專(zhuān)利名稱(chēng)：硅單晶提拉裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在給硅熔融液外加縱向磁場(chǎng)的同時(shí)，將硅單晶棒從硅熔 融液中提拉的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
以前，人們所熟知的培育硅單晶棒的方法有從坩堝內(nèi)的熔融液中使半導(dǎo)體用的高純度硅單晶棒生長(zhǎng)的切克勞斯基法(以下稱(chēng)為cz法)。在cz法中，利用設(shè)置在石英坩堝周?chē)奶及艏訜崞骷訜崾③釄鍍?nèi)的硅熔融液，并維持在一定溫度，讓鏡蝕刻的籽晶與硅熔融液接觸，然后 讓該籽晶旋轉(zhuǎn)并不斷提拉，生成硅單晶棒。在這種硅單晶棒的培育方法 中，提拉籽晶時(shí)，從硅熔融液形成籽晶收縮部分以后，結(jié)晶漸漸長(zhǎng)大， 直到達(dá)到目標(biāo)硅單晶棒的直徑大小，這時(shí)形成肩部，然后，進(jìn)一步提拉， 形成單晶棒的直體部分。同時(shí)，在硅結(jié)晶中含有雜質(zhì)。作為雜質(zhì)，包括為了調(diào)整電阻率而 有意加入的硼、磷等摻雜劑，以及提拉過(guò)程中自石英坩堝壁溶出、混入 到熔融液中的氧等。在由硅單晶棒形成硅片的時(shí)候，由于上述雜質(zhì)會(huì)左 右硅片的品質(zhì)，因此必須加以適當(dāng)控制。尤其是，為了讓硅片中的雜質(zhì) 在面上均勻分布，使硅單晶棒中的半徑方向的雜質(zhì)濃度分布均勻非常重 要?？紤]到該點(diǎn)，近年來(lái)，在使用切克勞斯基法提拉單晶的時(shí)候，給坩 堝內(nèi)的熔融液上外加由超導(dǎo)線(xiàn)圏產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)，從而控制硅熔融液中產(chǎn) 生的熱對(duì)流的才支術(shù)(MCZ法；Magnetic Field Applied Czochralski Method) 得到使用。作為這種靜磁場(chǎng)，公知的有橫向磁場(chǎng)(例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)1: 特開(kāi)昭61-239605號(hào)公報(bào))、縱向磁場(chǎng)(例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)2:特開(kāi)平 10-279380號(hào)公報(bào))和會(huì)切磁場(chǎng)(例如，專(zhuān)利文獻(xiàn)3:特開(kāi)2003-2782號(hào) 公報(bào))三類(lèi)。實(shí)踐證明，在MCZ法中，通過(guò)對(duì)硅熔融液的對(duì)流進(jìn)行控 制，可以使熔融液的溫度穩(wěn)定，以及減少熔融液導(dǎo)致的坩堝的溶解。發(fā)明內(nèi)容但是，在橫向磁場(chǎng)的情況下，對(duì)于硅熔融液的表面或任意的水平截 面，在各種旋轉(zhuǎn)角度下，不能均勻地外加磁場(chǎng)。為了將橫向磁場(chǎng)加到水 平面上的某個(gè)方向而設(shè)置電磁鐵，由此在產(chǎn)生由一方的電磁鐵向其他方 向的電磁鐵的磁場(chǎng)時(shí)，外加方向與平行方向的磁場(chǎng)分布與外加方向和垂 直方向的磁場(chǎng)分布差異很大，同時(shí)，通過(guò)硅熔融液中央的最強(qiáng)，隨著離 中央的距離加大而變?nèi)?，結(jié)果不能對(duì)硅熔融液外加以其中心軸為軸對(duì)稱(chēng) 均勻石茲場(chǎng)?？v向磁場(chǎng)是借助具有比石英坩堝的外徑更大的彼此相同線(xiàn)圏直徑的第1和第2線(xiàn)團(tuán)被外加，所述第1和第2線(xiàn)圈分別以石英坩堝的旋轉(zhuǎn) 軸為線(xiàn)圏中心，在垂直方向上隔開(kāi)規(guī)定的間隔進(jìn)行配設(shè)。