專利名稱：從坩堝中所含的熔體拉伸由硅組成的單晶的方法及由此制得的單晶的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于從坩堝中所含的熔體拉伸由硅組成的單晶的方法，其中單晶在拉 伸期間被擋熱板包圍，擋熱板的下端與熔體表面具有距離h，其中氣體在單晶與擋熱板之間 的區(qū)域內向下流動，而在擋熱板下端與硅熔體之間向外流動，及接著在擋熱板以外的區(qū)域 內又向上流動。本發(fā)明還涉及可利用所述方法制得的單晶。
背景技術：
已知上述生長單晶的方式是非常敏感的過程，會產生位錯和原子點缺陷形式的晶 體結構缺陷。此外還觀察到產生宏觀空隙，其是直徑為幾個微米至毫米的氣泡狀的空洞。其 不可與由聚集的原子空位形成的、直徑最大為幾百納米的C0P(晶體原生顆粒)相混淆。在生長的單晶中引入空隙并不必然地導致位錯的形成，因此通常在晶體拉伸過程 中沒有被發(fā)現(xiàn)。只有在隨后將單晶切割成晶片時，才通過外觀檢查發(fā)現(xiàn)包含在其中的空隙。 通常通過外觀檢查僅挑揀出比較少的硅晶片(千分之幾的范圍)。但是發(fā)現(xiàn)，在某些重要的 制造過程的情況下，例如在高度摻雜的晶體的情況下經常發(fā)生。此外，很難以百分之百的準 確率檢測出小的空隙。存在于硅晶片內部的空隙在外觀檢查中仍然沒有被發(fā)現(xiàn)的風險。然 而對于制造元件的客戶而言，僅獲得不具有此類空隙的晶片則具有決定性的意義。不受控 制地產生宏觀空隙會導致巨大的經濟損失。因此，尋找明顯減少或者甚至完全避免有害空 隙的方案是值得期待和必需的。EP 756024A2強調，在開始時熔化由硅組成的碎片而不是硅顆粒是有利的，因為后 者由于高的氫含量而傾向于形成氣泡，氣泡最終會被引入單晶中。US 5，902，394描述了一種用于在晶體生長之前從熔體驅逐氣泡的方法，其主要在 于改變坩堝的轉速。在US 6，086，671中，熔體中的氣泡被看作是導致位錯的原因。其可以通過早在熔 化多晶材料期間已經施加靜態(tài)磁場而加以抑制。DE 102007023040A1描述了一種拉伸方法，其中在放置種晶之前通過提高溫度和 施加靜態(tài)磁場而對熔體進行除氣。該除氣階段的持續(xù)時間為最多2小時。US 2008/0011222A1還認為宏觀空隙是由在石英玻璃坩堝中熔化多晶半導體材料 時形成的氣泡產生的。因此其建議了一種以利用側面加熱器的熔化開始的改進的熔化過 程。熔體然后才在坩堝的底部區(qū)域內進一步加熱，這驅使熔體移動，并由此應當導致對熔體 的除氣。但是發(fā)現(xiàn)，通過所述用于實施熔化階段的方法無法完全避免空隙的產生。根據(jù)US 6，340，390B1，在晶體拉伸期間保持晶體拉伸裝置室內的壓力低于 95mbar，并且低于熔化階段的壓力。在晶體拉伸期間的低壓應當導致對熔體連續(xù)地除氣，并 由此避免將氣泡引入生長的單晶中。然而，壓力是整體晶體品質的重要參數(shù)。例如改變單 晶的氧含量，因此改變析出能力及由此改變吸除能力。因此，通過相應地調節(jié)壓力而減少宏觀空隙是有缺點的。此外，實際上無法總能實現(xiàn)所述的效果。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明是基于進一步減少硅單晶中的宏觀空隙的出現(xiàn)頻率而不會影響其他 的晶體特性的目的。該目的是通過用于從坩堝中所含的熔體拉伸由硅組成的單晶的方法實現(xiàn)的，其中 單晶在拉伸期間被擋熱板包圍，擋熱板的下端與熔體表面具有距離h，其中氣體在單晶與擋 熱板之間的區(qū)域內向下流動，在擋熱板下端與熔體之間向外流動，及接著在擋熱板以外的 區(qū)域內又向上流動，其特征在于，擋熱板在其下端的內徑DHs比單晶的直徑Dsc大至少55mm， 而擋熱板在其下端的徑向寬度BHsu不大于單晶直徑的20%。下面依照附圖更詳細地闡述本發(fā)明。


