專利名稱：：拉單晶方法及其實(shí)現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用來(lái)生產(chǎn)如硅(Si)或砷化鎵(GaAs)等半導(dǎo)體單晶的拉單晶方法，該方法使用一種連續(xù)加料磁場(chǎng)的CZ技術(shù)。使用CZ技術(shù)的拉單晶裝置包含氣密容器、置于容器內(nèi)用來(lái)裝半導(dǎo)體熔化物的坩堝、加熱半導(dǎo)體熔化物的加熱器、以及旋轉(zhuǎn)地拉半導(dǎo)體單晶的拉晶裝置。用這種裝置，將半導(dǎo)體單晶籽晶浸入坩堝內(nèi)的半導(dǎo)體熔化物中，并逐漸向上拉籽晶，生長(zhǎng)出具有和籽晶相同晶向的大直徑半導(dǎo)體單晶。外加連續(xù)加料磁場(chǎng)的CZ技術(shù)(此后簡(jiǎn)稱為CMCZ技術(shù))最近幾年已有很大的發(fā)展，它是CZ技術(shù)的變形，在連續(xù)供應(yīng)源材料到坩堝的過(guò)程中進(jìn)行拉晶操作。在CMCZ技術(shù)中，使用了雙坩堝，包括外坩堝和由圓筒形隔離體組成的內(nèi)坩堝，在通過(guò)由石英構(gòu)成的源材料供應(yīng)管將源材料加到外坩堝時(shí)，從內(nèi)坩堝拉制半導(dǎo)體單晶，并且，通過(guò)給半導(dǎo)體熔化物加外部磁場(chǎng)來(lái)抑制內(nèi)坩堝里半導(dǎo)體熔化物內(nèi)的對(duì)流。石英源材料供應(yīng)管從容器的上部懸掛下來(lái)，且管的下端開(kāi)口接近外坩堝內(nèi)半導(dǎo)體熔化物的表面。源材料供應(yīng)管的下端開(kāi)口在半導(dǎo)體熔化物表面之上幾厘米，而源材料裝在所述容器的頂部以避免受到從加熱器和半導(dǎo)體熔化物來(lái)的輻射熱。還有，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料與諸如所用的氬氣等惰性氣體一起從源材料供應(yīng)管內(nèi)向下流向容器內(nèi)，并從上述管的下端開(kāi)口進(jìn)入半導(dǎo)體熔化物。但是，目前的使用CMCZ拉單晶技術(shù)或汽相技術(shù)的拉單晶裝置中，有一種趨勢(shì)，即根據(jù)其工作條件，拉制的單晶晶格中的空位(一種晶格缺陷)出現(xiàn)的頻率大于普通CZ技術(shù)與裝置中所觀察到的單晶晶格中空位出現(xiàn)的頻率。用CMCZ技術(shù)生長(zhǎng)的單晶中空位出現(xiàn)頻率的增加被認(rèn)為是和從源材料供應(yīng)管加源材料所用的技術(shù)有關(guān)。即，因?yàn)樵床牧虾投栊詺怏w一起通過(guò)源材料供應(yīng)管流進(jìn)維持預(yù)定壓力的容器中，可以估計(jì)惰性氣體的流速及爐內(nèi)壓力與空位的出現(xiàn)之間有關(guān)系?？紤]上述情況，本發(fā)明的目的是提供一種能減少空位出現(xiàn)的拉單晶方法以及使用該方法的裝置。本發(fā)明的拉單晶方法使用一氣密容器，在氣密容器內(nèi)有容納半導(dǎo)體熔化物的、由互連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并從其下端開(kāi)口可將顆?；蚍勰钤床牧霞舆M(jìn)外坩堝內(nèi)的半導(dǎo)體熔化物中的源材料供應(yīng)管，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料和惰性氣體一起流向密封的容器，其特征是源材料的注入條件是惰性氣體的流速N(l/min·cm2)在0.0048P+0.0264＜N＜0.07P內(nèi)，這里P(Torr)是氣密容器里的內(nèi)壓力。本發(fā)明的另一拉單晶方法使用一氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物、由互連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并從其下端開(kāi)口可將顆?