因此，只要是 由這樣的第1和第2線(xiàn)圏產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)，就可以給硅溶融液均勻地外 加軸對(duì)稱(chēng)的磁場(chǎng)。但是，由于硅熔融液的對(duì)流受磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力控 制，所以其磁場(chǎng)如果是縱向的，則不能防止自石英坩堝壁溶出混入到熔 融液中的氧等雜質(zhì)向硅熔融液的中央表面集中。因而存在不能充分降低 由于硅熔融液的中央表面的拉攏所導(dǎo)致的、作為雜質(zhì)的氧混入到硅單晶 棒的問(wèn)題。另 一 方面，會(huì)切磁場(chǎng)是通過(guò)將具有比石英蚶堝的外徑更大的彼此相 同線(xiàn)圏直徑的第l和第2線(xiàn)圏，分別以石英坩堝的旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圏中心， 在垂直方向隔開(kāi)規(guī)定間隔進(jìn)行配置，使第1與第2線(xiàn)圏中流過(guò)方向相反 的電流而產(chǎn)生的。為此，使用會(huì)切磁場(chǎng)的話(huà)，對(duì)石英坩堝內(nèi)圓周面附近 的硅熔融液外加碎黃向,茲場(chǎng)，可以有效地防止自石英蚶堝壁溶出混入到熔 融液中的氧等雜質(zhì)向硅熔融液的中央表面集中進(jìn)入硅單晶棒。但是，在 會(huì)切磁場(chǎng)的情況下，由于在硅單晶棒下方的固液邊界附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度為 零，所以存在不能通過(guò)磁場(chǎng)控制固液界面形狀的問(wèn)題。尤其是，近年來(lái)， 人們?cè)趪L試通過(guò)控制固液界面形狀來(lái)制造內(nèi)部不存在晶格間硅型點(diǎn)缺 陷的凝聚體的硅單晶棒，因此，增加了控制固液界面形狀的重要性。本發(fā)明的目的在于提供一種在硅熔融液中能夠得到以所述中心軸 為軸對(duì)稱(chēng)的均勻磁場(chǎng)，可以防止氧等雜質(zhì)向硅熔融液的中央表面集中， 并且可以有效控制硅單晶棒正下方的固液界面形狀的硅單晶提拉裝置 及其方法。在本發(fā)明的單晶提拉裝置中，使設(shè)置在爐室內(nèi)的存留有硅熔融液的 石英坩堝以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并使硅單晶棒以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，自硅熔融液中進(jìn)行提拉，此時(shí)，沿垂直方向隔開(kāi)規(guī)定的間隔配設(shè)分別以坩堝的旋轉(zhuǎn)軸為中心的第l線(xiàn)圏及第2線(xiàn)圏，分別對(duì)第l線(xiàn)圈及第 2線(xiàn)圏通以同向的電流，由此使第1和第2線(xiàn)圏之間產(chǎn)生磁場(chǎng)。本發(fā)明 通過(guò)把第l線(xiàn)團(tuán)設(shè)置在爐室外，把第2線(xiàn)圏設(shè)置在爐室內(nèi)，對(duì)上述結(jié)構(gòu) 的單晶提拉裝置進(jìn)行了改良。在上述的硅單晶提拉裝置中，如果在第1和第2線(xiàn)圈中分別通過(guò)相 同方向的電流，則從側(cè)面看由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)，顯示出磁力線(xiàn)的描述曲線(xiàn) 是向下直徑變小的圓錐狀。在這個(gè)圓錐狀的磁場(chǎng)中，面向硅熔融液中央 的磁場(chǎng)被均勻外加，結(jié)果可以給硅熔融液外加以所迷中心軸為軸對(duì)稱(chēng)的 均勻》茲場(chǎng)。該圓錐狀磁場(chǎng)分別具有縱向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)的特性。借助磁場(chǎng)的橫 向成分，可以防止自石英坩堝壁溶出混入到熔融液中的氧等雜質(zhì)向硅熔 融液的中央的集中，從而可以充分降低作為雜質(zhì)的氧混入到單晶棒中。