單晶硅生長氧含量控制技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] 本發(fā)明設(shè)及一種低氧含量單晶娃的生長技術(shù)，具體設(shè)及娃烙融液中氧含量的控制，特 別設(shè)及采用高頻振蕩技術(shù)，對娃烙融液進行振蕩，降低氧在娃烙融液中的溶解度。
【背景技術(shù)】 [0002] 在單晶娃的制造工藝中，最常使用的是直拉法(Czoc虹alski，縮與CZ)，在直拉法中，多 晶娃是填充在石英玻璃相蝸(也稱石英相蝸）中，然后加熱烙融形成娃烙液，在娃烙液中浸 入巧晶后向上旋轉(zhuǎn)提拉，娃在巧晶與烙溶液的界面處凝固結(jié)晶，形成單晶娃棒(錠）。
[0003] 氧是CZ法娃單晶中含量最高，行為最復雜的一種雜質(zhì)，其含量可高達3 X l〇w/cm3。 氧是娃單晶研究最多的元素，對其含量的控制，一直是娃材料領(lǐng)域中重要的研究課題之一。 在娃單晶生長過程中娃與盛娃的石英相蝸發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化娃進入烙體，是娃中氧的 主要來源。石英相蝸的溶解速度主要與溫度，爐室內(nèi)壓力，石英相蝸表面狀態(tài)，相蝸/烙體界 面上的邊界層厚度等因素有關(guān)。溫度越高，壓力越低、表面粗糖越大，相蝸的溶解速度越快。 根據(jù)CHA肥L和YARK邸給出的測試數(shù)據(jù)，石英相蝸的溶解速度為1.5mg/cm 2h。溶解于娃烙融 液中的氧在石英相蝸中存在Ξ個濃度梯度分布，即Ξ個邊界層:分別為石英相蝸與烙體界 面的邊界層，是高氧區(qū)。氧通過烙體的自然熱對流進入烙體內(nèi)部。二是晶體與烙體界面的邊 界區(qū)，是中氧區(qū)。氧通過自然熱對流和強迫對流通過邊界層進入到晶體中。Ξ是烙體與氣體 界面邊界層，是貧氧區(qū)。氧通過邊界層揮發(fā)。約99%W上的氧從烙體表面揮發(fā)到爐室內(nèi)，僅小 部分的氧進入晶體中?？梢姡鯘B入晶體的濃度，取決于Ξ個擴散邊界層和Ξ個界面的面 積。邊界層厚度取決于烙體熱對流，而界面面積取決于裝料量和相蝸尺寸與形狀W及晶體 的直徑。等。其中相蝸和烙體的界面面積與烙體自由表面積之比是決定進入晶體中氧含量 的重要因素。在晶體生長過程中，隨著晶體的生長，重量不斷增加，而相蝸內(nèi)的烙體重量隨 之減少。所W氧在晶體中的分布是不均勻的，一般為晶體頭部含量高，尾部含量低。晶體中 屯、部位含量高，邊緣部位含量低。
[0004] 氧在娃晶格中處于間隙位置，對位錯起釘扎作用，增加晶體的機械強度，避免娃片 在器件熱處理工藝過程中發(fā)生形變。娃單晶中高含量的氧處于過飽和狀態(tài)，在適當?shù)臏囟?下會脫溶并W氧與娃形成絡(luò)合體的形式發(fā)生沉淀。氧與娃形成的絡(luò)合物十分復雜，在不同 溫度下形式各異，對娃單晶性能影響也不相同。氧的沉淀可被用來形成可控制的晶格缺陷， 用來誘生層錯和位錯環(huán)，對金屬雜質(zhì)和過飽點缺陷進行本征吸除，在拋光片表面形成潔凈 區(qū)。氧沉淀在450°C溫度下形成熱施主，其濃度最高可達達5Xl〇i 5/cm3。影響輕滲娃單晶電 阻的真實性，使P型電阻率升高，N型電阻率降低，故輕滲娃單晶片需要在650°C溫度下進行 熱處理，W消除熱施主的影響。氧沉淀誘生的缺陷對集成電路的成品率產(chǎn)生不利的影響。特 別是隨著集成電路的發(fā)展，集成度不斷提高，線寬不斷縮小，運種影響更為突出。
[0005] 傳統(tǒng)的控制氧含量，主要是在單晶生長工藝中進行控制。包括小的加料量，對于已 給定尺寸的相蝸，小的加料量將得到氧含量低，小的加料量需要的加熱功率低，且容積比變 小，與相蝸的接觸面積小，烙體中氧的溶解量相對小。小的加料量烙體的熱對流減弱。運使 氧濃度向烙體中屯、部位的傳遞將發(fā)生改變，即由對流機制向擴散機制轉(zhuǎn)變。氧的傳遞速度 降低，氧可W得到充分的揮發(fā)，使烙體中的氧濃度降低，從而晶體中氧濃度降低?？刂贫嗑?娃烙化溫度，降低娃烙化時的溫度，可W降低石英相蝸的溶解速度，從而降低娃烙液中的氧 含量。增加烙體穩(wěn)定時間，長時間的穩(wěn)定可W使近95%的氧W-氧化娃的形式從烙體自由表 面揮發(fā)出來，形成一個平衡點。