專利名稱：用于八英寸重?fù)缴橹崩鑶尉е圃斓纳喜繜釄龅闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于八英寸重?fù)缴橹崩鑶尉е圃斓纳喜繜釄霰尘凹夹g(shù)重?fù)街崩鑶尉в脕砩a(chǎn)外延襯底。在低電阻率的重?fù)揭r底上長一層高電阻率的外延層可以解決雙極晶體管的高擊穿電壓(要求使用高電阻率的硅片)與低集電極電阻的矛盾，可以降低雙極晶體管的功率消耗，改善其高頻訊號的回應(yīng)效果。在低電阻率的重?fù)焦枰r底上長一層高電阻率的硅外延層也可用來解決CMOS元件的閉鎖問題。
器件制造需要低的襯底電阻率，但晶體中的摻雜劑的濃度受其在晶體中的固溶度的限制，N型摻雜劑在硅單晶中的固溶度分別是1.3×1021atoms/cm3(磷)、1.7×1021atoms/cm3(砷)、7×1019atoms/cm3(銻)。晶體中摻雜劑的濃度除了受固溶度的限制外還受拉晶過程中的其它條件限制，四英寸<111>硅單晶能達(dá)到的最低電阻率分別為0.004Ωcm(銻)、0.0007Ωcm(磷)、0.0012Ωcm(砷)。實際上，濃度接近極限值時晶體生長已經(jīng)非常困難，在0.002-0.004Ωcm的范圍內(nèi)一般選用重?fù)缴楣杵?br> 在降低成本壓力相對較小的非DRAM類IC制造工藝中，八英寸重?fù)揭r底硅外延片的使用量越來越大，因此，研究生產(chǎn)八英寸重?fù)缴楣鑶尉в泻芎玫氖袌銮熬叭毡緦＠墨I(xiàn)公開發(fā)表過如圖1所示的上部熱蕩，其發(fā)明人試圖用這樣尺寸的上部熱場來改善熔體上部的流場和溫度場。與普通CZ生長過程相比，不同之處是在熔體上部增加了一個用高純石墨制作的導(dǎo)氣筒，起保溫和導(dǎo)氣作用，在拉晶過程中，長出的單晶通過導(dǎo)氣筒提拉至副室中。
CZ單晶爐的組成如圖2所示，主要由四部分組成(一)爐體包括石英坩堝、石墨坩堝(用來支撐石英坩堝)、加熱及絕熱部件、爐壁等，爐體內(nèi)這些影響傳熱及溫度分布的部件，一般稱為熱場；(二)單晶/坩堝拉升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括籽晶夾頭、鋼絲繩及提升旋轉(zhuǎn)裝置；(三)氣氛及壓力控制系統(tǒng)包括氬氣流量控制、真空系統(tǒng)及壓力自動控制閥；(四)控制系統(tǒng)傳感器、計算機(jī)控制系統(tǒng)。
電阻率極低的八英寸重?fù)缴橹崩鑶尉?電阻率小于0.0035Ωcm)的生產(chǎn)是極困難的，主要原因有兩個(一)生產(chǎn)電阻率小于0.0035Ωcm的重?fù)缴橹崩鑶尉r，硅熔體中砷的濃度大于6×1019atoms/cm3，高濃度的砷使熔硅表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的揮發(fā)現(xiàn)象，揮發(fā)產(chǎn)生的particle容易掉落回硅熔體中導(dǎo)致無位錯生長(dislocation-free)過程終止。生長八英寸重?fù)缴楣鑶尉П仨毷褂?8英寸以上的大熱場，熔體上方空間更大，揮發(fā)產(chǎn)生的particle掉落回硅熔體中的機(jī)會更多。
(二)組分過冷現(xiàn)象穩(wěn)態(tài)時固液界面前端的雜質(zhì)分布見圖3(a)，固液界面前端的熔體內(nèi)溫度分布TL(x)線，平衡凝固溫度分布Te(x)線見圖3(b)。如固液界面前端的熔體內(nèi)溫度TL(x)小于平衡凝固溫度Te(x)，固液界面形狀即會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象而形成胞狀結(jié)構(gòu)，這種由雜質(zhì)濃度引起的過冷現(xiàn)象被稱為組分過冷現(xiàn)象。Tiller推導(dǎo)得出避免組分過冷的條件為GV≥-m(1-k0)cL0Dk0]]>即必須滿足(1)溫度梯度G須足夠的大；(2)晶體生長速度須慢；(3)雜質(zhì)濃度CL0須小。在重?fù)诫s(大于1×1019atoms/cm3)硅單晶的生長過程中較易發(fā)生組分過冷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉喜繜釄鏊哂斜卣直卣謨?nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)導(dǎo)氣筒，并固定在保溫罩底部，保溫罩外側(cè)設(shè)有上蓋板，與保溫罩上部相接，并放置在支承筒上，采用導(dǎo)氣內(nèi)筒和保溫罩雙層結(jié)構(gòu)保溫和導(dǎo)流。保溫罩為中空圓錐臺。
