專利名稱：使用提拉法制造半導體單晶的方法以及使用該方法制造的單晶錠和晶片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造半導體單晶的方法，尤其是涉及可以在單晶生長過程中使用提拉法(切克勞斯基法，Czochralski method, 在下文中稱為"CZ法")經(jīng)每個單晶長度擴大電阻率分布(specific resistance profile )的制造半導體單晶的方法、使用該方法制造的單 晶4t(單晶晶塊，single crystalingot )，以及使用該單晶錠生產(chǎn)的晶片。
背景技術(shù)：
通常，用作生產(chǎn)例如半導體的電子元件的原料的硅單晶是用 CZ法生產(chǎn)的。CZ法是通過這樣一種方式實現(xiàn)的即將多晶硅投入 石英蚶堝中并在超過1400°C下熔化，然后將晶種浸沒至熔化的硅熔體中并隨后緩慢向上提拉以生長晶體。在S. Wolf和R. N. Tauber 的 "Silicon Processing for the VLSI Era" (volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA)中已經(jīng)"詳細描述了這種工藝。
當使用CZ法生長珪單晶時，添加諸如B， Al， Ga， P, As和Sb 的III族或V族元素的摻雜劑，這取決于消費者需要的半導體的電子 特征條件。當硅單晶長成時，加入的摻雜劑已被均勻的加入到了晶 體中。這時，引入晶體中的摻雜劑的濃度不宜太高。當濃度超過某 一水平時，摻雜劑和硅不會形成固溶體，而摻雜劑作為沉淀被取出。通常，均勻地分布在硅熔體中的摻雜劑在固態(tài)和熔融態(tài)中具有 不同的當量濃度。因此，熔融態(tài)中的摻雜劑濃度和固態(tài)中的摻雜劑濃度的比率是通過有效偏析系數(shù)(有效分凝系數(shù)，effective segregation coefficient)來定義的，并且才艮才居元素種類的不同，每一 種4參雜劑都有獨有的有效偏析系數(shù)。理i侖上，如果有效偏析系數(shù)為 1,則硅熔體中的摻雜劑濃度等于硅單晶中的摻雜劑濃度。然而， 用于生長硅單晶的摻雜劑(B, P)的有效偏析系凄t小于l，而且， 由于有效偏析系數(shù)小于1，硅熔體中的摻雜劑濃度高于硅單晶中的 摻雜劑濃度。由于這個原因，硅單晶傾向于表現(xiàn)出其下部的摻雜劑 濃度高于其上部。石圭單晶的電阻率(比電阻、固有電阻，specific resistance)受到加入到單晶中的摻雜劑濃度的影響。如果使用了有 效偏析系數(shù)小于1的摻雜劑，硅單晶就會沿著晶體的長度改變其電 阻率。例如，當生長;圭單晶時，如果Y吏用硼作為摻雜劑，電阻率傾 向于在晶體的長度方向上降低。同時，在使用CZ法生長半導體單晶中，僅有一個滿足消費者 需要的電阻率條件以及缺陷密度條件和氧濃度條件的結(jié)晶區(qū)可以 用于生產(chǎn)任何產(chǎn)品。在本文中，滿足消費者全部要求的半導體單晶 的長度被稱作"最佳長度(a prime length )"。如果硅單晶的生長使 用了有效偏析系數(shù)小于1的摻雜劑，當沿單晶的長度方向觀察時會 發(fā)現(xiàn)電阻率緩慢下降。這時，在具有滿足某種條件的電阻率的結(jié)晶 區(qū)中，僅有一個滿足例如缺陷密度條件和氧濃度條件的消費者要求 的結(jié)晶區(qū)長度成為最佳長度。然而，到目前為止，用于控制缺陷密度和氧濃度的技術(shù)已經(jīng)很 先進了，但用于控制摻雜劑的有效偏析系數(shù)以在半導體單晶的長度 方向上控制電阻率分布的技術(shù)還處于開始階段。盡管用于摻雜劑的 有效偏析系數(shù)的理i侖方程式已經(jīng)通過不大于3英寸的晶體生長實驗 得到，但還沒有在單晶生長期間通過提出有效偏析系數(shù)的控制方法用于控制晶體電阻率分布的4支術(shù)先例。因此，〗吏用CZ法生長的單 晶的最佳長度是受到主要由摻雜劑的有效偏析系數(shù)確定的電阻率 分布控制的。這是因為通過使用現(xiàn)有的單晶生長技術(shù)可以很容易地 滿足消費者的其它要求。例如，硼的有效偏才斤系凄史在0.73到0.75的范圍內(nèi)，而且特有 的電阻率分布是在根據(jù)這種特定的數(shù)值范圍的單晶的長度方向上 確定的，能夠制造產(chǎn)品的最佳長度是^f艮據(jù)電阻率分布確定的。因此， 摻雜劑的有效偏析系數(shù)成為了當使用CZ法生長半導體單晶時確定 每Kg生產(chǎn)力的首要因素。因此，如果在晶體長度方向上的電阻率 分別通過控制摻雜劑有效偏析系^t的方式擴大，該最佳長度可以同 樣多的增加。在本文中，擴大電阻率分布意味著當在控制之前和控 制之后在晶體長度方向上從同一點測定有效偏析系數(shù)時，電阻率以 某種比率增加。