直拉法單晶硅生長(zhǎng)中硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種直拉法單晶硅生長(zhǎng)中硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，特別涉及單晶硅 的生長(zhǎng)工藝技術(shù)，石英坩堝結(jié)構(gòu)，以及其對(duì)單晶硅生長(zhǎng)過(guò)程中溫度場(chǎng)和氧濃度的控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體單晶硅的制造工藝中，最成熟也常用的方法是直拉法（Czochralski法， 縮寫Cz法)。在直拉法中，將多晶硅填充在石英玻璃坩堝(也稱石英坩堝)中，然后在石墨加 熱器的加熱下，熔融形成硅熔液。在硅熔液中浸入籽晶后向上旋轉(zhuǎn)提拉，硅在籽晶與熔溶液 的界面處凝固結(jié)晶，形成單晶硅錠。
[0003] 在單晶硅生長(zhǎng)工藝中，熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到硅單晶生長(zhǎng)速 度、氧濃度控制和缺陷控制等，從而直接影響成品的質(zhì)量。專利CN102251275B公開了一種 直拉式硅單晶爐中的熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，能夠測(cè)量熔硅液面與導(dǎo)流筒之間距離的單晶爐熱場(chǎng)裝 置。實(shí)際生產(chǎn)中控制較多的是坩堝內(nèi)硅熔液的溫度場(chǎng)，石英坩堝中的熔體的溫度場(chǎng)受到四 個(gè)對(duì)流的控制。熔體的對(duì)流對(duì)固液界面的形狀會(huì)造成直接的影響，而且還會(huì)影響雜質(zhì)的分 布?？偟恼f(shuō)來(lái)，自然對(duì)流、晶體提升引起的對(duì)流不利于雜質(zhì)的均勻分布；晶體和坩堝的轉(zhuǎn)動(dòng) 有利于雜質(zhì)的均勻分布，但轉(zhuǎn)速太快會(huì)產(chǎn)生紊流，既不利于無(wú)位錯(cuò)生長(zhǎng)也不利于雜質(zhì)的均 勾分布。
[0004] 自然對(duì)流是由于熔體周邊的溫度比軸心高，底部溫度比上部高，在重力的作用下 熔體形成對(duì)流。對(duì)流的程度可由格拉斯霍夫（Grashof)常數(shù)（Gr)來(lái)判斷。由于Gr〇cd3， 坩堝內(nèi)徑d越大，液體越深，液面越大，自然對(duì)流程度越大，甚至?xí)纬晌闪?，影響單晶的?常生長(zhǎng)。對(duì)硅而言，Gr=1.56X104ΔTd3，臨界值為105。經(jīng)驗(yàn)表明，在通常熱場(chǎng)條件下，其實(shí) 際值可達(dá)1〇 8,所以必須依靠其他的對(duì)流來(lái)加以抑制，才能使晶體生長(zhǎng)穩(wěn)定。
[0005] 晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的影響：晶體轉(zhuǎn)動(dòng)一方面可以改善液體溫度的軸對(duì)稱性，另一方面又可 抑制自然對(duì)流。晶體轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使緊臨固液界面下的熔體往上流動(dòng)，并借助離心力往外流動(dòng)，這 種流動(dòng)與自然對(duì)流作用相反。由晶體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的液體流動(dòng)程度，可由瑞洛爾茲（Reynolds) 常數(shù)Re來(lái)描述。在液面寬而深的情況下，晶體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的流動(dòng)，只能在固液界面下的小區(qū) 域內(nèi)起作用，其他區(qū)域仍主要受自然對(duì)流影響。當(dāng)液面變小深度變淺時(shí)，晶體轉(zhuǎn)動(dòng)的作用就 越來(lái)越大，自然對(duì)流的影響就越來(lái)越小。如果Re超過(guò)3X105,則晶體轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)造成紊流。對(duì) Φ8?η的晶體而言，要達(dá)到3X105,晶轉(zhuǎn)要在20r/min以上。所以晶轉(zhuǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中也不 〇