本發(fā)明增強(qiáng)了熔體表面氣流的吹掃作用，使18英寸以上的大熱場熔體表面揮發(fā)產(chǎn)生的細(xì)小顆粒被有效地吹離熔體上部；本發(fā)明的新型熱場采用保溫罩加內(nèi)導(dǎo)氣筒的雙層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了對單晶的冷卻作用，從而增大了用18英寸以上的大熱場拉晶時固液界面處的溫度梯度G。本發(fā)明解決了使用18英寸以上的普通大熱場不能拉制八英寸重?fù)缴楣鑶尉У碾y題，取得了良好的效果。
下表為使用新型熱場拉制的三根重?fù)缴楣鑶尉в嘘P(guān)參數(shù)匯總表，表中單晶電阻率小于0.0035Ωcm，氧濃度25-35ppma，電阻率徑向均勻性RRG小于20％(<111>晶向)或小于10％(<100>晶向)，成晶率>55％。



圖1是用于普通高電阻率的直拉硅單晶制造的上部熱場結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是一個典型的普通直拉硅單晶爐示意圖；圖3是組分過冷現(xiàn)象原理圖；圖中(a)在穩(wěn)定狀況下，固液界面前端的雜質(zhì)濃度分布(b)固液界面前端熔體內(nèi)的溫度分布TL和平衡凝固溫度Te曲線，當(dāng)TL低于臨界溫度時過冷現(xiàn)象就發(fā)生；圖4是應(yīng)用本發(fā)明的單晶爐及其熱場結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的上部熱場各組件結(jié)構(gòu)示意圖。
上述圖中提拉頭1、副爐室2、鋼絲繩3、隔離閥4、籽晶夾頭5、晶種6、石英坩堝7、石墨坩堝8、加熱器9、隔熱體10、電極11、坩堝上升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)12、控制系統(tǒng)13、直徑控制探頭14、單晶15、硅熔體16、支承筒17、上蓋板18、內(nèi)導(dǎo)氣筒19、導(dǎo)氣筒20、下爐室21、上蓋板22、保溫罩23。
具體實施例方式
本發(fā)明(圖4熔體上部有剖面線的部分)與普通熱場(圖2)的主要區(qū)別在于本發(fā)明的新型熱場增加了由上蓋板22、支承筒17、內(nèi)導(dǎo)氣筒19、保溫罩23組成的熱場上部，這些部件全部由高純石墨制作。支承筒17、上蓋板18主要起支承和保溫作用，內(nèi)導(dǎo)氣筒19、保溫罩23主要起保溫和調(diào)節(jié)熔體上部流場的作用。內(nèi)導(dǎo)氣筒19、保溫罩23組成的雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了熔體上部的保溫隔熱效果，增加了使用大于等于十八英寸的熱場拉制的單晶的生長界面的溫度梯度，在熔體表面創(chuàng)造了適合于單晶生長的良好的生長條件。
上蓋板22的A、B兩個開孔的尺寸分別略大于單晶爐的直徑控制窗和觀察窗的尺寸，其位置分別由單晶爐爐蓋上的直徑控制窗和觀察窗的位置決定，以不妨礙直徑控制探頭和操作人員的觀察為準(zhǔn)。
保溫罩23的上端直徑D1比單晶爐頸部內(nèi)徑約大30％至50％，上端底角F約為60°至70°，保溫罩23下端外徑D2比所拉制的單晶的直徑約大30至50mm，保溫罩23的高度H的確定原則是上部熱場安裝好后保溫罩23的下沿不會妨礙直徑控制探頭和操作員自單晶爐爐蓋外對單晶生長過程的觀察，在拉晶操作過程中當(dāng)坩堝被放在拉晶位置時保溫罩下沿離液面的距離約為100至150mm。