為了在使用CZ法生長半導體單晶時擴大電阻率分布，通常添 加特效的氮(N)或碳(C)作為雜質(zhì)或在氧氣或氮氣環(huán)境下使用單 晶生長的半導體4定在高溫下進行熱處理。另一種方法是，除了主要 添加的用于控制有效偏析系數(shù)的摻雜劑之外，額外添加第三種元素 (例如Ba、 P、 Ge或Al)作為摻雜劑，被稱為"共摻雜"。這些常規(guī)方法的限制在于它們僅可被用于制造具有限制性應(yīng) 用的晶片，例如高阻晶片或低阻晶片。共4參雜方法還表現(xiàn)出在制造 半導體中不需要的性質(zhì)或不足以用于制造諸如無缺陷晶(defect-free ingot)之類的高質(zhì)量晶錠的特性。用于生產(chǎn)半導體單晶的制造商來說，改善晶體本身的質(zhì)量是非 常重要的，但更加重要的是通過在晶體長度方向上擴大電阻率分布 來增加最佳長度以增強生產(chǎn)力。然而，由于控制有效偏析系^:即上 面提到的電阻率分布是非常困難的，則最佳長度就不可避免地被固定而不顧晶體質(zhì)量的改善，因此到目前為止基本上還存在增加產(chǎn)品 生產(chǎn)力的限制。發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題而設(shè)計本發(fā)明，因此本發(fā)明的一個目的是提供一種用于制造半導體單晶的方法，當使用cz法制造超過200 mm的大口徑半導體單晶和小口徑和中口徑半導體單晶 時，可以通過在共#^雜方法中不添加作為摻雜劑的第三種元素來控 制有效偏析系數(shù)來在晶體長度方向上擴大電阻率分布；4吏用該方法 制造的半導體單晶4定；以及4吏用該4走制造的晶片。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于制造半導體單晶的方 法，不管分類的缺陷區(qū)域(classified defect regions)如<可，都可以 對多種單晶產(chǎn)品通過在保持高質(zhì)量的條件下擴展最佳長度以增加 生產(chǎn)力，而與現(xiàn)有導支術(shù)不同，在現(xiàn)有技術(shù)中由于控制有效偏析系數(shù) 的困難，基于同樣材料的裝料(charge),能夠制造成為產(chǎn)品的單晶 的最佳長度是固定的；使用該方法制造的半導體單晶錠；以及使用 該錠制造的晶片。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種使用提拉(Czochralski) (CZ)工藝制造半導體單晶的方法，其中，將晶種浸沒到容納在坩 堝中的半導體原料和摻雜劑的熔體中，然后，晶種被邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢 向上提拉以生長半導體單晶，其中，基于磁場的垂直分量為0的零 高斯平面(Zero Gauss Plane),上部和下部f茲場強度互不相同的尖形 (cusp-type)不對稱的f茲場施加到坩堝，^吏得理i侖上在晶體長度方 向上計算的電阻率分布在晶體長度方向上擴大。在本發(fā)明中，4吏用以下/〉式計算理-論上可計算的電阻率 <formula>formula see original document page 11</formula>其中P^。^為理論電阻率，P咖rf為晶種的電阻率，S為凝固率， &為摻雜劑的有效偏析系數(shù)。優(yōu)選地，當單晶生長時，固-液界面和距離固-液界面50mm的 點的溫度差異小于50 K。而且，當單晶生長時，固-液界面上的對 流速率與3巨離固-'液界面50 mm的點的對流速率的比率小于30。優(yōu)選地，在所生長的半導體單晶的長度方向上的0到1/2 L區(qū) fe戈中測定的電阻率比理i侖計算的電阻率增長了 0至15%。優(yōu)選地，在所生長的半導體單晶的長度方向上的1/2 L到1L區(qū) i或中測定的電阻率比理i侖計算的電阻率增長了 0至40%。在本發(fā)明的一個方面，基于ZGP,不對稱》茲場的下部區(qū)域比其 上部區(qū)域具有更大的強度。在這種情況下，ZGP具有向上凸起的拋 物線圖 <象，拋物線圖^象的上頂點位于半導體熔體的上方。在本發(fā)明的另一個方面中，基于ZGP,不對-4夂磁場的上部區(qū)Jt或 比其下部區(qū)域具有更大的強度。在這種情況下，ZGP具有向下凸起 的拋物線圖像，拋物線圖像的下頂點位于半導體熔體中。在本發(fā)明中，半導體單晶為Si、 Ge、 GaAs、 InP、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03) 、 YAG( 4乙鋁石沖留石，yttrium aluminum garnet)、 LB0(LiB30s)或CLBO(CsLiB60K))單晶。根據(jù)本發(fā)明，當4吏用CZ法生長半導體單晶時，施加不對稱f茲 場，從而控制半導體熔體的對流速率和溫度分布從而抑制半導體溶 體的異常流動。因此，在固-液界面附近的擴散邊界層的厚度增加， 以增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)，從而在晶體的長度方向上擴大固定 電阻分布。因此，本發(fā)明可以提高生產(chǎn)力而常身見方法則不4亍。