由于圓錐狀磁場(chǎng)即使在硅單晶棒正下方的固液界面附近的磁場(chǎng)強(qiáng) 度也不會(huì)成為零，因此可以借助磁場(chǎng)控制上述固液界面的形狀。上述結(jié)構(gòu)的硅單晶棒的提拉裝置，第1線(xiàn)圏和第2線(xiàn)團(tuán)在垂直方向 的間隔T為超過(guò)0且在10000mm以下，第1線(xiàn)圏的直徑D,在100mm 以上10000mm以下，第2線(xiàn)圏的直徑02在5mm以上5000mm以下， 第1線(xiàn)圏的直徑D,與第2線(xiàn)圏的直徑D2之比是1以上2000以下，而且 爐室外周的壁厚設(shè)為t時(shí)，第1線(xiàn)圈的直徑D!減去第2線(xiàn)圈的直徑D2 的值也可以在2t以上。采用上迷的硅單晶提拉裝置，可以有效地調(diào)整硅單晶棒正下方的固 液界面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以借助該磁場(chǎng)有效地控制固液界面的形 狀。作為優(yōu)選的條件，T為超過(guò)0且在8000mm以下，第1線(xiàn)圏的直徑 D！在500mm以上5000mm以下，第2線(xiàn)圈的直徑D:在50mm以上500mm 以下。在本發(fā)明的硅單晶提拉法中，使設(shè)置在爐室內(nèi)的存留有硅熔融液的 石英蚶禍以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并使硅單晶棒以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋 轉(zhuǎn)，自硅熔融液中進(jìn)行提拉，此時(shí)，在上述爐室外，以上述石英坩堝的 旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圏中心設(shè)置具有比爐室外徑更大線(xiàn)圏直徑的的第l線(xiàn)圖，在 上述爐室內(nèi)，沿著和上述第1線(xiàn)圏垂直的方向隔開(kāi)規(guī)定的間隔T，設(shè)置 以石英坩禍的旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圏中心的第2線(xiàn)圖，分別對(duì)上述第1以及第2線(xiàn)圏通以同向的電流，由此使上述第1和第2線(xiàn)圏之間產(chǎn)生磁場(chǎng)。在上述單晶提拉方法中，將第1和第2線(xiàn)圍的規(guī)定間隔T的中間位 置與上述硅熔融液的表面之間的距離設(shè)為H時(shí)，控制中間位置在硅熔融 液的表面或其下方滿(mǎn)足Omm《I H I《10000mm之處。在上述的硅單晶的提拉方法中，控制中間位置在硅熔融液的表面或 其下方以使中間位置與硅熔融液的表面之間的距離滿(mǎn)足Omm《I H I 《10000mm,同時(shí)一旦提拉硅單晶棒，則在硅熔融液中產(chǎn)生規(guī)定的對(duì)流。 借助這種對(duì)流，以往在下方大大凸起的固液界面的形狀恢復(fù)到與液面相 同高度，并且接近平坦。結(jié)果，硅單晶棒的垂直方向的溫度梯度也接近 均勻，可以比較容易地制造出在幾乎全長(zhǎng)的范圍內(nèi)均無(wú)缺陷的高品質(zhì)硅 單晶棒。如果I H I超過(guò)10000mm,則熔融液內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁線(xiàn)密 度)不夠，使得氧和固液界面形狀的控制變得很困難。作為優(yōu)選的范圍， 可以是Omm^ I H I《500mm。在上述硅單晶的提拉方法中，當(dāng)?shù)?線(xiàn)圏中通過(guò)的電流設(shè)為h,第 2線(xiàn)圏中通過(guò)的電流設(shè)為12時(shí)，給第l線(xiàn)團(tuán)和第2線(xiàn)圈通入Ii和l2在0.1 ~ IO"A的范圍、并且滿(mǎn)足0.001《(1!/12)《IOOO的電流，控制中間位置 和石英蚶堝的內(nèi)徑等同位置的磁通密度為0.001 ~ 1.0T(Wb/m2)。