根據(jù)切克勞斯基法提拉半導(dǎo)體單晶和適用于其的石英玻璃坩堝的制作方法
【專利說明】根據(jù)切克勞斯基法提拉半導(dǎo)體單晶和適用于其的石英玻璃坩堝
[0001]描述。
技術(shù)背景
[0002]本發(fā)明涉及根據(jù)切克勞斯基(Czochralski)法提拉半導(dǎo)體單晶的方法，其中在石英玻璃坩禍中制造半導(dǎo)體熔體并從中提拉該半導(dǎo)體單晶，其中所述石英玻璃坩禍具有內(nèi)壁且所述半導(dǎo)體熔體具有自由熔體表面，它們在坩禍內(nèi)壁上徑向環(huán)繞的接觸區(qū)彼此接觸并分別與熔體氣氛接觸，其中引發(fā)從所述接觸區(qū)開始的熔體初振動(dòng)。
[0003]此外，本發(fā)明涉及用于根據(jù)切克勞斯基法提拉半導(dǎo)體單晶的石英玻璃坩禍。
[0004]在所謂的切克勞斯基法中，半導(dǎo)體材料，如硅在石英玻璃坩禍中熔融并使硅單晶的籽晶從上方接觸熔體表面，以在晶體與熔體之間形成熔體彎月面。在轉(zhuǎn)動(dòng)坩禍和/或單晶的同時(shí)，緩慢向上拉出單晶，由此半導(dǎo)體單晶在該籽晶上生長。這一過程在下文中被稱為“引晶過程(Ansetzprozess)”或簡稱為“引晶(Ansetzen)”。在單晶和半導(dǎo)體熔體之間的凝固前沿上發(fā)生液相和固相之間的相互作用；熔體的對流或振動(dòng)對其產(chǎn)生不利影響。熔體的這些運(yùn)動(dòng)可由于液體內(nèi)的溫度梯度或物質(zhì)梯度、由于熔體和籽晶的轉(zhuǎn)動(dòng)或由于籽晶的浸入而引起或增強(qiáng)。特別不利的是熔體的振蕩。已知的是，它們在這三個(gè)相一一半導(dǎo)體熔體、熔體氣氛和坩禍壁之間的化學(xué)勢周期性變化時(shí)出現(xiàn)。
[0005]此類振蕩不僅僅損害半導(dǎo)體單晶的品質(zhì)。它們尤其在引晶過程中明顯不利，因?yàn)樗鼈儠?huì)使成核困難并可以使其延遲一天至數(shù)天或甚至受阻。這降低生產(chǎn)率并且竟然會(huì)在引晶過程中已超過石英玻璃坩禍的使用壽命，或在單晶中產(chǎn)生位錯(cuò)以致需要再次熔融凝固的娃。
[0006]切克勞斯基法中所用的石英玻璃坩禍通常在含有孔隙的不透明外層上具有透明內(nèi)層。在拉晶過程中，該透明內(nèi)層與硅熔體接觸并經(jīng)受高的機(jī)械、化學(xué)和熱負(fù)荷。為了降低硅熔體的腐蝕侵襲并隨之降低坩禍壁的雜質(zhì)釋放，內(nèi)層盡可能純凈、均勻并很少有氣泡。
[0007]由合成制造的石英玻璃制成的內(nèi)層確保熔體附近區(qū)域中的低雜質(zhì)濃度并就此而言對純凈和無位錯(cuò)的半導(dǎo)體單晶的收率起有利作用。但是，已經(jīng)證實(shí)，具有合成石英玻璃內(nèi)層的坩禍與由天然存在的石英砂制成的石英玻璃坩禍相比更容易傾向于造成熔體表面的振蕩。
現(xiàn)有技術(shù)
[0008]因此為了減少熔體表面的振蕩，已經(jīng)提出對石英玻璃坩禍的許多不同改變。這些基本上涉及引晶區(qū)區(qū)域內(nèi)的表面結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成的修改。
[0009]“引晶區(qū)”在此處和在下文中是指石英玻璃坩禍的周向的側(cè)壁區(qū)域，其在拉晶過程開始時(shí)位于熔體料位的高度，其因此在提拉晶體時(shí)與熔體的表面(熔體料位)接觸。在通過連續(xù)供應(yīng)半導(dǎo)體材料而使熔體料位保持在恒定高度的連續(xù)切克勞斯基提拉法中，該引晶區(qū)位于時(shí)間恒定的熔體料位的高度。
[0010]引晶區(qū)區(qū)域的表面的修改
DE 199 17 288 C2描述了一種石英玻璃坩禍，其中通過大量的彼此具有最大5毫米，優(yōu)選最大0.1毫米的間距的凹陷使引晶區(qū)變粗糙。該粗糙化意在使引晶過程變得容易并特別意在通過抑制熔體料位的振動(dòng)避免籽晶的撕裂。