通過下面結(jié)合附圖的對具體實施方式
的描述將4吏本發(fā)明的其它目的禾口方面更力p顯而易見圖1為表示用于制造半導體單晶的設(shè)備的示意圖，該設(shè)備用作法；圖2示出了對石圭單晶生長的石英坩堝施加尖形不對稱》茲場的情 況下，硅熔體、石英坩堝和ZGP (零高斯平面)周圍的磁場分布的 仿真結(jié)果；圖3是示出了理論電阻率(令)和根據(jù)不向其施加磁場(比較實 施例1)而制造的8英寸石圭單晶的晶體方向?qū)嶋H測定的電阻率(B)的圖表；圖4是示出了理i侖電阻率(令)和通過向其施加尖形對稱f茲場 (R=l )(比專交實施例2)制造的8英寸硅單晶的晶體方向上實際測 定的電阻率(B)的圖表；圖5是示出了理論電阻率(令)和通過施加根據(jù)如圖2(a)所示 的本發(fā)明第一種具體實施方式
的不茲場(R=2.3)制造的石圭單晶的晶 體方向上實際測定的電阻率(園)的圖表；圖6是示出了理論電阻率(令)和通過施加根據(jù)如圖2(b)所示 的本發(fā)明第二種具體實施方式
的磁場(R=1.36)制造的8英寸石圭單 晶的晶體方向上實際測定的電阻率(■)的圖表；圖7是分別示出了圖2所示的第一種和第二種具體實施方式
中 的硅熔體的溫度分布的仿真結(jié)果的圖表；以及圖8是分別示出了圖2所示的第一種和第二種具體實施方式
中 的硅熔體的對流速率分布的仿真結(jié)果的圖表。<基本部件的參考代碼>SM:硅熔體10:坩堝20:坩堝架30:坩堝旋轉(zhuǎn)部件40:力口熱部件50:隔熱部4牛60:單晶揭^立部4牛70:隔熱屏具體實施方式
在下文中，將結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選具體實施方式
。 在前面的描述中，可以認為在說明書中和所附一又利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)^皮解釋為受到一^:含義和字典含義的限制，而應(yīng)該以發(fā)明 人允許的確定適于最好解釋的術(shù)語的原則為基礎(chǔ)，基于相應(yīng)本發(fā)明 的技術(shù)方面的含義和概念加以解釋。因此，本文中提出的實施例Y又 是為了舉例說明所提出的優(yōu)選實施例，而不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限 制，因此可以理解為在不偏離本發(fā)明精神和范圍的基礎(chǔ)上，可以進 行其它等同和修改。同時，下文中說明的本發(fā)明的具體實施方式
基于使用CZ法的 硅半導體單晶的生長，然而，本發(fā)明的精神不應(yīng)該被解釋為僅限制 硅半導體單晶的生長。因此，應(yīng)該注意的是所有種類的化合物半導 體單晶都可以應(yīng)用本發(fā)明的精神，包括Si、 Ge、 GaAs、 InP 、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03) 、 YAG(4乙鋁石榴石，yttrium aluminum garnet) 、 LBO(LiB30s)或CLBO(CsLiB6O10)。圖1為示出了用于制造半導體單晶設(shè)備的示意圖，其用于實現(xiàn) 制造根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選具體實施方式
的硅單晶的方法。參見圖1,該半導體單晶制造i殳備包括用于盛》欠通過在高溫 下熔化多晶硅和摻雜劑得到的硅熔體(SM)的石英坩堝10;環(huán)繞 在石英坩堝10外部周圍并以預(yù)i殳方式支持石英坩堝10外部周圍的 坩堝架20;安裝在坩堝架20底端用以4吏石英坩堝10隨坩堝架20 一起^走轉(zhuǎn)的坩堝^走轉(zhuǎn)部件30; /人坩堝架20側(cè)壁以豫設(shè)長度隔開以 加熱石英坩堝10的力口熱部件40;安裝在加熱部件40外部以防止加 熱部^f牛40產(chǎn)生的熱量向外輻射的隔熱部件50;用晶種乂人裝在石英 坩堝10中的SM中提拉單晶(C )的單晶才是拉部件60;以及從用單 晶提拉部件60提拉的單晶(C )外部周圍以預(yù)設(shè)長度隔開以反射來 自單晶(C)的熱輻射的隔熱屏70。這些組件通常^皮用在本領(lǐng)域中 公知的使用CZ法的半導體單晶制造設(shè)備中，因此本文中不再詳述。除了上述組件以外，本發(fā)明中應(yīng)用的半導體單晶制造設(shè)備進一步包4舌用于向石英蚶堝10施加》茲場的》茲場施力口部件80a、 80b (在 下文中用共有的參考代碼80表示)。