在上述的硅單晶的提拉方法中，可以有效地調(diào)整硅單晶棒正下方的 固液界面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而能夠制造出內(nèi)部不存在晶格間硅型點(diǎn)缺 陷的凝聚體的硅單晶棒。如果中間位置的石英坩堝的內(nèi)徑同等位置的磁 通密度為不到0.001丁(Wb/m2)，則由于熔融液內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁通密度) 不夠使得不能充分控制氧，如果超過(guò)1.0T(Wb/m"的話(huà)，則由于熔融液 內(nèi)的對(duì)流不夠，從而不能充分地控制固液界面的形狀。作為優(yōu)選的條件 是L和h在100~101()A，和中間位置的石英坩堝的內(nèi)徑同等位置的磁 通密度為0.01 ~ 0.5T(Wb/m2)。發(fā)明的效果在本發(fā)明的硅單晶提拉裝置中，由于在爐室外設(shè)置第1線(xiàn)圏，在爐 室內(nèi)設(shè)置第2線(xiàn)圏，所以如果分別給第1以及第2線(xiàn)團(tuán)通以同向電流的 話(huà)，則可以得到從側(cè)面看磁力線(xiàn)曲線(xiàn)是向下直徑變小的圓錐狀磁場(chǎng)。在 該圓錐狀^f茲場(chǎng)中，可以均勻地外加朝向硅熔融液中央的A茲場(chǎng)，結(jié)果，就 可以給硅炫融液外加以所述中心軸為軸對(duì)稱(chēng)的均勻^茲場(chǎng)。圓錐形磁場(chǎng)分別具有縱向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)的特性，借助橫向成分，可以防止自石英坩 堝壁溶出混入到硅熔融液的氧等雜質(zhì)向熔融液中央表面集中的現(xiàn)象。進(jìn) 而，即使是在硅單晶棒正下方的固液界面附近，圓錐形磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度 也不會(huì)成為零，從而可以用于固液界面形狀的控制。在本發(fā)明的硅單晶的提拉方法中，在第1與第2線(xiàn)圏的規(guī)定間隔T 的中間位置與硅熔融液的表面之間的距離設(shè)為H時(shí)，因?yàn)榭刂浦虚g位置 在硅熔融液的表面或其下方的滿(mǎn)足Omm《I H I < 10000mm的位置， 所以在硅熔融液中產(chǎn)生規(guī)定的對(duì)流。借助這些對(duì)流，以往在下方大大凸 起的固液界面的形狀恢復(fù)到與液面相同高度，并且接近平坦。結(jié)果，硅 單晶棒的垂直方向的溫度梯度也接近均勻，可以比較容易地制造出在幾 乎全長(zhǎng)的范圍內(nèi)均無(wú)缺陷的高品質(zhì)硅單晶棒。在這種情況下，在第l線(xiàn) 圏通過(guò)的電流設(shè)為I,,第2線(xiàn)圈中通過(guò)的電流設(shè)為12時(shí)，只要給第l線(xiàn) 圏和第2線(xiàn)圈通入I,和12在0.1 ~ 103QA的范圍,并且滿(mǎn)足0.001《(I!/I2) 《1000的電流，控制中間位置和石英坩堝內(nèi)徑等同位置的磁通密度為 0.001 ~ 1.0T(Wb/m2),就可以有效地調(diào)整硅單晶棒正下方的固液界面附 近的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而能夠制造出內(nèi)部不存在晶格間硅型點(diǎn)缺陷的凝聚體 的硅單晶棒。附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明[圖l]是表示本發(fā)明實(shí)施方式的硅單晶提拉裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。 [圖2]是表示所迷裝置的線(xiàn)圏與坩堝之間關(guān)系的放大圖。 [圖3]是表示外加到所述坩堝的硅熔融液上的磁場(chǎng)方向的圖2的 A-A線(xiàn)剖面圖。[圖4]是基于沃倫科夫理論的，V/G比在臨界點(diǎn)以上時(shí)形成空孔型點(diǎn) 缺陷濃度占優(yōu)勢(shì)的鑄塊、而在V/G比在臨界點(diǎn)以下時(shí)，則形成晶格間硅 型點(diǎn)缺陷濃度占優(yōu)勢(shì)的鑄塊的示意圖。 符號(hào)的說(shuō)明 11爐室 12硅熔融液 13石英坩堝 25硅單晶棒 41第1線(xiàn)圏42第2線(xiàn)圈 43磁場(chǎng)43a第1和第2線(xiàn)圏的間隔的中間位置H規(guī)定間隔T的中間位置與硅熔融液的表面之間的距離Dj第1線(xiàn)圏的直徑D2第2線(xiàn)圏的直徑T規(guī)定間隔t爐室外周的壁厚具體實(shí)施方式
