhǎng)度環(huán)形加熱器，則環(huán)形加熱器相對(duì)于側(cè)表面的速度必需為約0.17mm/min或更小。對(duì)一種晶錠其中晶錠的恒定直徑部分長(zhǎng)度為1000mm，總退火時(shí)間約100小時(shí)，以便加熱沿著晶錠恒定直徑部分整個(gè)長(zhǎng)度延伸的側(cè)表面。盡管這種方法保留了一個(gè)實(shí)際可供選擇的方案，此處側(cè)表面在晶錠完全生長(zhǎng)之后加熱，但所需的速度比所希望的拉速小很多，以便產(chǎn)生空位為主的區(qū)域并因此使拉晶機(jī)的生產(chǎn)率最大。因而，在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中單一環(huán)形加熱器必需在軸向方上移動(dòng)，以使加熱器相對(duì)于側(cè)表面速度產(chǎn)生如上所述所需的停延時(shí)間。然而，在這些條件下，晶錠在晶錠生長(zhǎng)完成之后必需留在拉晶機(jī)中直至退火過(guò)程完工時(shí)為止。例如在上述例子中，退火過(guò)程花費(fèi)100小時(shí)，因而晶錠的恒定直徑部分在典型的拉速1.0mm/min下將在不到17小時(shí)內(nèi)完成。因此，拉晶機(jī)的生產(chǎn)率顯著下降。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可以用幾個(gè)環(huán)形加熱器來(lái)顯著減少沿著晶錠恒定直徑部分整個(gè)軸線將側(cè)表面退火所需的總時(shí)間。而且，在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中可以控制加熱器沿著晶錠的軸線移動(dòng)，以便滿足所需的加熱條件。因此，假定各環(huán)形加熱器相同，則按如上計(jì)算出的時(shí)間將減少若干倍，該減少的倍數(shù)等于環(huán)形加熱器的數(shù)目。實(shí)際上說(shuō)來(lái)，這些加熱器元件必需間隔開(kāi)某種大于晶體直徑的距離，以便提供在晶錠中心處的軸向冷卻，使之能保持所需的熱梯度。因此長(zhǎng)度等于晶體直徑的環(huán)形加熱器最大數(shù)目，等于晶錠恒定直徑部分的長(zhǎng)度除以加熱器長(zhǎng)度的兩倍。例如對(duì)恒定直徑部分長(zhǎng)度為1000mm的150mm晶錠，長(zhǎng)度等于約150mm的環(huán)形加熱器最大數(shù)目近似為6。用6個(gè)環(huán)形加熱器將有效地把加熱整個(gè)側(cè)表面所需的總時(shí)間減少到約17小時(shí)。在不脫離本發(fā)明范圍情況下，各種環(huán)形加熱器的精確及環(huán)加熱器之間的間隔可以改變。
應(yīng)該注意，倘若空位為主的區(qū)域保持高于附聚的本征點(diǎn)缺陷成核的溫度，則側(cè)表面可以在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中加熱，在晶錠生長(zhǎng)之后立即加熱，或者可以在晶錠生長(zhǎng)之后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里不加熱。因而，空位為主的區(qū)域可以在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中加熱，在晶錠生長(zhǎng)之后立即加熱，或者可以在晶錠生長(zhǎng)之后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里不加熱。因而，空位為主的區(qū)域可以保持高于成核溫度直到側(cè)表面加熱到使硅自填隙向上述區(qū)域注入這樣的時(shí)間。照這樣，晶錠可以從拉晶機(jī)中取出，移到另一個(gè)位置，以便可以將拉晶機(jī)冷卻供后面的晶錠生長(zhǎng)用，因此使填隙注入過(guò)程與晶體生長(zhǎng)過(guò)程分離。照這樣，無(wú)論是一個(gè)環(huán)形加熱器還是多個(gè)環(huán)形加熱器都可以用來(lái)將側(cè)表面加熱如上所述的預(yù)定時(shí)間周期，而不影響拉晶機(jī)的生產(chǎn)率。
一旦在上述區(qū)域中空位的濃度減少，優(yōu)選的是低于冷卻時(shí)附聚的空位可以成核的濃度，或者可供選擇地一旦空位為主的區(qū)域轉(zhuǎn)變成填隙為主的區(qū)域，其中硅自填隙的濃度優(yōu)選的是小于冷卻時(shí)附聚的填隙可以成核的濃度，則可以這樣冷卻該區(qū)域，使最終的晶錠基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。