圖1所示為可用于本發(fā)明方法的晶體拉伸裝置的結構示意圖。圖2所示為用于拉伸單晶的排布方式示意圖，顯示了在本發(fā)明范疇內發(fā)揮作用的 幾何變量。
具體實施例方式圖1所示為在晶體拉伸過程中根據(jù)現(xiàn)有技術的晶體拉伸裝置。通常由石英玻璃組 成的坩堝4中裝有硅熔體11。坩堝4由支撐坩堝5穩(wěn)定化，并由側面加熱器7或由底部加 熱器8或由兩者進行加熱。在旋轉(箭頭15)的情況下以預定的速率(拉伸速率，由箭頭 14表示)由熔體11向上拉伸硅單晶9，其中坩堝4同樣地旋轉(箭頭16)，并緩慢地向上移 動(箭頭17)以保持熔體表面的位置固定。坩堝4和單晶9可以圍繞共同的旋轉軸同向或 反向地旋轉。任選可以通過由電磁體6產生的磁場影響熔體中的對流。熔體中的對流由箭 頭表示。凝固的單晶9被通常為旋轉對稱的擋熱板2包圍，其可以包含活性冷卻系統(tǒng)1。通 常相對于單晶9的旋轉軸以旋轉對稱的方式設置擋熱板2和任選存在的冷卻系統(tǒng)1。擋熱 板的高度(在豎直方向上測得)通常在200至400mm的范圍內。整個排布位于未示出的連續(xù)地用氣體吹洗的封閉的室內。該氣體一般是惰性的氣 體，通常是惰性氣體，例如氬氣。將該氣體導入該室內，從而使該氣體的流10在單晶9與擋 熱板2之間在熔體11的方向上向下流動，接著在熔體11與擋熱板2的下端3之間流入擋 熱板2以外的區(qū)域內，及最后在擋熱板2以外的區(qū)域內(坩堝4的內邊緣處)又向上流動， 在此由該室排出。在被熔體11潤濕的坩堝4的內壁上可產生氣泡12，氣泡可以通過熔體11的對流 而被輸送至熔體11的表面及送至結晶前沿。在后一情況下，其作為空隙13被引入單晶9 中。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，改變晶體拉伸過程的熔化階段不足以避免硅單晶中的宏觀 空隙。反而在整個拉伸過程中還會在石英玻璃坩堝4與硅熔體11接觸的壁上產生氣泡12。硅熔體11侵蝕石英玻璃坩堝4的潤濕的壁，這導致對石英玻璃坩堝4的腐蝕。在反應中形成氣態(tài)一氧化硅(SiO)，即產生氣泡12。SiO在1450°C的溫度下的蒸汽壓約為 13mbar。由于對石英玻璃坩堝4的腐蝕，還會發(fā)生已經存在于石英玻璃坩堝4中的氣體內 容物的開放，這同樣導致氣泡12的形成。氣泡12通過熔體11的對流被輸送至熔體11的 自由表面，在此大部分的氣泡12被排放至氣氛中。SiO以粉末狀沉積在冷卻的設備部件和 /或排氣系統(tǒng)上。但是一部分氣泡12通過熔體11中的對流到達結晶前沿，并被引入生長的 單晶9中，由此產生上述的宏觀空隙13。在此應當注意的是，對于直徑最大為100 μ m的小氣泡(另一方面應當更加迅速地 溶解)，浮力小。因此，其僅以低的上浮速率(低于lOcm/s)被驅趕至熔體表面。如上所述，熔體中的流動條件的改變不僅影響氣泡至結晶前沿的輸送，而且還影 響所溶解的物質例如氧的輸送，其同樣由于腐蝕而從石英玻璃坩堝進入熔體中，并被引入 生長的單晶中。硅的氧含量或其他晶體特性的改變通常不是所期望的，其導致熔體中的流 動條件無法任意地改變以避免單晶中的氣體內容物。