采用熱反射罩，或稱熱屏，降低實際的熱功率，同時由于熱屏 可W幫助冷卻晶體，可使相蝸設(shè)定在較高的起始位置，加快烙體表面的Ar氣流速，加速一氧 化娃從烙體表面揮發(fā)，降低晶體中的氧含量?？刂凭w的生長速度，氧濃度與生長速度的變 化不是一個線性關(guān)系。在小直徑晶體(3英寸或4英寸)情況下，拉速在3.54英寸至4.72英寸/ 小時范圍內(nèi)生長的娃單晶是高氧的。因此生長大直徑單晶娃棒是的速度一般低于3.54英 寸/小時。降低爐內(nèi)氣體壓力，低壓有利于使一氧化娃有效地從烙體自由表面揮發(fā)，從而使 烙體中的氧濃度降低，因此晶體中的氧濃度也隨著降低。相蝸轉(zhuǎn)速對晶體中氧含量有較大 的影響，增加相蝸轉(zhuǎn)速會加快相蝸的溶解速度，從而使烙體中的氧含量增加。值得注意的 是，晶錠尾部的氧含量通常較高，運是由于相蝸中剩余的烙料不斷減少，相蝸處于很高的位 置且加熱功率很高，相蝸具有很高的溶解速度。當晶體生長逐漸蓋住烙體大部分表面，自由 表面的減少引起氧從烙體表面揮發(fā)速度降低，從而增加了烙體中氧濃度。但是同時相蝸中 烙體量很少，相蝸也烙體的接觸面積小，溶解的量也減少，運些因素合在一起引起的效果是 氧含量很高，傳統(tǒng)技術(shù)尚示徹底解決的辦法。增加相蝸直徑尺寸，對于給定的加料量和晶體 尺寸，大的相蝸尺寸具有較大的有效揮發(fā)自身表面，同時由于容積比小，熱對流也小，氧的 傳遞速度也較低。理想的情況是，相蝸直徑和晶體直徑比為3:1或者更大。晶體轉(zhuǎn)速，晶體轉(zhuǎn) 速不能有效的影響晶體的氧含量，但是對于晶體中氧的分布均勻性有著重要的影響。晶體 的轉(zhuǎn)動驅(qū)動烙體從中心流向生長界面，其徑向均勻增加。通常用ORG表示，要求ORG< 5%，但 是晶轉(zhuǎn)受到相蝸尺寸、晶體尺寸、晶向，液面位置，生長速度等多種因素的影響，但是晶轉(zhuǎn)加 快將會出現(xiàn)晶轉(zhuǎn)和蝸轉(zhuǎn)的交會點，引起晶體晶面寬度變大，外形不規(guī)則，圓度變差，同時烙 體的冷卻會加快，嚴重時烙體會出現(xiàn)擺動，甚至晶體會從烙體中脫離。如上所述，利用改變 單晶生長工藝，對生長單晶中氧含量的控制雖然有一定的效果，但是控制的幅度不大，僅能 控制在幾個ppm范圍內(nèi)。另一種控制氧含量的方法為磁場拉晶法，在水平磁場、垂直磁場或 水平和垂直結(jié)合的磁場作用下的拉晶技術(shù)，抑制烙體的流動速度和波動，從而烙體表面穩(wěn) 定、溫度波動小，可獲得4ppm的氧控制范圍。但是磁場拉晶的不足之處是設(shè)備投資巨大，電 能消耗大，難W獲得高的磁場強度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種單晶娃生長氧含量控制技術(shù)，具體設(shè)及在拉晶過程中 在相蝸壁附近的娃烙體中引入一個振蕩波，通過振蕩降低烙體中氧的溶解度，同時促使烙 體在相蝸壁與烙體的界面產(chǎn)生加速流動，促使溶解氧快速擴散到自由表面而揮發(fā)。從而達 到控制娃單晶中氧濃度的作用。
[0007] 為了達到W上的目的，本發(fā)明工藝技術(shù)是通過W下方法來實現(xiàn):在石英相蝸底部 采用一個與相蝸外徑相同的環(huán)形振蕩源，振蕩源產(chǎn)生一個縱向正弦振蕩波，從相蝸的底部 傳入到烙體中，傳播方向為垂直向上的直線傳播。振蕩波傳輸?shù)较辔伇诟浇蘩芋w中，對娃 烙體產(chǎn)生空化作用、攬拌作用和縱向流動作用，在相蝸壁附近區(qū)域形成向上的流動，加速高 濃度區(qū)的氧向烙體自由表面流動，同時降低烙體中的S i -0氣體的溶解度，促進Si -0在烙體 表面的揮發(fā)。從而達到控制娃單晶中氧濃度的作用。
[0008] 石英相蝸底部振蕩源的特征在于振蕩波輸入為環(huán)形的振蕩波輸入環(huán)，輸入環(huán)的上 表面形狀與相蝸的形狀相同，確保振蕩波輸入環(huán)與相蝸緊密接觸，振蕩波充分輸入到烙體 中。環(huán)的外徑與相蝸的直徑相同，其寬度d的特征為： (1)
式中，為相蝸旋轉(zhuǎn)速度，。為相蝸的半徑，rsi為單晶娃的半徑，Vk是娃烙體的粘度。
[0009] 振蕩波主要作用在相蝸壁的外圍區(qū)域，對相蝸壁周圍的烙體產(chǎn)生空化、攬拌和向 上的流動作用。振蕩波空化作用促使