根據(jù)晶錠中空位和自填隙原子的最終濃度和分布，此后可以通過(guò)控制本征點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散和/或通過(guò)急冷晶錠來(lái)避免形成附聚的本征點(diǎn)缺陷。因此，如果保持硅自填隙的流量，以使空位或硅自填隙的最終濃度低于在冷卻時(shí)空位或硅自填隙可以附聚的濃度，則可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)直拉法讓上述區(qū)域冷卻。然而，如果上述區(qū)域或它的一部分轉(zhuǎn)變成填隙為主的區(qū)域，并且填隙的濃度大于冷卻時(shí)填隙可以附聚的濃度，或者如果上述區(qū)域的一部分或全部具有一空位濃度大于冷卻時(shí)空位可以附聚的濃度，則可以這樣控制上述區(qū)域的冷卻速率，使填隙能擴(kuò)散到晶錠的表面和/或朝空位為主的區(qū)域擴(kuò)散并與該區(qū)域中的空位再結(jié)合，因而在冷卻過(guò)程中抑制了空位和/或填隙的濃度，以使最終晶錠基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷(例如參見(jiàn)共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No.09/344,036和09/344,709，本申請(qǐng)包括二者內(nèi)容作為參考)。此外，如果空位或硅自填隙濃度大于冷卻時(shí)空位或硅自填隙可以附聚的濃度，則該區(qū)域可以急冷以使空位或硅自填隙有效地凍結(jié)在原有位置，而不給它們提供足夠的時(shí)間附聚，因此最終的晶錠基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷，如共同未決美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.60/155,725所述，本申請(qǐng)包括其內(nèi)容作為參考。
可供選擇地，在注入填隙后的上述區(qū)域中填隙的濃度可以是這樣，即在冷卻時(shí)，上述區(qū)域含有某些附聚的填隙型缺陷，其中附聚的填隙型缺陷或者只是B型缺陷，或者是B型和A型缺陷。應(yīng)該注意，上述區(qū)域甚至可以這樣冷卻，以便在不脫離本發(fā)明范圍情況下，最終的晶錠具有的附聚空位型本征點(diǎn)缺陷量與在沒(méi)有硅自填隙流量熱致引入空位為主的區(qū)域情況下生產(chǎn)晶錠相比減少。然而，根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)選的是最終的晶錠基本上沒(méi)有附聚的空位缺陷，而甚至更優(yōu)選的是，晶錠基本上沒(méi)有附聚的空位型和填隙型缺陷二者，亦即基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷。
一般，控制平均軸向溫度梯度G0可以主要是通過(guò)拉晶機(jī)的“熱區(qū)”設(shè)計(jì)，亦即制造加熱器的石墨(或其它材料)，隔熱，熱和輻射屏蔽，其中之一來(lái)達(dá)到。盡管設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可以根據(jù)拉晶機(jī)的牌號(hào)和型號(hào)改變，但一般，G0可以用該領(lǐng)域中目前已知的任何裝置控制，用于控制在熔體/固體界面處的熱傳遞，上述裝置包括反射器，輻射屏蔽，排氣管，光導(dǎo)管、及加熱器。一般，G0的徑向變化可以通過(guò)將這一裝置在圍繞一個(gè)晶體直徑范圍內(nèi)定位熔體固體界面的上方減至最小。還可以通過(guò)調(diào)節(jié)裝置相對(duì)于熔體和晶體的位置來(lái)控制G0。這是或者通過(guò)調(diào)節(jié)裝置在熱區(qū)中的位置，或者通過(guò)調(diào)節(jié)熔體表面在熱區(qū)中的位置來(lái)完成的。此外，當(dāng)應(yīng)用加熱器時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)加到加熱器上的電力來(lái)控制G0。在一批次直拉法中，其中在該方法中熔體的體積用盡，可以采用這些方法的其中之一或全部。