優(yōu)選地，》茲場施加部件80向 盛放在石英坩堝10中的高溫SM才是供不對稱磁場Gupper、 GlQwer (在 下文中，用共有的G表示)。優(yōu)選地，基于ZGP (零高斯平面)90,該不對稱磁場G在其下部的磁場G!。麗比其上部的磁場Gupper具有更大的強度。這就是說， 該眉茲場的R (-G^er/Gupper )大于1。在這種不^f稱的石茲場條件下，ZGP90具有近似向上凸出的拋物線圖形。而且，在上部和下部區(qū)域 中基于ZGP形成的f茲場呈不對稱分布。同才羊可選;也，該不對稱^茲場G的上部^茲場Gupper的強度比下部磁場GlQwer的強度更大。也就是說，該不對稱磁場G具有的R( =Glower/ Gupper)小于l。盡管在圖中未示出，但在這種不對稱磁場條件下， ZGP卯具有近似的向下凸出的拋物線圖形。優(yōu)選地，石茲場施加部件80向石英坩堝10施加尖形不對稱/磁場 G。在這種情況下，該》茲場施加部4牛80包4舌安裝在與隔熱部件50 的外周以預(yù)設(shè)距離隔開的環(huán)形的上部和下部線圈80a、 80b。優(yōu)選地， 上部和下部的線圈80a、 80b是基本上與石英i計堝10同4由安裝的。為了形成不3于稱"磁場G,作為示例，可以在上部和下部的線圏 80a、 80b中通入不同強度的電流。也就是說，在下部線圈80b中通 入比上部線圈80a中更大的電流，反之亦然。同樣可選地，也可以 在上部和下部線圈80a、 80b中通入同^"強度的電流，^f旦可以控制 每個線圈的臣數(shù)來形成不對稱磁場G。同時，對于本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來i兌，上部和下部線圈80a、 80b產(chǎn)生的》茲場強度可以隨著 ^f呆持不對—稱》茲場G原有的R值而增加是顯而易見的。1同時，為了增加使用CZ法制造的硅單晶的最佳長度，可以增 加摻雜劑的有效偏析系數(shù)。同樣，為了增加有效偏析系數(shù)，可以增 加在固-液界面上形成的擴散邊界層的厚度。為了增加擴散邊界層的 厚度，就需要穩(wěn)定固-液界面附近的硅熔體對流。為了這個目的，在 本發(fā)明中，向含有摻雜劑和硅的熔體的石英坩堝施加上述提到的尖 形不對稱一磁場。然后，可以增加擴散邊界層的厚度以在不4吏用共摻 雜的情況下增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)。因此，可以在單晶的長度 方向上擴大電阻率分布。如果電阻率分布^皮如上所述的擴展，則能 夠制造產(chǎn)品的單晶的最佳長度增加，從而改善了生產(chǎn)力。通常，在石圭單晶生長中添加的摻雜劑在,圭熔體和單晶的界面上 被引入硅晶中。這時引入的摻雜劑的量是基于有效偏析系數(shù)確定 的，有效偏析系數(shù)由下述等式1定義。等式l:其中，Cs為單晶中的摻雜劑濃度，C,為硅熔體中的摻雜劑濃度。 而且，直到現(xiàn)在還在4吏用的確定有效偏析系f欠的等式用以下等式2 表示。等式2在"Solid state technology (April 1990 163) R.N. Thomas" 、 "Japanese journal of applied physics (April 1963 Vol. 2， No4) Hiroshi Kodera，，、 "Journal of crystal growth (264 (2004) 550-564 D. T. Hurle"等文獻中^^開。等式2:<formula>formula see original document page 17</formula>其中，Ko為等效的偏析系數(shù)，V為單晶的生長速度，T為擴散 邊界層的厚度，D為流體的擴散系數(shù)。而且，確定擴散邊界層厚度 (T)的實驗式用下述等式3表示。等式3:<formula>formula see original document page 17</formula>其中，v為運動粘度系數(shù)，co為單晶的旋轉(zhuǎn)速率(rotation rate )。 將等式3代入等式2得到由下述等式4表達的最終等式。等式4:<formula>formula see original document page 17</formula>觀察等式4，可以發(fā)現(xiàn)有效偏析系數(shù)與晶體生長速度和運動粘 度系數(shù)成正比，并與擴散系數(shù)和晶體旋轉(zhuǎn)速率成反比。然而，等式 4為基于從3英寸或小到幾毫米的小的單晶的實驗分析結(jié)果的經(jīng)驗 式，因此其不適用于大于200 mm的大口徑單晶的生長。這是因為 石圭》容體以非正常狀態(tài)流入，并因此形成復(fù)雜圖形，由此導致不能賴「 確分一斤流體流動。