；蚍勰钤床牧霞舆M(jìn)內(nèi)坩堝與外坩堝之間的半導(dǎo)體熔化物區(qū)的源材料供應(yīng)管，其特征是工作條件為，源材料的供應(yīng)部分的溫度Tm在Ts+50＜Tm＜Ts+100內(nèi)，這里Ts是固-液界面溫度，裝于外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量W(kg)在W≥0.3K-5(這里K≥20)內(nèi)，這里K(g/min)是從源材料供應(yīng)管供應(yīng)的源材料的量。圖1是表示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中使用的拉單晶裝置的剖面圖；圖2是表示源材料阻滯試驗(yàn)、熔化物表面振動(dòng)試驗(yàn)和空位出現(xiàn)試驗(yàn)的結(jié)果圖，水平軸代表爐內(nèi)壓力P(Torr)，垂直軸代表通過(guò)源材料供應(yīng)管單位表面面積的氣體流速N(l/min.cm2)；圖3是表示熔化試驗(yàn)和空位出現(xiàn)試驗(yàn)的結(jié)果圖，水平軸代表裝在外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量W(kg)，垂直軸代表從源材料供應(yīng)管供應(yīng)源材料的體積K(g/min)。下面是參照附圖對(duì)使用本發(fā)明拉單晶方法的拉單晶裝置的說(shuō)明。如圖1所示，雙坩堝3、加熱器4和源材料供應(yīng)管5裝在拉單晶裝置1的容器2內(nèi)。雙坩堝3包含由石英構(gòu)成的近似半球形的外坩堝11，和由石英構(gòu)成的內(nèi)坩堝12，內(nèi)坩堝為裝在外坩堝11內(nèi)的圓筒形隔離體。連接內(nèi)坩堝12和外坩堝11的連接孔(圖中未示出)形成在內(nèi)坩堝12的壁的下部。雙坩堝3安裝在基座15上，基座位于設(shè)置在容器2的下部中心的垂直軸14上，雙坩堝3可以軸14為軸按規(guī)定速度在水平面旋轉(zhuǎn)。還有，半導(dǎo)體熔化物(源材料通過(guò)加熱熔化用來(lái)產(chǎn)生半導(dǎo)體單晶)21裝在雙坩堝3內(nèi)。加熱器4加熱并熔化外坩堝11內(nèi)的半導(dǎo)體源材料，并維持所產(chǎn)生的半導(dǎo)體熔化物21的溫度。設(shè)置加熱器4使之圍繞基座15和雙坩堝3，為了保持熱量，加熱器4的外圈圍有熱屏蔽層(圖中未示出)圍繞。源材料供應(yīng)管5用來(lái)連續(xù)將顆粒狀或粉末狀半導(dǎo)體熔化物源材料供應(yīng)到外坩堝11內(nèi)的半導(dǎo)體熔化物21的表面。能通過(guò)源材料供應(yīng)管5供應(yīng)的源材料的實(shí)例包括已由粉碎機(jī)粉碎成片狀的多晶硅，或用熱分解由氣體源材料淀積而成的多晶硅顆粒，另外如果需要，可用作為摻雜劑的元素添加劑，如硼(B)和磷(P)。在砷化鎵的情況下，可加入鋅(Zn)或硅(Si)作元素添加劑。在源材料供應(yīng)管5由其上端支撐，其下端開(kāi)口5a置于半導(dǎo)體熔化物21表面之上預(yù)定距離。為了防止沾污，同時(shí)也為方便于加工，源材料供應(yīng)管5由具有矩形截面的石英管構(gòu)成。惰性氣體流(如氬氣)以預(yù)定流速通過(guò)源材料管5流向容器內(nèi)，用惰性氣體將注入進(jìn)源材料管5的源材料向下帶向半導(dǎo)體熔化物21的表面，并釋放到熔化物表面?？梢愿鶕?jù)工作條件連續(xù)地改變惰性氣體的流速。拉晶機(jī)械裝置和用來(lái)將如氬氣等惰性氣體引進(jìn)容器2的入口設(shè)置在容器2的上部。構(gòu)成拉晶機(jī)械裝置一部分的拉桿24，其結(jié)構(gòu)能使之連續(xù)旋轉(zhuǎn)地在雙坩堝3上面上下移動(dòng)。用夾盤(pán)將半導(dǎo)體單晶籽晶附著在拉桿24的頂端。將籽晶浸入內(nèi)坩堝12里的半導(dǎo)體熔化物21內(nèi)，然后提升，這樣以籽晶作起點(diǎn)，在如氬氣等惰性氣體環(huán)境中拉制出順序生長(zhǎng)的半導(dǎo)體單晶。