拉速視晶體直徑和拉晶機(jī)設(shè)計(jì)二者而定。常規(guī)拉晶體法中的拉速用于200mm直徑的晶體通常是0.5mm/min-1.0mm/min，而用于300mm直徑的晶體通常是0.3mm/min-0.7mm/min。然而本發(fā)明能用高約0.8mm/min，約1mm/min，約1.5mm/min，約2mm/min及甚至高達(dá)的3mm/min或3mm/min以上的拉速。應(yīng)該注意，高于3mm/min的拉速通常推動(dòng)目前拉晶機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)用極限。然而，拉晶機(jī)可以設(shè)計(jì)成能使拉速超過(guò)上述那些拉速。結(jié)果，最優(yōu)選的是拉晶機(jī)將設(shè)計(jì)成能使拉速盡可能快，只要它們最終形成單晶硅錠。
由于本發(fā)明優(yōu)選的是利用高生長(zhǎng)速率，該高生長(zhǎng)速率可供空位為主的區(qū)域用并提供一種在晶錠固化之后和冷卻之前抑制空位濃度的方法，所以生長(zhǎng)過(guò)程不僅可用于更大的生產(chǎn)率，而且還更耐用，并且允許比現(xiàn)有技術(shù)的方法有更多的方法可變性。例如，在晶錠生長(zhǎng)過(guò)程中，G0可以隨各部件變成涂裝式而改變，并且不準(zhǔn)確的拉速校準(zhǔn)和直徑波動(dòng)可以導(dǎo)致拉晶時(shí)的變化，它們?nèi)伎赡茈S晶錠變化而導(dǎo)致V/G0變化。同樣拉晶機(jī)部件的老化會(huì)造成在同一拉晶機(jī)中生長(zhǎng)的晶體即使預(yù)定通過(guò)相同的生長(zhǎng)條件晶體之間也有變化。因此，即使V/G0隨晶體長(zhǎng)度變化而改變或因晶體不同而改變，按照本發(fā)明實(shí)施的的方法能夠在任何可以產(chǎn)生出以空位為初始主要本征點(diǎn)缺陷的單晶硅的V/G0值上，始終如一地產(chǎn)生出基本上沒(méi)有附聚缺陷的硅錠。定義應(yīng)該注意，如此處所用的，下列術(shù)語(yǔ)應(yīng)具有規(guī)定的意思“附聚的本征點(diǎn)缺陷”意思是指缺陷由(I)空位在其中附聚的反應(yīng)或(ii)自填隙在其附聚的反應(yīng)引起；“附聚的空位缺陷”意思是指由其中晶格空位附聚的反應(yīng)所引起的附聚的空位點(diǎn)缺陷，一些例子包括D缺陷，流動(dòng)圖形缺陷，柵氧化物完整性缺陷，晶體原生粒子缺陷，及晶體原生輕微點(diǎn)缺陷；“附聚的填隙缺陷”意思是指由其中硅自填隙原子附聚形成A缺陷(包括位錯(cuò)環(huán)和網(wǎng)絡(luò))和B缺陷的反應(yīng)所引起的附聚的本征點(diǎn)缺陷；“B缺陷”意思是指小于A缺陷并且如果經(jīng)受如此處進(jìn)一步說(shuō)明的熱處理能夠溶解的附聚的填隙缺陷；“半徑”意思是指從一單晶硅樣品如晶片或者硅錠棒或板的中心軸線到周邊測(cè)得的距離；“基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷”意思是指附聚的缺陷濃度小于這些缺陷的檢測(cè)限，上述檢測(cè)限目前約為104缺陷/cm3；“空位為主的”和“自填隙為主的”意思是指其中本征點(diǎn)缺陷分別是空位或自填隙占優(yōu)勢(shì)的材料；及“附聚的本征點(diǎn)缺陷目視檢測(cè)”及其變化，涉及在普通白熾燈或熒光燈光源，或任選的平行或其它增強(qiáng)光源下用肉眼檢測(cè)這些缺陷，而不用任何別的方法幫助缺陷檢測(cè)或產(chǎn)生缺陷放大的儀器如光學(xué)或紅外顯微鏡，X射線衍射，或激光散射。附聚的缺陷檢測(cè)附聚的缺陷可以用許多不同的技術(shù)檢測(cè)。例如，流動(dòng)圖形缺陷或D缺陷通常是通過(guò)在一種Secco腐蝕液中優(yōu)先腐蝕單晶硅樣品30分鐘，和然后使樣品經(jīng)受顯微鏡檢查來(lái)進(jìn)行檢測(cè)(比如參見(jiàn)H.Yamagishi等的Semicond.Sci.Technol.7，A135(1992))。盡管標(biāo)準(zhǔn)方法用于檢測(cè)附聚的空位缺陷，但該方法也可以用于檢測(cè)A缺陷。當(dāng)采用這種技術(shù)時(shí)，這些缺陷當(dāng)存在時(shí)在樣品表面上表現(xiàn)為大的凹坑。