在本發(fā)明中，為了滿足半導體設(shè)備需要的質(zhì)量并在不降低生產(chǎn) 率的情況下改善有效偏析系數(shù)，傾向于更4氐的擴散系凄t并4吏擴散邊界層更厚。而且，為了控制擴散系數(shù)和擴散邊界層，發(fā)現(xiàn)對石英坩 堝施加尖形不對稱磁場是有效的。這是因為施加尖形不對稱磁場可 以有效地抑制在硅熔體的固-液界面附近產(chǎn)生的流體異常流動。這種 對在施加不對稱^茲場后得到的異常流動的抑制可以穩(wěn)定的控制熔 體中的對流速度和溫度分布。如果在硅單晶生長中施加了不對稱磁場，則在與硅單晶接觸的熔化界面上和距離熔化界面50 mm處的位置測定的熔化速度比 (Mvr)和硅熔體的溫度分布滿足下述等式5和等式6。等式5:<formula>formula see original document page 18</formula>
iwte7/we (更優(yōu)選為15)
等式6:<formula>formula see original document page 18</formula>
等式5中的Mvr為在固-液界面和固-液界面下方50 mm處測定 的硅熔體的對流速度比，等式6中的ATemp為在固-液界面和固-液界面下方50 mm處測定的石圭熔體的溫差。如果通過施加尖形不對 稱》茲場將Mvr控制為小于30，更優(yōu)選為小于15,則可以增加分散 邊界層的厚度以增加有效偏析系數(shù)。而且，如果通過施加尖形不對 稱磁場將溫差控制在小于50K，更優(yōu)選小于30K,則可以增加分散 邊界層的厚度以增加有效偏析系數(shù)。圖2示出了向正在生長8英寸石圭單晶的石英坩堝中施加尖形不 對稱磁場的情況下，ZGP以及分布在硅熔體和石英坩堝周圍的磁場 的仿真結(jié)果。參見圖2，可以理解，在R為2.3的情況下(第一具體實施方 式)，；茲場分布密度高于在R為1.36的情況下(第二具體實施方式
)， ZGP在第一和第二具體實施方式
中都具有向上凸起的拋物線圖形， 而且當R增加時ZGP而向上移動。R值的增加意p未著下部線圈比 上部線圈的f茲場強度相對增加。如果ZGP的下部》茲場強度變纟尋比上 部磁場強度更強的話，在固-液界面附近以及在石英蚶堝和硅熔體的 邊界表面上的磁場密度就會增加。結(jié)果，硅熔體的異常流體流動， 特別是在固-液表面附近的異常流體流動將會^皮抑制。因此，固-液 界面附近的擴散邊界層的厚度增加，從而增加摻雜劑的有效偏4斤系 數(shù)。這種有效偏析系數(shù)的增加將在下文中用實驗實施例加以解釋。圖3是示出了理論電阻率(令)和根據(jù)不向其施加磁場(比較實 施例1)而制造的8英寸硅單晶的晶體方向?qū)嶋H測定的電阻率(B)的圖表。在圖3中，由于對電阻率進^f亍了多次測定，同時在晶體截 面上將測定點改為不同位置，而且還使用許多試樣用來進行核查再 現(xiàn)性，因此代表實際測定的電阻率的點被集中。依照晶體方向的理 論電阻率可以通過使用晶體半徑的系數(shù)、晶種重量、晶種的電阻率、 多晶硅的裝料、以及有效偏析系數(shù)進行理論計算單晶的電阻率而得 到。具體的理i侖電阻率可以^吏用下述等式7和等式8來計算。<formula>formula see original document page 19</formula>等式8:<formula>formula see original document page 19</formula>在等式7中， 為理i侖電阻率，p^rf為晶種的電阻率，s為凝固率，y^為摻雜劑的有效偏析系數(shù)。在等式8中，R為晶4走的半徑，H為長成的晶4t的高，a為晶 錠密度，M由^為投入石英坩堝中的材料的重量，M,^為晶種的重量。在比4交實施例1中，i =10.35cm，7l^eef 1560 g,p,尸12.417 cmQ, 風—e=120kg， ^=0.750，以及0=2.328 g/cm3。圖4是示出了理論電阻率(令)和通過向其施加尖形對稱^茲場 (R=l )(比較實施例2)制造的8英寸硅單晶的晶體方向上實際測 定的電阻率(畫)的圖表。在比較實施例2中，^=10.35 cm，A4^=1560 g, pjee￡/=11.94 cmO， Mc/zarge =150 kg， & =0.750，以及a =2.328 g/cm3。 施加的》茲場4吏ZGP剛好位于固-液界面的下方。如圖4所示，如果在生長硅單晶時向石英坩堝施加對稱磁場， 則實際測定的電阻率與理i侖電阻率基本沒有差異。因此，可以i人為 對稱磁場不能本質(zhì)上增加有效偏析系數(shù)，因此在晶體長度方向上不 能控制有效偏析系數(shù)。圖5是示出了理論電阻率(令)和通過施加根據(jù)如圖2(a)所示的本發(fā)明第一種具體實施方式
制造的不對稱石茲場(R=2.3)制造的 硅單晶的晶體方向上實際測定的電阻率(困)的圖表。在第一具體實施方式