在此階段，如果容器內(nèi)壓力(爐內(nèi)壓力)較低，且如氬氣等惰性氣體的流速較大，源材料將會(huì)以很大的力量注入進(jìn)半導(dǎo)體熔化物21中，引起半導(dǎo)體熔化物21表面振動(dòng)。還有，當(dāng)在這些條件下拉單晶時(shí)，經(jīng)常在單晶中出現(xiàn)空位(晶格缺陷)，也許是由于源材料深深地滲透到半導(dǎo)體熔化物所致。而且，如果爐內(nèi)壓力較高且如氬氣等惰性氣體的流速較小，源材料在源材料供應(yīng)管5內(nèi)的前進(jìn)受到阻礙，源材料的添加變?yōu)椴豢赡?。另外，如果爐內(nèi)壓力較高，殘余氣體從半導(dǎo)體熔化物中的排出受到抑制，使空位出現(xiàn)率增大。適當(dāng)考慮到容器內(nèi)壓力和惰性氣體流速與空位出現(xiàn)的上述多種關(guān)系，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。用氬氣作惰性氣體，在不同氣體流速和爐內(nèi)壓力下，進(jìn)行了源材料阻滯試驗(yàn)、熔化物表面振動(dòng)試驗(yàn)和空位出現(xiàn)試驗(yàn)，源材料供應(yīng)管5的下端開(kāi)口5a和半導(dǎo)體熔化物21表面之間的距離設(shè)置為30mm。結(jié)果列于表1和2中。表1</tables>表2<p>各種試驗(yàn)結(jié)果以圖的形式排列示于圖2中，其中水平軸表示爐內(nèi)壓力P(Torr)，垂直軸表示通過(guò)源材料供應(yīng)管單位面積的氣體流速。在圖2中省略了表1和2中的一些數(shù)據(jù)。圖中直線(a)是區(qū)分產(chǎn)生熔化物表面振動(dòng)的區(qū)域與不產(chǎn)生振動(dòng)的區(qū)域的直線，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明直線的方程為N＝0.08P+0.12。因而，對(duì)于N＜0.08P+0.12的值熔化物表面不出現(xiàn)振動(dòng)。這一結(jié)果表明源材料的注入速度受爐內(nèi)壓力的限制。圖中直線(b)是區(qū)分源材料阻滯出現(xiàn)的區(qū)域與沒(méi)有這種阻滯出現(xiàn)的區(qū)域的直線，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明直線的方程為N＝0.0048P+0.0264。因而，對(duì)于N＞0.0048P+0.0264的值，不產(chǎn)生源材料的阻滯。圖中直線(c)是區(qū)分出現(xiàn)空位的區(qū)域與不出現(xiàn)空位的區(qū)域的直線，在這些例子中，爐內(nèi)壓力保持恒定而氣體流速增加時(shí)，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明直線的方程為N＝0.07P。因而，對(duì)N＜0.07P的值，不出現(xiàn)空位。假設(shè)當(dāng)源材料以很高的速度注入進(jìn)半導(dǎo)體熔化物中，它將深深地滲透到半導(dǎo)體熔化物中，環(huán)境氣體將隨源材料一起溶入半導(dǎo)體熔化物中，而環(huán)境氣體是空位出現(xiàn)的原因。因而可認(rèn)為，在直線(c)下面的區(qū)域內(nèi)，通過(guò)爐內(nèi)壓力使源材料的速度減小，從而防止空位的出現(xiàn)。還有，如果爐內(nèi)壓力增加，殘余氣體從半導(dǎo)體熔化物中的排出受到抑制，因而空位出現(xiàn)率增加。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到區(qū)分空位出現(xiàn)區(qū)域與空位不出現(xiàn)區(qū)域的直線(d)。直線(d)的方程為N＝20。上面結(jié)果清楚表明，在直線(a)、(b)、(c)和(d)界定的區(qū)域內(nèi)可以用CMCZ技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單晶生長(zhǎng)。