下面，基于


實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。不過(guò)，本發(fā)明不限于 下面的各個(gè)實(shí)施例。圖1表示本發(fā)明的硅單晶提拉裝置10。在該裝置IO的爐室11的內(nèi) 部，設(shè)有存留硅熔融液12的石英坩堝13,在該石英坩堝13的外表面包 覆有石墨支撐臺(tái)14。坩堝13的下部介由石墨支撐臺(tái)14被固定在支撐軸 16的上端，該支撐軸16的下部連接到坩堝驅(qū)動(dòng)裝置17上。雖然沒(méi)有圖 示驅(qū)動(dòng)裝置17,但該部分具有使石英坩堝旋轉(zhuǎn)的第1旋轉(zhuǎn)用電機(jī)和使石 英坩堝升降的升降用電機(jī)，借助這些電機(jī)，石英坩堝13可以沿著規(guī)定 方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還可以沿上下方向移動(dòng)。石英坩堝13的外表面被距離 石英坩堝13 —定間隔的加熱器18所包圍，該加熱器18被保溫筒19包 圍。加熱器18對(duì)投入到石英坩堝13中的高純度硅多晶進(jìn)行加熱使之熔 融，以形成義圭熔融液12。在爐室11的上端，連接有圓筒狀的套管21。在該套管21上設(shè)有提 拉裝置22。提拉裝置22具備設(shè)置在套管21上端部的在水平狀態(tài)下可以 旋轉(zhuǎn)的提拉頭(沒(méi)有圖示)、使該頭旋轉(zhuǎn)的第2旋轉(zhuǎn)用電機(jī)(沒(méi)有圖示)、 從頭部垂向石英塒堝13的旋轉(zhuǎn)中心的電線(xiàn)23以及設(shè)置在上述頭部的巻 入或放出電線(xiàn)23的提拉用電機(jī)(沒(méi)有圖示)。在電線(xiàn)23的下端裝有浸 入到硅熔融12用于提拉硅單晶棒25的籽晶24。在爐室11內(nèi)，連接有給該爐室11的硅單晶棒側(cè)面提供惰性氣體， 并且將該惰性氣體從爐室11的坩堝內(nèi)表面?zhèn)扰懦龅臍怏w給排裝置28。 氣體給排裝置28具備一端接在套管21的壁上、另外一端連接在儲(chǔ)存上 述惰性氣體的儲(chǔ)罐(沒(méi)有圖示)上的供氣管29和一端接在爐室11的下壁、另外一端連接在真空泵(沒(méi)有圖示)的排氣管30。在供氣管29和 排氣管30上分別設(shè)置有調(diào)節(jié)流過(guò)所述管29、 30的惰性氣體流量的第1 和第2流量調(diào)節(jié)閥31、 32。另 一方面，在提拉用電機(jī)的輸出軸(沒(méi)有圖示)上設(shè)置有解碼器(沒(méi) 有圖示)，而在坩堝驅(qū)動(dòng)裝置17上設(shè)置有檢測(cè)支撐軸16的升降位置的 解碼器(沒(méi)有圖示)。2個(gè)解碼器的檢測(cè)輸出被連接到控制器(沒(méi)有圖 示)的控制輸入端，控制器的控制輸出端則分別連接在上述提拉裝置22 的提拉用電機(jī)和坩堝驅(qū)動(dòng)裝置的升降用電機(jī)上。而且，在控制器上設(shè)有 存儲(chǔ)器(沒(méi)有圖示)，在該存儲(chǔ)器中，對(duì)應(yīng)于解碼器的檢測(cè)輸出的電線(xiàn) 23的巻取長(zhǎng)度，即硅單晶棒25的提拉長(zhǎng)度作為第1圖進(jìn)行記憶。同時(shí)， 在存儲(chǔ)器中，對(duì)應(yīng)于硅單晶棒25的提拉長(zhǎng)度的石英坩堝13內(nèi)的硅熔融 液12的液面水平作為第2圖進(jìn)行記憶?？刂破骺刂欺釄弪?qū)動(dòng)裝置17的 升降用電機(jī)，以使基于提拉用電機(jī)中的解碼器的檢測(cè)輸出的石英坩堝13 內(nèi)的硅熔融液12的液面一直保持在一定水平。