此外，附聚的本征點(diǎn)缺陷可以通過(guò)用一種能在加熱時(shí)擴(kuò)散到單晶硅基體中的金屬將這些缺陷染色進(jìn)行目視檢測(cè)。具體地說(shuō)，單晶硅樣品如晶片，棒或板可以通過(guò)首先用一種含有能給這些缺陷染色的金屬如硝酸銅濃溶液涂覆樣品的表面目視檢查這些缺陷是否存在。然后將涂覆的樣品加熱到約900℃和約1000℃之間的一個(gè)溫度保溫約5分鐘-約15分鐘，以便使金屬擴(kuò)散進(jìn)樣品中。然后將熱處理過(guò)的樣品冷卻至室溫，這樣使金屬成臨界過(guò)飽和并沉淀在樣品基體內(nèi)存在缺陷的地點(diǎn)處。
冷卻之后，樣品首先經(jīng)受無(wú)缺陷描繪圖形腐蝕，通過(guò)用光亮腐蝕液處理樣品8-12分鐘，以便除去表面殘留和沉淀物。典型的光亮腐蝕液包括約55％硝酸(按重量計(jì)70％溶解)，約20％氫氟酸(按重量計(jì)49％)，和約25％氫氯酸(濃溶液)。
然后將樣品用去離子水清洗，并通過(guò)將樣品浸入Secco或Wright腐蝕液或用上述腐蝕液處理樣品約35-約55分鐘經(jīng)受一第二腐蝕步驟。典型的是，樣品用一種Secco腐蝕液進(jìn)行腐蝕，上述Secco腐蝕液包括約1∶2的0.15M重鉻酸鉀和氫氟酸(按重量計(jì)49％溶液)。這個(gè)腐蝕步驟起顯露或描繪可能存的附聚的缺陷作用。
在這種“缺陷染色”法的一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，單晶硅樣品在施加含金屬的組成之前經(jīng)受熱退火。通常，樣品加熱到約850℃-約950℃溫度范圍內(nèi)保溫約3小時(shí)-約5小時(shí)。這個(gè)實(shí)施例在用于檢測(cè)B型硅自填隙附聚的缺陷場(chǎng)合特別好。在不掌握特定理論情況下，一般認(rèn)為；這種熱處理起穩(wěn)定和生長(zhǎng)B缺陷作用，因此它們更容易染色和檢測(cè)。
附聚的空位缺陷也可以用激光散射技術(shù)如激光散射層析X射線照相術(shù)檢測(cè)，該技術(shù)通常具有比其它腐蝕技術(shù)低的缺陷密度檢測(cè)限。
一般，填隙為主和空位為主無(wú)附聚缺陷的材料的各區(qū)域可以用上述銅染色技術(shù)相互區(qū)別及與含附聚缺陷的材料區(qū)別開(kāi)。無(wú)缺陷填隙為主的材料各個(gè)區(qū)域不含有用腐蝕顯露的染色特點(diǎn)，而無(wú)缺陷空位為主的材料(在如上述高溫氧核溶解之前)各個(gè)區(qū)域由于氧核銅染色而含有小的腐蝕坑。
鑒于上述情況，可以看出，本發(fā)明的幾個(gè)目的都達(dá)到了。因?yàn)樵诓幻撾x本發(fā)明范圍的情況可以進(jìn)行各種改變，所以試圖把上述說(shuō)明中所涉及的所有內(nèi)容都看作是示例性的而沒(méi)有限制的意義。此外，當(dāng)介紹本發(fā)明或其實(shí)施例的各元件時(shí)，冠詞“A”，“An”，“The”和“上述”打算意思是指有一個(gè)或一個(gè)以上元開(kāi)素包含”，“包括”和“具有”打算是包括在內(nèi)并且意思是指可以有所列元素之外的附加元素。
權(quán)利要求
1.一種制備硅單晶的方法，其中熔化的硅按照直拉法固化在一個(gè)晶體上，以便形成一個(gè)晶錠，該晶錠具有一個(gè)中心軸線，一個(gè)籽晶錐，一個(gè)端錐，一個(gè)在籽晶錐和端錐之間具有一側(cè)表面的恒定直徑部分，及一個(gè)從中心軸線延伸到側(cè)表面的半徑，該方法包括在恒定直徑部分內(nèi)部形成一個(gè)區(qū)域，其中空位是主要的本征點(diǎn)缺陷；將晶錠的側(cè)表面加熱到一個(gè)溫度，該溫度超過(guò)上述區(qū)域中的溫度，以便使硅自填隙原子從熱的表面向里流入上述區(qū)域，這樣減少上述區(qū)域中的空位濃度；以及，使上述區(qū)域溫度在高于溫度TA下保溫，在上述區(qū)域形成和從側(cè)表面向內(nèi)流入硅自填隙原子之間的這段時(shí)間里，在上述溫度TA下發(fā)生空位點(diǎn)缺陷附聚成附聚的缺陷。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠的恒定直徑部分長(zhǎng)度的10％。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
6.權(quán)利要求4所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠的恒定直徑部分長(zhǎng)度的50％。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