另一方面，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，在前述的情況下，僅在晶體拉伸時才產生氣 泡，實現(xiàn)向著凝固的晶體的輸送的熔體流具有非常高的重要性。然后，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn) 了如何基本上與熔體中的氧輸送無關地影響氣泡向著結晶前沿的輸送的可能性。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)剡x擇擋熱板2的下部區(qū)域的尺寸(圖2、可以針 對性地影響在熔體11接近表面的區(qū)域內的流動條件。與此不同地，不改變在熔體11的內 部對于晶體品質重要的流。根據(jù)本發(fā)明，擋熱板2在其下端3的內徑Dhs比單晶9的直徑Dsc大至少55mm。此 外，擋熱板2在其下端3的徑向寬度Bhsu不大于單晶9的直徑Ds。的20%。在這些條件下可 以基本上抑制向生長的單晶9中引入氣泡，而不改變其他晶體特性。若選擇更小的內徑Dhs 或更大的徑向寬度Bhsu，則更多的空隙被引入生長的單晶9中。擋熱板2的內徑Dhs優(yōu)選比 坩堝4的內徑Dti小至少100mm。擋熱板2在其下端3的內徑Dhs特別優(yōu)選比單晶9的直徑 Dsc大至少55mm且最多110mm。擋熱板2在其下端3的徑向寬度Bhsu向下僅受擋熱板所需 的材料厚度的限制，通常不可小于2mm。擋熱板的高度優(yōu)選在200至400mm的范圍內。應當指出的是，單晶9的直徑Dsc是生長的單晶的實際直徑。其比名義直徑即隨后 由該單晶制得的半導體晶片的直徑大幾個毫米。與大多數(shù)在現(xiàn)有技術中所建議的用于減少氣泡的引入的方法不同，本發(fā)明的方法 不僅在實際的晶體拉伸過程開始之前(例如在熔化多晶硅時)，而且在整個拉伸過程中和 尤其是還在拉伸圓柱形晶體部分期間發(fā)揮作用，該圓柱形晶體部分隨后被切割成用于制造 電子元件的晶片。通過擋熱板的特定幾何形狀而大幅改變熔體上方的氣流及由此改變熔體表面處 的溫度。通過改變熔體表面處的流動條件而抑制有害氣泡向凝固的晶體的輸送。根據(jù)本發(fā)明的擋熱板的幾何形狀如上所述直接影響熔體上方的氣體的流動條件， 及由此間接影響熔體中的溫度和對流條件。表明若適當?shù)剡x擇氣體流量和所述室內的壓 力，則實現(xiàn)最佳結果。尤其是氣體流量與所述室內的壓力的比例優(yōu)選在20至500 (L/h)/ mbar的范圍內，更優(yōu)選在20至50 (L/h) /mbar的范圍內。在考慮了前述比例的情況下，氣體 流量可為500至8000L/h，而所述室內的壓力可為10至80mbar。此外，擋熱板2的下端3與硅熔體11的表面之間的距離h優(yōu)選在10至40mm的范圍內(圖2)。通過模擬計算可以確定，通過根據(jù)本發(fā)明的擋熱板下端的幾何形狀以及通過壓 力、氣體流量和熔體與擋熱板之間距離的上述范圍可以實現(xiàn)在熔體上方比較低的氣體流 速。氣體流速的最大值優(yōu)選應當不超過30m/s。若坩堝和單晶在晶體拉伸期間圍繞共同的軸以相反方向旋轉，及坩堝的轉速為 0. 25至25rpm，則可以特別有利地采用根據(jù)本發(fā)明的方法。單晶的轉速優(yōu)選在1至25rpm 的范圍內，但是對于本發(fā)明方法的成功實施沒有明顯的影響。晶體提升(拉伸速率)優(yōu)選 在0. 4至2. Omm/min的范圍內，對于根據(jù)本發(fā)明的方法同樣具有不太重要的意義。