內(nèi)導(dǎo)氣筒19的內(nèi)徑等于爐蓋頸部內(nèi)徑，其高度比保溫罩23的高度H高30至50mm。
支承筒17的高度確定原則是確保上部熱場安裝好后單晶爐的爐蓋能順利的蓋上且在爐蓋內(nèi)壁與上部熱場的上表面之間留有足夠的熱膨脹空間，并使保溫罩不會擋住拉晶過程中石英坩堝往上移動的路徑。
本發(fā)明的上部熱場的壁厚約為5至10mm。
使用本發(fā)明的上部熱場拉制八英寸重?fù)缴楣鑶尉П仨毰c大于等于十八英寸的普通熱場結(jié)合使用。先將多晶硅全部裝入石英坩堝內(nèi)，降石英坩堝至最低極限位置，裝新型熱場上部(按17、22、23、19的順序安裝)，其它操作步驟與只使用普通熱場時完全一樣，即抽真空、化料、穩(wěn)定、引頸、放肩、轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾、冷卻等。在拉晶過程中，單晶通過內(nèi)導(dǎo)氣筒19逐步地升入副室中。使用新型熱場拉晶時操作要求與只使用普通熱場時完全一樣。
權(quán)利要求
1.一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄?，其特征在于它具有保溫?23)，保溫罩內(nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)導(dǎo)氣筒(19)，并固定在保溫罩底部，保溫罩外側(cè)設(shè)有上蓋板(22)，與保溫罩上部相接，并放置在支承筒(17)上，采用導(dǎo)氣內(nèi)筒和保溫罩雙層結(jié)構(gòu)保溫和導(dǎo)流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄?，其特征在于所說保溫罩為中空圓錐臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄觯涮卣髟谟谒f保溫罩(23)中空圓錐臺的上端直徑D1比單晶爐頸部內(nèi)徑大30％至50％，上端底角F為60°至70°，保溫罩(23)中空圓錐臺下端外徑D2比所拉制的單晶的直徑大30至50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄?，其特征在于所說保溫罩(23)的高度H是上部熱場安裝好后保溫罩(23)的下沿離液面的距離為100至150mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄?，其特征在于所說內(nèi)導(dǎo)氣筒(19)的內(nèi)徑等于爐蓋頸部內(nèi)徑，其高度比保溫罩(23)的高度H高30至50mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于八英寸重?fù)缴楣鑶尉е圃斓纳喜繜釄?。它具有保溫罩，保溫罩?nèi)側(cè)設(shè)有內(nèi)導(dǎo)氣筒，并固定在保溫罩底部，保溫罩外側(cè)設(shè)有上蓋板，與保溫罩上部相接，并放置在支承筒上。保溫罩為中空圓錐臺。本發(fā)明增強(qiáng)了熔體表面氣流的吹掃作用，使18英寸以上的大熱場熔體表面揮發(fā)產(chǎn)生的細(xì)小顆粒被有效地吹離熔體上部；本發(fā)明的新型熱場采用保溫罩加內(nèi)導(dǎo)氣筒的雙層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了對單晶的冷卻作用，從而增大了用18英寸以上的大熱場拉晶時固液界面處的溫度梯度G。本發(fā)明解決了使用18英寸以上的普通大熱場不能拉制八英寸重?fù)缴楣鑶尉У碾y題，取得了良好的效果。
文檔編號C30B15/14GK1556256SQ200310117760
公開日2004年12月22日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者李立本, 田達(dá)晰, 馬向陽, 劉培東, 楊德仁 申請人:寧波立立電子股份有限公司