9.權(quán)利要求7所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中晶錠的恒定直徑部分的至少約20％在側(cè)表面加熱使硅自填隙原子向里流入之前形成。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠的恒定直徑部分長(zhǎng)度的10％。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
13.權(quán)利要求11所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
14.權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)在軸向方向上測(cè)量時(shí)，側(cè)表面的不大于晶錠恒定直徑部分軸向長(zhǎng)度約25％的長(zhǎng)度同時(shí)加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度，以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流入上述區(qū)域。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠恒定直徑部分長(zhǎng)度的50％。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
17.權(quán)利要求15所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)在軸向方向上測(cè)量時(shí)，側(cè)表面不大于晶錠恒定直徑部分軸向長(zhǎng)度約50％的長(zhǎng)度同時(shí)加熱到一個(gè)超過(guò)上述區(qū)域溫度的溫度，以使硅自填隙原子從加熱的表面向里流入上述區(qū)域。
19.權(quán)利要求1所述的方法，其中用一個(gè)加熱器來(lái)加熱側(cè)表面，加熱器環(huán)繞晶錠，并且當(dāng)晶錠用直拉法生長(zhǎng)時(shí)加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對(duì)地移動(dòng)。
20.權(quán)利要求1所述的方法，其中用一個(gè)加熱器來(lái)加熱側(cè)表面，加熱器環(huán)繞晶錠，并且在晶錠已用直拉法生長(zhǎng)和與熔體脫離之后，加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對(duì)地移動(dòng)。
21.權(quán)利要求1所述的方法，其中上述表面加熱到一個(gè)高于1200℃但低于硅熔點(diǎn)的溫度。
22.權(quán)利要求1所述的方法，其中將上述表面加熱到一個(gè)至少約1300℃-約1375℃的溫度。
23.權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成上述區(qū)域和流入硅自填隙原子之間的這段時(shí)間里，上述區(qū)域的溫度保持在至少約1100℃或更高的溫度下。
24.權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成上述區(qū)域和流入硅自填隙原子之間的這段時(shí)間里，上述區(qū)域的溫度保持在至少約1150℃或更高的溫度下。
25.權(quán)利要求1所述的方法，其中在加熱步驟之后上述區(qū)域中的空位濃度不足以在上述區(qū)域中形成附聚的空位缺陷，與上述區(qū)域從它加熱步驟中的溫度到一不高于1000℃的溫度的冷卻速率無(wú)關(guān)。
26.權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括在低于發(fā)生本征點(diǎn)缺陷附聚的溫度下冷卻上述區(qū)域一段時(shí)間，該時(shí)間足以防止在上述區(qū)域內(nèi)形成附聚的本征點(diǎn)缺陷。
27.權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包括快速冷卻上述區(qū)域通過(guò)一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍下發(fā)生本征點(diǎn)缺陷的附聚，上述區(qū)域是以至少約10℃/min的速率冷卻。