坩堝4的直徑Dti優(yōu)選為單晶9的直徑Dsc的2至4倍(圖2)。根據(jù)本發(fā)明的方法允許制造基本上不含宏觀空隙或者與根據(jù)現(xiàn)有技術拉伸的單 晶相比至少包含明顯更少的此類空隙的硅單晶。目前最大的問題是由具有高的摻雜劑濃度的單晶造成的。此外，宏觀空隙的出現(xiàn) 頻率隨著晶體直徑的增加而增加。對于高度摻雜的硅單晶，空隙的直徑典型地在微米范圍 內(約10至 οομπι)。所涉及的晶體的摻雜劑濃度為IXlO17至lX102°cm_3(個原子每立 方厘米)。在η型摻雜的情況下，優(yōu)選使用銻、砷或紅磷作為摻雜劑。典型的摻雜劑濃度在 銻的情況下在IX IO17 M 5Χ IO18Cm-3的范圍內，在砷的情況下在5X IO18至5Χ IO19CnT3的范 圍內，而在磷的情況下在5 X IO19至5 X IO20Cm-3的范圍內。具有涂覆有鋇化合物如碳酸鋇的內層的石英玻璃坩堝對于高度摻雜的硅熔體特 別具有耐腐蝕性。因此，僅將此類坩堝用于制造高度摻雜的單晶，以實現(xiàn)不含位錯的高的晶 體產率。但是恰恰在該坩堝的情況下特別頻繁地產生氣泡內容物，以至于目前例如多于每 千分之一的由用砷高度摻雜(η++)的單晶組成的、直徑為150mm的晶片具有宏觀空隙。這 對應于大于80m-3的宏觀空隙濃度。根據(jù)本發(fā)明的方法大幅降低了此類單晶中宏觀空隙的 出現(xiàn)頻率。因此，本發(fā)明還涉及由硅組成的單晶，其具有至少為IOOmm的直徑及(100)或 (111)的晶體取向，周期表第III或V主族的元素的摻雜劑濃度為IX IO17至IX 102°cm_3，氧 濃度為4X IO17至9X 1017cm_3，其特征在于，在該單晶中直徑至少為50 μ m的空隙的濃度不 大于50πΓ3。摻雜劑優(yōu)選為銻、砷或磷，更優(yōu)選為銻和砷。可以通過以慣用的方式方法對由單晶制得的硅晶片進行外觀檢查而確定宏觀空 隙即直徑為50μπι或更大(最大約為Imm)的空隙的濃度。若所檢驗的硅晶片的數(shù)量足夠 多，例如50000或更多，則可以統(tǒng)計學方法可靠地確定單晶中宏觀空隙的基礎密度。實施例和比較例利用根據(jù)Czochralski的坩堝拉伸法，拉伸名義直徑為100、125和150mm的取向 為(111)和(100)的遠超過100個硅單晶。用砷(As)或銻(Sb)進行摻雜。所拉伸的單晶 的實際直徑(Ds。)、晶體取向和摻雜(摻雜劑和摻雜劑濃度cD。p)的數(shù)據(jù)列于下表中。摻雜劑 濃度由于在單晶內在軸向上的偏析而改變。給出的濃度￡_是在各個單晶中產生的最大摻 雜劑濃度。將在內側用碳酸鋇(BaCO3)涂覆的石英玻璃坩堝4用于實驗。坩堝4的內徑Dti同 樣列于表中。使用手工裝入坩堝中的多晶超純硅碎片作為起始原料。
使用對應于圖1中的圖示的晶體拉伸裝置。在不施加磁場的情況下實施拉伸過 程。僅通過側面加熱器7進行加熱。使用不包含冷卻器1的由鉬組成的擋熱板2，所述擋熱 板的尺寸列于表中。在此，Dhs代表擋熱板2在其下端3的內徑，而Bhsu代表擋熱板2在其 下端3的徑向寬度。除了上述的變量以外，下表還包含擋熱板對于各個實際的晶體直徑Dsc的根據(jù)本 發(fā)明最大允許的寬度Bhsu, _ (對應于生長的單晶的實際直徑Dsc的20% )以及根據(jù)本發(fā)明 最小允許的內徑DHS,min(比生長的單晶的實際直徑Ds。大55mm)，均是在所述擋熱板的下端。最后一欄包含在所拉伸的單晶中直徑至少為50 μ m的空隙的濃度cPH。為此均從 所拉伸的單晶提取多于50000個硅晶片，并通過外觀檢查進行檢驗。表