此外，在低于圖中直線(e)表示的爐內(nèi)壓力P＝5(Torr)時(shí)，半導(dǎo)體熔化物21將沸騰，所以從實(shí)際考慮，需要將條件維持在直線(a)、(b)、(c)、(d)和(e)界定的區(qū)域內(nèi)。另外，直線(a)、(c)和(d)將隨源材料供應(yīng)管5的下端開(kāi)口5a與半導(dǎo)體熔化物21的表面之間的距離而移動(dòng)。相應(yīng)地，如方程所示的直線將移動(dòng)，直線(a)，N＝(0.076～0.084)P+(0.10～0.14)直線(b)，N＝(0.066～0.074)P+(-0.02～0.02)直線(d)，N＝18～22。還有，直線(e)將隨如熔化物表面的輻射溫度梯度等熱環(huán)境因素而移動(dòng)。相應(yīng)地，直線(e)將在P＝(3～7)的范圍內(nèi)移動(dòng)。如以上所說(shuō)的，本發(fā)明的第一實(shí)施例的拉單晶方法使用氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物、包含互連的外坩堝和內(nèi)坩堝的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并設(shè)置成可以用來(lái)從其下端開(kāi)口將顆粒狀或粉末狀源材料加進(jìn)外坩堝里的半導(dǎo)體熔化物內(nèi)的源材料供應(yīng)管，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料和惰性氣體一起流向密封的容器，由于是在惰性氣體的流速N(l/min.cm2)為0.0048P+0.0264＜N＜0.07P的條件下注入源材料，這里P(Torr)是氣密容器里的內(nèi)壓力，這樣可以進(jìn)行單晶生長(zhǎng)過(guò)程而減少空位出現(xiàn)。另外，適當(dāng)考慮到半導(dǎo)體熔化物的重量(源材料注入部分的重量)及源材料通過(guò)源材料供應(yīng)管的供應(yīng)速度與空位出現(xiàn)之間的關(guān)系，進(jìn)行了下列實(shí)驗(yàn)。改變裝于外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量(注入?yún)^(qū)源材料的重量)和源材料通過(guò)源材料供應(yīng)管的供應(yīng)速度，進(jìn)行了熔化量試驗(yàn)和空位出現(xiàn)試驗(yàn)。試驗(yàn)在下面條件下進(jìn)行源材料供應(yīng)部分的溫度Tm(℃)在Ts+50＜Tm＜Ts+100內(nèi)，這里Ts(℃)是固-液界面溫度。研究結(jié)果示于圖3中，垂直軸代表裝在外坩堝和內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量(源材料部分注入的重量)W(kg)，水平軸代表從源材料供應(yīng)管源材料的供應(yīng)速度K(g/min)。在圖3中，小園圈(o)表示所加源材料沒(méi)有任何再結(jié)晶地熔化的情況，小叉(x)表示源材料再結(jié)晶且不熔化的情況。另外大叉(X)表示空位出現(xiàn)的情況，大園圈(○)表示空位不出現(xiàn)的情況。這些結(jié)果給出了區(qū)分熔化量不充分的情況和熔化量充分的情況的直線(a)。另外，也得到了區(qū)分空位出現(xiàn)區(qū)域與空位不出現(xiàn)的區(qū)域的直線(b)，對(duì)這些情況溶化是可能的。統(tǒng)計(jì)分析表明，直線(b)可用公式W＝0.3K-5(這里K≥20)來(lái)表示。因而，對(duì)K≥20且W≥0.3K-5的值，可以抑制空位的出現(xiàn)來(lái)完成單晶生長(zhǎng)。在上述條件之外的情況即在W＜0.3K-5的區(qū)域，可以增加源材料注入部分的重量W或者減小源材料供應(yīng)速度來(lái)滿足上述條件W≥0.3K-5。增加半導(dǎo)體熔化物的深度能使W值有一定的增加，但這當(dāng)然受雙坩堝3大小的限制，所以最好改變?cè)O(shè)計(jì)和使用大直徑坩堝。