28.權(quán)利要求1所述的方法，其中流入硅自填隙原子足以使硅自填隙原子成為上述區(qū)域中主要的本征點(diǎn)缺陷。
29.權(quán)利要求28所述的方法，其中在加熱步驟之后上述區(qū)域中硅自填隙原子的濃度不足以在上述區(qū)域中形成附聚的填隙型缺陷，這與上述區(qū)域從加熱步驟中的溫度到一不高于約850℃的溫度的冷卻速率無(wú)關(guān)。
30.權(quán)利要求28所述的方法，其中在加熱步驟之后上述區(qū)域中的硅自填隙原子的濃度不足以在上述區(qū)域中形成附聚的與B型缺陷不同的填隙型缺陷，這與上述區(qū)域從加熱步驟中的溫度到一不高于約850℃的溫度的冷卻速率無(wú)關(guān)。
31.權(quán)利要求28的方法，還包括將在低于發(fā)生本征點(diǎn)缺陷的溫度下冷卻上述區(qū)域一段時(shí)間，該時(shí)間足以防止在上述區(qū)域內(nèi)形成附聚的本征點(diǎn)缺陷。
32.權(quán)利要求28所述的方法，該方法還包括快速冷卻上述區(qū)域通過(guò)一個(gè)溫度范圍，在該溫度范圍下發(fā)生本征點(diǎn)缺陷的附聚，同時(shí)上述區(qū)域以至少約10℃/min的速率冷卻。
33.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
34.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
35.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠恒定直徑部分長(zhǎng)度的10％。
36.權(quán)利要求35所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
37.權(quán)利要求35所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
38.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線對(duì)稱，并具有一軸向長(zhǎng)度至少約為晶錠恒定直徑部分長(zhǎng)度的50％。
39.權(quán)利要求38所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線旋轉(zhuǎn)，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的10％。
40.權(quán)利要求38所述的方法，其中上述區(qū)域繞晶錠的恒定直徑部分的軸線旋轉(zhuǎn)，并具有一徑向?qū)挾戎辽偌s為半徑的50％。
41.權(quán)利要求28所述的方法，其中用一個(gè)加熱器來(lái)加熱側(cè)表面，加熱器環(huán)繞晶錠，并且在晶錠已用直拉法生長(zhǎng)和與熔體脫離之后，加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對(duì)地移動(dòng)。
42.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述表面加熱一個(gè)高于1200℃但低于硅熔點(diǎn)的溫度。
43.權(quán)利要求28所述的方法，其中上述表面加熱到一個(gè)至少約1300℃-約1375℃的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于生長(zhǎng)單晶硅錠的方法，上述單晶硅錠含有一個(gè)基本上沒(méi)有附聚的本征點(diǎn)缺陷的軸向上對(duì)稱的區(qū)域。上述方法包括(i)在恒定直徑部分內(nèi)部形成一個(gè)其中空位是主要本征點(diǎn)缺陷的區(qū)域；(ii)加熱晶錠的側(cè)表面以使硅自填隙原子從加熱的表面熱誘生向里流入上述區(qū)域，這樣減少上述區(qū)域的空位濃度；及(iii)使上述區(qū)域在高于溫度T
文檔編號(hào)C30B15/14GK1473213SQ01818313
公開(kāi)日2004年2月4日 申請(qǐng)日期2001年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月3日
發(fā)明者R·J·法爾斯特, V·沃龍科夫, R J 法爾斯特, 品 申請(qǐng)人:Memc電子材料有限公司