[0006] 坩堝轉(zhuǎn)動(dòng)將使外側(cè)的熔體往中心流動(dòng)，其影響程度由泰樂(lè)（Taylor)常數(shù)（Ta)來(lái) 判定。堝轉(zhuǎn)不僅可以改善熔體的熱對(duì)稱性，還可以使熔體的自然對(duì)流呈螺旋狀.從而增加 徑向的溫度梯度。當(dāng)晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)的方向相反時(shí)，引起熔體中心形成一圓柱狀的滯怠區(qū)。在 這個(gè)區(qū)域內(nèi)，熔體以晶轉(zhuǎn)和堝轉(zhuǎn)的相對(duì)角速度做螺旋運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)區(qū)域外，熔體隨坩堝的轉(zhuǎn) 動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。熔體的運(yùn)動(dòng)隨晶轉(zhuǎn)與堝轉(zhuǎn)速度不同而呈現(xiàn)出復(fù)雜的狀況，若晶轉(zhuǎn)堝轉(zhuǎn)配合不當(dāng)， 容易出現(xiàn)固液界面下雜質(zhì)富集（貧乏）層的厚度不均勻，造成晶體內(nèi)雜質(zhì)分布的不均勻。
[0007] 綜合以上可知，為了提高單晶硅中摻雜元素和雜質(zhì)的均勻性，要加大晶轉(zhuǎn)和坩堝 旋轉(zhuǎn)，但晶轉(zhuǎn)和坩堝旋轉(zhuǎn)都存在穩(wěn)定性限制。尤其是在單晶硅的尺寸越來(lái)越大，熔體體積也 隨之越來(lái)越大的情況下，控制熔體的溫度場(chǎng)，從而控制單晶中缺陷的難度也越來(lái)越大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種直拉法單晶硅生長(zhǎng)中硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)。首先 制備兩層結(jié)構(gòu)的石英坩堝，內(nèi)層由高純石英玻璃構(gòu)成，在石英玻璃的外壁拋光，并鍍上一層 氮氧化硅薄膜。石英坩堝的形狀分成上下兩個(gè)部分，上半部分是一個(gè)圓柱體，下半部分是一 個(gè)半橢球體。長(zhǎng)軸水平放置，短軸垂直放置。長(zhǎng)軸和短軸的尺寸與拉制單晶的尺寸和提拉 工藝相關(guān)，通過(guò)控制晶體轉(zhuǎn)速和坩堝轉(zhuǎn)速，控制熔體流場(chǎng)和溫度分布，從而控制單晶硅中的 氧分布和摻雜元素分布的均勻性。
[0009] 為了達(dá)到以上的目的，本發(fā)明工藝技術(shù)采取以下方法：設(shè)計(jì)特殊形狀和結(jié)構(gòu)的石 英坩堝，石英坩堝的形狀與晶體的轉(zhuǎn)速和坩堝旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，共同控制熔體的溫度場(chǎng)，從而控 制單晶中摻雜元素的濃度分布和氧濃度分布。
[0010] 本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)的特征在于，石英坩堝壁各部分的厚度相同。石 英坩堝由雙層構(gòu)成，外層為石英陶瓷，內(nèi)層為雜質(zhì)濃度和氣泡極低的高純石英玻璃構(gòu)成。高 純石英玻璃的特征在于雜質(zhì)濃度小于10 2ppm，在肉眼和光學(xué)顯微鏡下無(wú)可檢測(cè)氣泡。石英 玻璃內(nèi)層的外表面拋光，Ra小于0.lMm。在內(nèi)層石英玻璃的外壁米用真空氣相沉積方法，沉 積一層氮化娃層，其厚度為300nm，氮化娃中含有105ppm的堿金屬或堿土金屬。形成一個(gè)反 射面。
[0011] 本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其石英坩堝的特征還在于，將外層基體和帶有 鍍層的內(nèi)層裝在一起形成復(fù)合體，在真空條件下，將復(fù)合體加熱到1500°C以上，將外層基體 與內(nèi)層石英熔合，形成石英坩堝。見(jiàn)圖1所示。
[0012] 本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其石英坩堝的特征還在于，石英坩堝的形狀分 為兩個(gè)部分，上部分為一個(gè)圓柱，下部為一個(gè)半橢球底部。橢球在與圓柱相切，光滑過(guò)渡。見(jiàn) 圖1所示。圓柱的高度與橢球短軸長(zhǎng)度相同。
[0013]本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其石英坩堝的特征還在于，橢球的長(zhǎng)軸水平放 置，橢球的短軸豎直放置。
[0014]本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其橢球長(zhǎng)軸和短軸的特征還在于：
式中a為橢球的長(zhǎng)軸，A為橢球的長(zhǎng)軸，r為單晶硅的半徑。a的取值范圍特征為2r ^ a ^ 3r ...... (2) 坩堝橢球形的底部，熱量通過(guò)坩堝的中間膜反射，其焦點(diǎn)在硅單晶與坩堝壁的1/2處。 形成一個(gè)以硅單晶和坩堝壁的中間為分界線的兩個(gè)溫度場(chǎng)，分別向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。內(nèi) 層的氧含量較低，而外層的氧含量較高，控制在硅單體中的氧含量。