在硅單晶棒25的外表面與石英坩堝13的內(nèi)表面之間設(shè)有包圍硅單 晶棒25的外表面的絕熱構(gòu)件36。該絕熱構(gòu)件36形成為圓筒狀，具備遮 蔽加熱器18的熱輻射的筒部37和連接于該筒部37的上部、以近似水 平方向向外伸出的法蘭盤(pán)部分38。通過(guò)將上述法蘭盤(pán)部分38放置在保 溫筒19上，使得筒部37的下端位于離硅熔融液12表面僅僅有規(guī)定距 離的位置，從而絕熱構(gòu)件36被固定在爐室11內(nèi)。而且，在該筒部37 的下部，設(shè)置了向筒內(nèi)方向膨脹的膨脹部分39。提拉裝置10中，設(shè)置了分別以石英坩堝13的旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圏中心、 沿著垂直方向間隔規(guī)定間隔T的第1線(xiàn)圈41和第2線(xiàn)圖42。第1線(xiàn)圈 41設(shè)置在爐室11的外部，而第2線(xiàn)圏設(shè)置在爐室11的內(nèi)部。如圖2所 示，使用第1線(xiàn)圏41與第2線(xiàn)圏42的垂直方向的間隔T為0以上 10000mm以下，第1線(xiàn)圏41的直徑D！為100mm以上10000mm以下， 第2線(xiàn)圏42的直徑D2為5mm以上5000mm以下的裝置。而且，第1 線(xiàn)圈41和第2線(xiàn)圏42設(shè)置成第1線(xiàn)圏41的直徑D!與第2線(xiàn)圈42的直 徑Dz之比為1以上2000以下，爐室U的外圍壁厚為t的時(shí)候(圖1)， 第1線(xiàn)圏41的直徑D,減去第2線(xiàn)圈42的直徑D2的值為2t以上。該提 拉裝置IO構(gòu)成如下通過(guò)給第1和第2線(xiàn)圏41、 42分別通以同向電流， 使得第1和第2線(xiàn)圏41、 42間產(chǎn)生磁場(chǎng)43,從而提拉單晶棒25。下面，說(shuō)明使用該硅單晶提拉裝置的提拉方法。讓存有硅熔融液12的石英坩堝13以規(guī)定速度R!旋轉(zhuǎn)，使從硅熔 融液12中被提拉的硅單晶棒25以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度R2旋轉(zhuǎn)，并且使用第 l和第2線(xiàn)圏41、 42向硅熔融液12外加磁場(chǎng)43，同時(shí)從上述珪熔融液 12中提拉上述硅單晶棒25。如果分別給第l和第2線(xiàn)圏41、 42通以同 向電流，則如圖2所示，因?yàn)榈?線(xiàn)圏41設(shè)置在爐室U的外部，而第 2線(xiàn)圏設(shè)置在爐室11的內(nèi)部，所以由第1和第2線(xiàn)圈41、 42產(chǎn)生的/P茲 場(chǎng)43就顯示出從側(cè)面看磁力線(xiàn)向下直徑變小的圓錐狀。圖3表示外加了上述圓錐狀磁場(chǎng)的硅熔融液12的水平方向截面上 的磁場(chǎng)43的狀態(tài)。從圖3顯而易見(jiàn)的，在硅熔融液中，朝向熔融液的 中央的外加磁場(chǎng)非常均勻。結(jié)果，就能給硅熔融液外加以其中心軸為軸 對(duì)稱(chēng)的均勻磁場(chǎng)。圓錐狀磁場(chǎng)分別具有縱向磁場(chǎng)和橫向磁場(chǎng)的特性，借 助橫向成分，可以防止自石英坩堝壁溶出的混入到硅熔融液的氧等雜質(zhì) 向熔融液的中央表面集中。結(jié)果，就可以充分降低作為雜質(zhì)的氧向硅單 晶棒25混入。即使是在硅單晶棒正下方的固液界面附近，上述圓錐形磁場(chǎng)的磁場(chǎng) 強(qiáng)度也不會(huì)成為零。為此，就使得固液界面形狀的控制成為可能，基于 沃倫科夫理論，通過(guò)采用規(guī)定的提拉速度從硅熔融液12中提拉硅單晶 棒25，可以制造出內(nèi)部不存在晶格間硅型點(diǎn)缺陷凝聚體的硅單晶棒。這 里，所謂的沃倫科夫理論是指，在設(shè)硅單晶棒的提拉速度為V(mm/分)、 硅單晶棒與硅熔融液12界面附近的硅單晶棒中的溫度梯度為G('C /mm)時(shí)，為了讓具有極少缺陷的高純度硅單晶棒25生長(zhǎng)，控制V/G (mm2/分 'C )的值。