中，i =10.35 cm，風^二1560g, p,,11.25 cmQ，風—e=150 kg， & =0.750，以及cj =2.328 g/cm3。參見圖5,與上文中說明的比較實施例1和2的電阻率對比結(jié) 果不同，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)晶體生長的電阻率的降低被減弱使得在晶體 長度方向上的電阻率分布^皮擴大。更具體地說，在晶體長度方向上的O到1/2L (L為生長的單晶體的總長度)的區(qū)域中，電阻率比理 i侖電阻率增加了 0到15%,在1/2 L到1 L的區(qū)域中，電阻率比理 i侖電阻率增加了 0到40%。因此，可以認為，通過施加不對稱》茲場， 有可能控制摻雜劑的有效偏析系數(shù)并在晶體長度方向上控制電阻 率分布，由此可以增加硅單晶的最佳長度。同時，盡管并未建識 使用特定的實施例，如果上部線圈和下部 線圈的磁場強度以相同比例增加，盡管R是相同的，因為硅熔體中 的》茲場密度增力。，有效偏析系數(shù)可以進一步增力口是顯而易見的。圖6是示出了理論電阻率(命)和通過施加根據(jù)如圖2(b)所示 的本發(fā)明第二具體實施方式
制造的不對稱一磁場(R-1.36)制造的8 英寸硅單晶的晶體方向上實際測定的電阻率(薩)的圖表。在第二具體實施方式
中，^=10.35 cm， A/鵬fl560 g, pseecrll.33 cmQ， A/c/^ge=150 kg, ^=0.750'以及a二2.328 g/cm3。而且，施力口的不只于 稱》茲場4吏ZGP的凸點剛好在固-'液界面下方。參見圖6,可以發(fā)現(xiàn)電阻率分布在晶體的長度方向上被擴大了 ， 與第一具體實施方式
相似。更具體地，可以看出，在晶體長度方向 上的0至1/2L區(qū)域中，電阻率比理i侖電阻率增加了 0到10%,在 1/2 L到1L區(qū)域中，電阻率比理論電阻率增加了 0到23%。而且，將第一種與第二種具體實施方式
互相對比，盡管〗吏用了 不對稱f茲場，當ZGP位于硅熔體上方時(第一具體實施方式
)比R 更大并且通過控制R使ZGP位于石圭熔體中的情況(第二種具體實 施方式)控制晶體長度方向上的電阻率是更加有利的。圖7是分別示出了圖2所示的第一和第二具體實施方式
中的硅 熔體的溫度分布的仿真結(jié)果的圖表。在圖7中，實線為等溫線，相 鄰等溫線之間的差異為2K。參見圖7,第一具體實施方式
的等溫線差異大于靠近固-液界面的第二具體實施方式
的等溫線差異。因此， 可以^人為，增加R可以降^[氐石圭熔體內(nèi)的溫度梯度，乂人而穩(wěn)、定溫度分布。根據(jù)圖5和圖6中示出的圖表，可以認為，由于R增加，晶體 長度方向上的電阻率分布^皮擴大了，因此，由于石圭熔體中的溫度梯 度下降可以更好地控制摻雜劑的有效偏析系數(shù)。此外，在R增加使 ZGP位于石圭炫體上方的情況下(第一具體實施方式
)比ZGP位于 硅熔體中的情況(第二種具體實施方式
)，石圭熔體中的溫度梯度4皮 降低以能夠穩(wěn)定控制溫度分布。如果溫度分布如上所述的被穩(wěn)定， 那么就能夠抑制硅熔體的異常流體流動，并因此可能增加靠近固-液界面的擴散邊界層的厚度，/人而增加有效偏才斤系凄t。圖8是分別示出了圖2所示的第一和第二具體實施方式
中的硅 熔體的對流速率分布的仿真結(jié)果的圖表。在圖8中，箭頭方向表示 硅熔體的對流方向，箭頭長度表示對流速率的大小。參見圖8，可 以認為，基于同一點，當R增加時對流速率下降，并且在ZGP位 于;圭熔體上方的情況下(第一具體實施方式
)比ZGP位于硅熔體中 的情況(第二具體實施方式
)，硅熔體的對流速率下降。更具體地 說，在第一具體實施方式
中，固-液界面(A點)上的熔體對流速率 為0.14 cm/s，側(cè)壁底部的曲面點(curved point) (B點)的炫體對 流速率為1.21 cm/s,而在第二具體實施方式
中，固-液界面(A點) 上的》容體乂于H速率為0.33 cm/s， #]壁底部的曲面點(curved point) (B點)的熔體對流速率為1.85cm/s。根據(jù)圖8的圖解，由于R增加和ZGP向上移動，^ 圭熔體的對 流速率下降以抑制石圭熔體的異常流動，因此，增加了靠近固-液界面 的擴散邊界層的厚度以增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)。如上文中纟是到的，通過在4吏用CZ法生長石圭單晶時施加不對稱 一磁場，可以降^氐石圭的對流速率和石圭熔體中的溫度梯度，因此這樣抑 制硅流體的異常流動，即可以控制靠近固-液界面的擴散邊界層的厚度以增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)，從而能夠在晶體長度方向上擴大 電阻率分布。擴大電阻率的分布與控制擴散邊界層的厚度有關(guān)，由于控制硅 熔體的對流速率和溫度分布，因此電阻率分布可以進一 步通過其它 控制晶體的旋轉(zhuǎn)速度、沿著晶體側(cè)壁向硅熔體上部通入的惰性氣體 的流速、單晶生長室內(nèi)的壓力等和一起向石英蚶堝施加不對稱石茲場 的方式來擴大。同時，上文中說明的第一和第二具體實施方式