[0015]本發(fā)明本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其晶體轉(zhuǎn)速的特征在于，
式中，g為重力加速度，1為晶體長(zhǎng)度。1的取值范圍為100-1500mm。c〇s為晶體轉(zhuǎn)速。
[0016] 本發(fā)明本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其坩堝旋轉(zhuǎn)的方向與晶轉(zhuǎn)方向相反，坩 堝轉(zhuǎn)速的特征在于，
式中，r為硅單晶的半徑，b為坩堝短軸長(zhǎng)度。
[0017] 晶體的轉(zhuǎn)速較高，熔體在凝固成晶體后摻雜元素在界面上富集，高轉(zhuǎn)速有利于元 素均勻化。
[0018] 本發(fā)明本發(fā)明硅熔液的溫度場(chǎng)控制技術(shù)，其坩堝內(nèi)的溫度特征在于，坩堝內(nèi)熔體 的最最大溫度差ΔΤ為
式中，α為熱膨脹系數(shù)，κ,為熔體粘度。
[0019] 溫度梯度控制保證了晶體生長(zhǎng)動(dòng)力，同時(shí)也保證了晶體中各元素的均勻性。提高 了單晶硅的質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明石英坩堝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明石英坩堝熱能反射聚焦示意圖； 圖3為本發(fā)明石英坩堝保持熱場(chǎng)控制示意圖。
[0021] 具體實(shí)施方法 實(shí)施例1 直徑400mm的坩堝，制備直徑200mm的硅單晶。石英坩堝底部橢球的長(zhǎng)軸為200mm，短 軸的長(zhǎng)度130_，圓柱段的高度為130_，石英坩堝的整體高度260_。坩堝分為二層，內(nèi)層 為雜質(zhì)濃度和氣泡極低的高純石英玻璃構(gòu)成，雜質(zhì)濃度小于10 2ppm，在肉眼和光學(xué)顯微鏡 下無(wú)可檢測(cè)氣泡。石英玻璃內(nèi)層的外表面拋光，Ra小于O.lMm。在內(nèi)層石英玻璃的外壁采 用真空氣相沉積方法，沉積一層氮化娃層，其厚度為300nm，氮化娃中含有105ppm的堿金屬 或堿土金屬。形成一個(gè)反射面。外層為石英陶瓷，起支撐作用，在高溫下強(qiáng)度高，保證拉晶 過(guò)程中坩堝不發(fā)生變形。
[0022] 在；t甘堝中裝料100kg，拉晶工藝中，晶體轉(zhuǎn)速16rpm，i甘堝轉(zhuǎn)速為：8rpm。觀察娃 熔液的溫度場(chǎng)，可見(jiàn)在硅單晶和坩堝壁的中間形成了一個(gè)渦流，流動(dòng)狀態(tài)非常穩(wěn)定。在坩堝 的一側(cè)溫度較高，在單晶硅的一側(cè)溫度較低，但單晶硅的一側(cè)熔體流動(dòng)速度快，測(cè)量獲得熔 體的溫度差為4. 98°C?？杀ＷC摻雜元素的均勻以及氧的有效排除。獲得80kg硅錠。
[0023] 硅錠制備后，檢測(cè)氧濃度為7X1017atoms/cm3,分布均勻。電阻率變化范圍為8. 5%。 與之相對(duì)比的傳統(tǒng)方法制備的同樣的硅錠，氧濃度為11Xl〇17atoms/cm3,分布不均勻，徑向 分布差別較大。電阻率變化范圍為18. 9%。
[0024] 實(shí)施例2 直徑580mm的坩堝，制備直徑200mm的硅單晶。石英坩堝底部橢球的長(zhǎng)軸為290mm，短 軸的長(zhǎng)度215_，圓柱段的高度為215_，石英坩堝的整體高度430_。坩堝分為二層，內(nèi)層 為雜質(zhì)濃度和氣泡極低的高純石英玻璃構(gòu)成，雜質(zhì)濃度小于10 2ppm，在肉眼和光學(xué)顯微鏡 下無(wú)可檢測(cè)氣泡。石英玻璃內(nèi)層的外表面拋光，Ra小于O.lMm。在內(nèi)層石英玻璃的外壁采 用真空氣相沉積方法，沉積一層氮化娃層，其厚度為300nm，氮化娃中含有105ppm的堿金屬 或堿土金屬。形成一個(gè)反射面。外層為石英陶瓷，起支撐作用，在高溫下強(qiáng)度高，保證拉晶 過(guò)程中坩堝不發(fā)生變形。
[0025] 在坩堝中裝料150kg，拉晶工藝中，晶體轉(zhuǎn)速16. 2rpm，坩堝轉(zhuǎn)速為：5. 58rpm。觀 察硅熔液的溫度場(chǎng)，可見(jiàn)在硅單晶和坩堝壁的中間形成了一個(gè)渦流，流動(dòng)狀態(tài)非常穩(wěn)定。熔 的溫度非常均勻，僅是坩堝壁的溫度較高，測(cè)量顯示熔體的溫度差僅為1. 26°C。摻雜元素和 氧濃度分布均勻。獲得120kg硅錠。
[0026] 硅錠制備后，檢測(cè)氧濃度為3. 0X1017atoms/cm3,分布均勻。電阻率變化范圍為 5. 5%。與之相對(duì)比的傳統(tǒng)方法制備的同樣的硅錠，氧濃度為9. 6X1017atoms/cm3,分布不均 勻，徑向分布差別較大。電阻率變化范圍為21%。
[0027] 實(shí)施例3 直徑590mm的坩堝，制備直徑300mm的硅單晶。石英坩堝底部橢球的長(zhǎng)軸為295mm，短 軸的長(zhǎng)度222. 5_，圓柱段的高度為222. 5_，石英坩堝