對(duì)于沃倫科夫理論，以V/G為橫坐標(biāo)，空孔型點(diǎn)缺陷濃度和晶格間 硅型點(diǎn)缺陷濃度同為縱坐標(biāo)，V/G與點(diǎn)缺陷濃度之間的關(guān)系如圖4所示， 由此說(shuō)明，空孔區(qū)域與晶格間硅區(qū)域的邊界由V/G來(lái)決定。更詳細(xì)地說(shuō)， 就是當(dāng)V/G之比位于臨界點(diǎn)以上的時(shí)形成空孔型點(diǎn)缺陷濃度優(yōu)勢(shì)硅單 晶棒，V/G之比在臨界點(diǎn)以下時(shí)則形成晶格間硅型點(diǎn)缺陷濃度占優(yōu)勢(shì)的 硅單晶棒。在圖4中，[I]表示晶格間硅型點(diǎn)缺陷占支配地位，存在晶格 間硅型點(diǎn)缺陷凝聚體的區(qū)域((V/G)！以下)，而[V]表示的是在硅單晶棒 內(nèi)，空孔型點(diǎn)缺陷占支配地位，存在空孔型點(diǎn)缺陷凝聚體的區(qū)域((V/G)2 以上)，而[P]表示的是空孔型點(diǎn)缺陷的凝聚體和晶格間硅型點(diǎn)缺陷的凝聚體都不存在的理想?yún)^(qū)域((V/G)廣(V/G)2)。在與區(qū)域[P]相接的[V]區(qū) 域中存在形成OSF核的區(qū)域((V/G)2 ~ (V/G)3)。該理想?yún)^(qū)域[P]又可以進(jìn)一步分成[&]區(qū)域和[Pv]區(qū)域。[PJ是V/G比 為從上述的(V/G)i到臨界點(diǎn)之間的區(qū)域，而[Pv]則是V/G比為從臨界點(diǎn) 到上述的(V/G)2之間的區(qū)域。也就是說(shuō)，[Pi]與區(qū)域[I]鄰接，而且是達(dá)不 到能夠形成侵入型位錯(cuò)的最低晶格間硅型點(diǎn)缺陷濃度的具有晶格間硅 型點(diǎn)缺陷的區(qū)域，[Pv]與區(qū)域[V]鄰接，而且是達(dá)不到能夠形成OSF的最 低空孔型點(diǎn)缺陷濃度的具有空孔型點(diǎn)缺陷的區(qū)域。此外，上迷O(shè)SF是在 晶體生長(zhǎng)時(shí)其核的微小缺陷被引入，在制造半導(dǎo)體器件的時(shí)候由于熱氧 化等單元操作使得該缺陷顯著化，導(dǎo)致已制成器件的漏電流增加的原 因。在圖2中，第1線(xiàn)圏41與第2線(xiàn)圈42的規(guī)定間隔T的中間位置43a 與硅熔融液12表面之間的距離設(shè)為H時(shí)，控制中間位置43a在硅熔融 液12的表面或其下方以滿(mǎn)足Omm《|H| < 10000mm。而且，在設(shè)第 1線(xiàn)圏41中的電流為I,，第2線(xiàn)圏42中的電流為12的時(shí)候，給第1線(xiàn) 圏和第2線(xiàn)圈通入h和12在0.1 ~ 1030A的范圍，并且滿(mǎn)足0.001《(Vl2) < 1000的電流，控制中間位置43a和石英坩堝13的內(nèi)徑等同位置的磁 通密度為0.001 ~ 1.0T(Wb/m2)。這里，限定間隔T的中間位置43a與硅 熔融液12的表面的距離H的原因是，在lHl超過(guò)10000mm的時(shí)候， 磁場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)變得過(guò)弱，硅熔融液12的對(duì)流的控制就會(huì)變得很困難。 而且，之所以要控制第1和第2線(xiàn)圏41、 42中的電流的原因是，隨著 石英坩堝13的直徑的增大，有必要增大能夠使硅熔融液12形成對(duì)流的 洛侖茲力。而且，如果設(shè)定為所迷范圍以外的數(shù)值的話(huà)，熔融液中的對(duì) 流就不會(huì)具有理想的特性，從而就不能夠控制固液界面。如上所述，如果控制第1與第2線(xiàn)圏的規(guī)定間隔T的中間位置43a 與縱向磁場(chǎng)43的強(qiáng)度，則如圖2所示，將在硅熔融液12中產(chǎn)生規(guī)定的 對(duì)流44、 45。借助這些對(duì)流44、 45可以讓以前在下方大大凸起的固液 界面25a的形狀恢復(fù)到與液面相同高度，并且接近平坦。