是基于向石英坩 堝施加的尖形不對稱萬茲場的R大于1的情況，但顯而易見的是本發(fā)明不限于這種情況，還可以應(yīng)用于R大于O且小于1的情況。而且，本發(fā)明不限于使用CZ法生長的材術(shù)牛的類型，而可以用 于所有種類的單晶生長。因此，本發(fā)明可以用于生長所有類型的單 元素(single elements )，例如4者，和所有類型的復(fù)合半導體單晶， 包括Si、 Ge、 GaAs、 InP、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03)、 YAG(釔鋁石 才留石，yttrium aluminum garnet)、 LBO(LiB305)或CLBO(CsLiB6O10) 單晶錠以及硅單晶。上文已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明。然而，應(yīng)該i人為當指出本發(fā)明的 優(yōu)選具體實施方式
時，具體描述和特定的實施例都^f義是以舉例說明 的方式給出的，因此根據(jù)詳細的描述在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進行 變化和修改對于本領(lǐng)域的4支術(shù)人員來說是顯而易見的。工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明，當使用CZ法生長半導體單晶時施加不對稱^茲場， 從而控制半導體熔體的對流速率和溫度分布，以及由此抑制半導體 熔體的異常流動。因此，當生長不僅是小口徑或中口徑的半導體單晶，也包括超過200 mm的大口徑的半導體單晶時，增加靠近固畫 液界面的擴散邊界層的厚度以增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)，并由此 在晶體長度方向上擴大電阻率分布。因此，本發(fā)明可以^^〗&常*見方 法改善生產(chǎn)力。
權(quán)利要求
1.一種使用提拉(CZ)法制造半導體單晶的方法，其中，將晶種浸沒到容納在坩堝中的半導體原料和摻雜劑的熔體中，然后將所述晶種邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉以生長半導體單晶，其中向所述坩堝施加基于磁場的垂直分量為0的ZGP(零高斯平面)的具有上部和下部磁場強度互不相同的尖形不對稱磁場，使在晶體長度方向上理論計算的電阻率分布在晶體的長度方向上擴大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中所述理論上計算的電阻率是使用以下等式計算的<formula>formula see original document page 2</formula>其中P決e哼為理論電阻率，P艦d為所述晶種的電阻率，S為凝固率，y^為所述摻雜劑的有效偏析系^L
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，在單晶生長的過程中，固-液界面與距離所述固-液界面50 mm的點的溫度差異小于50K。
4. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，在單晶生長的過程中，所述固-液界面上的對流速 率與距離所述固-液界面50 mm的點的對流速率的比率小于 30。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，在所述已生長的半導體單晶的長度方向上的o到至15%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，在所述已生長的半導體單晶的長度方向上的1/2 L 到1L區(qū)域中測定的電阻率比所述理i侖計算的電阻率增長了 0 至40%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，基于ZGP，所述不對稱磁場的下部比其上部具有 更大的強度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于制造半導體單晶的方法，其中所述ZGP具有向上凸起的拋物線圖形，以及其中所述拋物線圖形的上部頂點^立于半導體熔體的上方。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造半導體單晶的方法，其中，基于ZGP，所述不只于稱^茲場的上部比其下部具有 更大的強度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于制造半導體單晶的方法，其中所述ZGP具有向下凸起的拋物線圖形，以及 其中所述拋物線圖形的下部頂點位于半導體熔體中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項所述的用于制造半導體單晶 的方法，其中所述半導體單晶為Si、 Ge、 GaAs、 InP、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03) 、 YAG( 4乙鋁石4留石)、LBO(LiB305)或 CLBO(CsLiB60i。)單晶。