權利要求
1.用于從坩堝⑷中所含的熔體(11)拉伸由硅組成的單晶(9)的方法，其中單晶(9) 在拉伸期間被擋熱板( 包圍，擋熱板的下端(3)與熔體(11)的表面具有距離(h)，其中 氣體在單晶(9)與擋熱板(2)之間的區(qū)域內向下流動(10)，在擋熱板O)的下端(3)與熔 體(11)之間向外流動，及接著在擋熱板O)以外的區(qū)域內又向上流動，其特征在于，擋熱板 ⑵在其下端⑶的內徑(Dhs)比單晶(9)的直徑(Dsc)大至少55mm，而擋熱板⑵在其下 端(3)的徑向寬度(Bhsu)不大于單晶(9)的直徑(Dsc)的20%。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于，單晶(9)、坩堝(4)和擋熱板(2)設置在一個 室中，而氣體流量與所述室內的壓力的比例在20至500(L/h)/mbar的范圍內。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，氣體流量在500至8000L/h的范圍內。
4.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，壓力在10至SOmbar的范圍內。
5.根據(jù)權利要求1至4之一的方法，其特征在于，坩堝(4)和單晶(9)方向相反地旋轉 (15，16)，而坩堝(4)的轉速為0. 25至25rpm。
6.根據(jù)權利要求1至5之一的方法，其特征在于，擋熱板O)的下端C3)與熔體(11) 之間的距離(h)在10至40mm的范圍內。
7.根據(jù)權利要求1至6之一的方法，其特征在于，坩堝的內徑(Dti)為單晶(9)的 直徑(Dsc)的2至4倍。
8.根據(jù)權利要求1至7之一的方法，其特征在于，在坩堝(4)的內側的表面上涂覆有鋇 化合物。
9.由硅組成的單晶，其具有至少為IOOmm的直徑及(100)或(111)的晶體取向，周 期表第III或V主族的元素的摻雜劑濃度為1 X IO17至1 X IO20Cm-3,氧濃度為4X IO17至 9X 1017cm_3，其特征在于，在該單晶中直徑至少為50 μ m的空隙的濃度不大于50m_3。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從坩堝4中所含的熔體11拉伸由硅組成的單晶9的方法，其中單晶9在拉伸期間被擋熱板2包圍，擋熱板的下端3與熔體11的表面具有距離h，氣體在單晶9與擋熱板2之間的區(qū)域內向下流動10，在擋熱板2的下端3與熔體11之間向外流動，及接著在擋熱板2以外的區(qū)域內又向上流動，其特征在于，擋熱板2在其下端3的內徑DHS比單晶9的直徑DSC大至少55mm，而擋熱板2在其下端3的徑向寬度BHSU不大于單晶9的直徑DSC的20％。還涉及由硅組成的單晶，其具有至少為100mm的直徑及(100)或(111)的晶體取向，周期表第III或V主族的元素的摻雜劑濃度為1×1017至1×1020cm-3，氧濃度為4×1017至9×1017cm-3，其特征在于，在該單晶中直徑至少為50μm的空隙的濃度不大于50m-3。
文檔編號C30B29/06GK102146583SQ20111003756
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月10日 優(yōu)先權日2010年2月10日
發(fā)明者E·格梅爾鮑爾, M·韋伯, R·沃布赫納 申請人:硅電子股份公司