此外，為了可使源材料供應(yīng)速度減小需要減小拉晶速度。如以上所說(shuō)的，本發(fā)明的第二實(shí)施例的拉單晶方法使用氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物的、由互連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并設(shè)置成可以用來(lái)從其下端開(kāi)口將顆粒狀或粉末狀源材料加進(jìn)內(nèi)坩堝和外坩堝之間的半導(dǎo)體熔化物區(qū)內(nèi)的源材料供應(yīng)管，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料和惰性氣體一起流向密封的容器，由于是在這樣條件下即源材料供應(yīng)部分溫度Tm(℃)在Ts+50＜Tm＜Ts+100內(nèi)，這里Ts(℃)是固-液界面溫度，裝于外坩堝與內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量W(kg)在W≥0.3K-5(K≥20)，這里K(g/min)是從源材料供應(yīng)管供應(yīng)源材料的供應(yīng)速度，這樣可以進(jìn)行單晶生長(zhǎng)而減少空位出現(xiàn)。權(quán)利要求1.一種拉單晶方法，它使用一氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物的、由內(nèi)連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并設(shè)置成可以用來(lái)從其下端開(kāi)口將顆粒狀或粉末狀源材料加進(jìn)外坩堝里的半導(dǎo)體熔化物內(nèi)的源材料供應(yīng)管，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料和惰性氣體一起流向密封的容器，其特征在于在惰性氣體的流速N(l/min.cm2)在0.0048P+0.0264＜N＜0.07P內(nèi)的條件下注入上述源材料，這里P(Torr)是上述氣密容器里的內(nèi)壓力。2.一種拉單晶方法，它使用一氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物的、由互連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并設(shè)置成可以用來(lái)從其下端開(kāi)口將顆粒狀或粉末狀源材料加進(jìn)內(nèi)坩堝和外坩堝之間的半導(dǎo)體熔化物區(qū)內(nèi)的源材料供應(yīng)管，其特征在于條件為，源材料供應(yīng)部分溫度Tm(℃)在Ts+50＜Tm＜Ts+100內(nèi)，這里Ts(℃)是固-液界面溫度，裝于外坩堝與內(nèi)坩堝之間區(qū)域的半導(dǎo)體熔化物的重量W(kg)在W≥0.3K-5(這里K≥20)內(nèi)，這里K(g/min)是從源材料供應(yīng)管供應(yīng)的源材料的量。3.一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的拉單晶方法的裝置。全文摘要一種拉單晶方法，使用一氣密容器，在氣密容器內(nèi)用于裝半導(dǎo)體熔化物、由互連的外坩堝和內(nèi)坩堝組成的雙坩堝，從氣密容器的上部懸掛下來(lái)、并設(shè)置成可以從其下端開(kāi)口將顆粒狀或粉末狀源材料加進(jìn)外坩堝里的半導(dǎo)體熔化物內(nèi)的源材料供應(yīng)管，注入進(jìn)源材料供應(yīng)管的源材料和惰性氣體一起流向密封的容器，其特征為在惰性氣體的流速N(l/min.cm文檔編號(hào)C30B15/12GK1165208SQ97101009公開(kāi)日1997年11月19日申請(qǐng)日期1997年1月10日優(yōu)先權(quán)日1996年1月11日發(fā)明者熱海貴,田口裕章,降屋久,喜田道夫申請(qǐng)人:三菱麻鐵里亞爾硅材料株式會(huì)社,三菱麻鐵里亞爾株式會(huì)社