12. —種半導體單晶的晶錠，使用CZ法生長，其中，將晶種浸沒 到容納在坩堝中的半導體原料和摻雜劑的熔體中，然后將所述 晶種邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉，其中，在所述半導體單晶生長過程中，向所述坩堝施加 基于》茲場的垂直分量為0的ZGP (零高斯平面)的具有上部 和下部磁場強度互不相同的尖形不對稱f茲場，使在晶體長度方 向上理i侖計算的電阻率分布在晶體長度方向上擴大。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體單晶的晶4t,其中所述理論上計算的電阻率是使用以下等式計算的P決eo^一PwecA 1腳。J其中P^w為理論電阻率，P,^為所述晶種的電阻率，s 為凝固率，^為所述摻雜劑的有效偏析系數(shù)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體單晶的晶4定，其中所述半導體單晶是施加基于ZGP的下部比其上部具有更大強度的不對稱磁場制造的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導體單晶的晶錠，其中所述ZGP具有向上凸起的拋物線圖形，以及其中所述4旭物線圖形的上部頂點^立于半導體》容體的上方。
16. 才艮據(jù)4又利要求12所述的半導體單晶的晶4定，其中所述半導體單晶是采用基于ZGP的上部比其下部具 有更大強度的不對稱磁場制造的。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的半導體單晶的晶錠，其中所述ZGP具有向下凸起的拋物線圖形，以及 其中所述拋物線圖形的下部頂點位于半導體熔體中。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體單晶的晶4定，其中在所述已生長的半導體單晶的長度方向的O到1/2 L
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導體單晶的晶錠，其中，在所述生長的半導體單晶的長度方向的1/2L到1L 區(qū)域中測定的電阻率比所述理論計算的電阻率增長了 0至 40%。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12至19中的任一項所述的半導體單晶的晶錠，其中所述半導體單晶錠為Si、 Ge、 GaAs、 InP、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03) 、 YAG( 4乙鋁石榴石)、LBO(LiB305)或 CLBO(CsLiB6Ch 。)單晶4走。
21. —種Y吏用^又利要求12至19中的^f壬一項限定的半導體單晶4定制 造的半導體晶片。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的半導體晶片，其中所述半導體單晶4定為Si、 Ge、 GaAs、 InP 、 LN(LiNb03)、 LT(LiTa03) 、 YAG( 4乙鋁石才留石)、LBO(LiB305)或 CLBO(CsLiB60K))單晶錠。
全文摘要
一種使用提拉(CZ)法制造半導體單晶的方法，在該方法中，將晶種浸沒在加入到坩堝中的半導體原料和摻雜劑的熔體中，晶種被邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉以生長半導體單晶。這里，基于磁場的垂直分量為0的ZGP(零高斯平面)，具有不同的上部和下部磁場強度的尖形(cusp-type)不對稱磁場這樣施加于坩堝，即理論上在晶體長度方向上計算的電阻率分布在晶體長度方向上被擴大。因此，在靠近固-液界面的擴散邊界層厚度被增加，以增加摻雜劑的有效偏析系數(shù)，從而在晶體的長度方向上擴大電阻率的分布，增加單晶的最佳長度，并提高生產(chǎn)力。
文檔編號C30B15/00GK101225541SQ20071016426
公開日2008年7月23日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者李洪雨, 李祥準, 洪寧皓, 鄭盛午 申請人:斯爾瑞恩公司