[0011]在根據(jù)EP I 045 046 A2的石英玻璃熔融坩禍中提出，將引晶區(qū)區(qū)域中的內(nèi)壁構(gòu)造成具有大量凹陷的周向的環(huán)面。在EP 2 410 081 Al中給出類似的教導(dǎo)。在此，在引晶區(qū)中引入大量的小凹處(低陷)。
[0012]根據(jù)WO 2011/158712 Al，石英玻璃坩禍具有半透明基底層和透明內(nèi)層。在熔體料位區(qū)域內(nèi)，該內(nèi)層具有粗糙度為2-9微米的粗糙區(qū)。
[0013]JP 2007-191393 A提出，通過石英玻璃坩禍的內(nèi)壁上的內(nèi)表面的粗糙度設(shè)定最大50 mN/m的表面張力，以避免熔體振動(dòng)。
[0014]圍繞引晶區(qū)區(qū)域的粗糙化的表面可以占有與硅熔體的所有可能的接觸角，這防止了石英玻璃表面的同相潤濕或未潤濕并由此意在阻止振動(dòng)的產(chǎn)生。
[0015]在根據(jù)JP 2004-250304 A的石英玻璃坩禍中，為抑制硅熔體的振動(dòng)，在引晶區(qū)的高度提供周向的環(huán)面，在該環(huán)面中含有0.01%至0.2%體積比例的氣泡。
[0016]為避免在該熔體法開始時(shí)的熔體振動(dòng)，WO 2009/054529 Al提出沿坩禍高度改變氣泡濃度。因此，內(nèi)層的氣泡含量應(yīng)以至少0.0002%/mm從較低的坩禍區(qū)域向上連續(xù)增加。
[0017]在JP 2004-250305 A中也提出石英玻璃坩禍的內(nèi)層的類似修改。該內(nèi)層在引晶區(qū)區(qū)域內(nèi)得到“帶狀”區(qū)域，在該區(qū)域中該表面由天然石英玻璃構(gòu)成并具有0.005-0.1%的氣泡含量，而其往下和在底部則由合成石英玻璃構(gòu)成。
[0018]EP 2 385 157 Al教導(dǎo)了在引晶區(qū)區(qū)域中的一種多重修改。因此該石英玻璃坩禍在內(nèi)側(cè)具有可借以測定熔體表面位置的改變的標(biāo)記。在引晶區(qū)區(qū)域，該透明內(nèi)層由天然石英玻璃制成，而在坩禍的其它區(qū)域中其由合成石英玻璃構(gòu)成。此外，該引晶區(qū)還可含有氣泡或不平整，如狹槽。
_9] 引晶區(qū)區(qū)域中的化學(xué)組成的修改
由EP I 532 297 Al已知具有由合成石英玻璃制成的透明內(nèi)層的石英玻璃坩禍，但其在引晶區(qū)的高度被天然石英玻璃區(qū)中斷。這一區(qū)域在至少0.5 X H至0.8 X H的范圍內(nèi)延伸，其中H是底部的底側(cè)與側(cè)壁-上邊緣之間的坩禍高度。
[0020]WO 2001/92169 Al提出，將羥基引入坩禍內(nèi)層的石英玻璃中。由此改善硅熔體對它的可潤濕性，以此意在避免熔體表面上的振蕩。羥基的引入在內(nèi)層形成過程中通過將水蒸汽引入到加熱的氣氛中來實(shí)現(xiàn)。由此優(yōu)選在內(nèi)層中產(chǎn)生80-350重量ppm的羥基含量。
[0021]WO 2004/097080 Al提出通過沿坩禍高度改變坩禍內(nèi)層的組成來避免熔體振動(dòng)。由天然石英粉制造具有不透明外層的石英玻璃坩禍，并為其提供透明內(nèi)層，該透明內(nèi)層具有0.4-5毫米的厚度并且其在上部中由天然S12M料構(gòu)成和在底部區(qū)域由合成S1 2材料構(gòu)成的。
[0022]JP 2006-169084 A也建議通過改變引晶區(qū)區(qū)域中的坩禍內(nèi)層的組成來避免熔體振動(dòng)。該石英玻璃坩禍具有不透明外層和透明內(nèi)層。在上直部，內(nèi)層被構(gòu)造成由兩種不同組分構(gòu)成的復(fù)合材料，其中第二組分以點(diǎn)形焊接到第一組分上。第一組分可以是非晶石英玻璃粉，第二組分是天然結(jié)晶石英砂。
[0023]根據(jù)JP 2009-029652 A，在用于提拉硅單晶的石英玻璃坩禍中，為了避免熔體振動(dòng)，底部以及在圓柱形側(cè)壁之間的弧形區(qū)域中的內(nèi)層由結(jié)晶原材料以至少I毫米的厚度熔凝而成，而內(nèi)層的上部區(qū)域由非晶合成石英玻璃粉以至少I毫米的厚度制成。
[0024]組合措施和其它修改
JP 2011-037708 Al描述了制造用于提拉硅單晶的石英玻璃坩禍的方法，其中影響硅熔體和坩禍內(nèi)壁的石英玻璃之間的表面張力，以避免拉晶過程中熔體的振動(dòng)。這通過設(shè)定表面粗糙度并通過在厚度I毫米的層中將羥基含量和雜質(zhì)含量調(diào)節(jié)到給定值來實(shí)現(xiàn)。
[0025]EP I 024 118 A2提出，通過設(shè)定特定的紅外透射率來避免熔體振動(dòng)。為此在具有結(jié)構(gòu)缺陷的半透明外層上制造透明內(nèi)層。紅外透射率為3%至30%并通過坩禍壁內(nèi)的結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)合該表面的粗糙度來設(shè)定。
[0026]WO 2001/92609 A2旨在通過減少熱對流來避免硅熔體的振蕩。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，提出具有夾層的石英玻璃坩禍。外層是由天然粗制石英材料制成的具有大量孔隙的半透明層。中間層也是半透明的并由合成石英玻璃制成。透明內(nèi)層是氣泡少的并由合成石英玻璃制成。
[0027]根據(jù)WO 2004/076725 Al，具有雙層結(jié)構(gòu)的石英玻璃坩禍據(jù)說很有幫助，其中內(nèi)層無孔隙并且透明，外層含有孔隙。外層由石英玻璃粉制成，其保存在干燥氣體中以實(shí)現(xiàn)最高50 ppm的羥基含量。該外層由此也表現(xiàn)出較高的粘度，該石英玻璃坩禍由此在使用時(shí)變形較小。
[0028]根據(jù)JP 2004-292210 A，石英玻璃坩禍由此優(yōu)化，即在硅單晶提拉過程中，下端部的溫度高于上部的上緣。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在內(nèi)層中使用結(jié)晶促進(jìn)劑，沿石英玻璃坩禍的高度如此改變所述促進(jìn)劑，以至于在坩禍?zhǔn)褂闷陂g結(jié)晶速率在底部區(qū)域中降低并在上部區(qū)域中提尚，這意在減少恪體振動(dòng)。
[0029]從DE 10 2007 015 184 Al中已知的石英玻璃坩禍具有不透明外層和透明內(nèi)層，其中透明內(nèi)層在引晶區(qū)的區(qū)域中比在該石英玻璃坩禍的其余區(qū)域中厚。
[0030]EP 2 075 355 Al提出在Si提拉過程中在坩禍內(nèi)壁上實(shí)現(xiàn)棕環(huán)的高密度，這意在避免熔體振動(dòng)。
[0031]US 2007/0062442 Al中涉及Si熔體的氧含量的控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過強(qiáng)制熔體對流力求獲得不對稱晶體生長。這例如如下實(shí)現(xiàn):在硅熔體的特定區(qū)域中制造磁場，由此在緊鄰待提拉的單晶的加熱元件中發(fā)生熔體對流。
[0032]技術(shù)目的
盡管所有這些經(jīng)過超過20年的時(shí)間提出的提議和措施，但切克勞斯基法中，特別是在引晶過程中的熔體振動(dòng)仍是迄今尚未充分解決的技術(shù)問題。
[0033]因此本發(fā)明的目的是給出從石英玻璃坩禍中提拉半導(dǎo)體單晶的方法，其以減少的熔體振動(dòng)和特別是以簡單和短暫的引晶過程為特征。
[0034]此外，本發(fā)明的目的是提供通過可靠抑制或減少熔體振動(dòng)并由此使單晶提拉過程變得容易而適于在提拉法中使用的石英玻璃坩禍。
[0035]本發(fā)明的一般描述
就該方法而言，由