而且，使石英 坩禍13以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度不斷旋轉(zhuǎn)并且在不斷旋轉(zhuǎn)的同時(shí)提拉硅單晶 棒25，則硅單晶棒25的垂直方向的溫度梯度G的徑向分布就會(huì)變得均 勻，V/G可以使徑向距離導(dǎo)致的變化降低。結(jié)果，根據(jù)沃倫科夫的V/G 模型，可以比較容易地制造出在幾乎全長(zhǎng)的范圍內(nèi)均無(wú)缺陷的高品質(zhì)硅單晶棒25。產(chǎn)業(yè)實(shí)用性如果采用本發(fā)明的單晶提拉裝置進(jìn)行單晶的提拉，則可以防止自石 英坩堝壁溶出混入到硅熔融液的氧等雜質(zhì)向熔融液的中央表面集中，從 而能充分降低作為雜質(zhì)的氧向硅單晶棒混入。采用本發(fā)明的單晶提拉裝 置，使硅單晶棒正下方的硅液界面的形狀的控制成為可能，基于沃倫科 夫理論，通過(guò)采用規(guī)定的提拉速度模式從硅熔融液中提拉硅單晶棒，可 以制造出內(nèi)部不存在晶格間硅型點(diǎn)缺陷的凝聚體的硅單晶棒。
權(quán)利要求
1.一種硅單晶提拉裝置，構(gòu)成如下使設(shè)置在爐室內(nèi)的存留有硅熔融液的石英坩堝以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并使從上述硅熔融液提拉的硅單晶棒以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，沿垂直方向隔開(kāi)規(guī)定的間隔T配設(shè)分別以上述坩堝的旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圈中心的第1線(xiàn)圈及第2線(xiàn)圈，分別對(duì)上述第1及第2線(xiàn)圈通以同向的電流，由此使上述第1和第2線(xiàn)圈之間產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而提拉上述單晶棒，其特征在于上述第1線(xiàn)圈設(shè)置在上述爐室外，上述第2線(xiàn)圈設(shè)置在上述爐室內(nèi)。
2. 權(quán)利要求1所述的硅單晶提拉裝置，其中，第1線(xiàn)圏與第2線(xiàn) 圏的垂直方向的間隔T為超過(guò)O并且在10000mm以下，上述第1線(xiàn)圏 的直徑D,為100mm以上10000mm以下，上述第2線(xiàn)圈的直徑D2為5 mm 以上5000mm以下，上迷第1線(xiàn)圏的直徑D,與上述第2線(xiàn)圏的直徑D2 之比為1以上2000以下，并且在將爐室外周的壁厚設(shè)為t時(shí)，從上述第 1線(xiàn)圏的直徑DJ咸去第2線(xiàn)圏的直徑D2的差值在2t以上。
3. —種硅單晶提拉方法，其特征在于使設(shè)置在爐室內(nèi)的存留有 硅熔融液的石英坩堝以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并使從上述硅熔融液提拉 的硅單晶棒以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，在上迷爐室外，以上述石英坩堝的 旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圏中心設(shè)置具有比上述爐室外徑更大線(xiàn)圏直徑的的第1線(xiàn) 圏，在上述爐室內(nèi)，沿著和上述第1線(xiàn)圈垂直的方向隔開(kāi)規(guī)定的間隔T， 設(shè)置以上迷石英坩堝的旋轉(zhuǎn)軸為線(xiàn)圍中心的第2線(xiàn)圏，分別對(duì)上述第1 以及第2線(xiàn)圏通以同向的電流，由此使上述第1和第2線(xiàn)圏之間產(chǎn)生磁 場(chǎng)，從而提拉上迷單晶棒，其特征在于將第1和第2線(xiàn)圈的規(guī)定間隔T的中間位置與上述硅熔 融液的表面之間的距離設(shè)為H時(shí)，控制中間位置在硅熔融液的表面或其 下方以使?jié)M足Omm《I H I <10000mm。
4. 權(quán)利要求3所述的硅單晶提拉方法，其中，當(dāng)?shù)趌線(xiàn)圏中通過(guò) 的電流設(shè)為In第2線(xiàn)圏中通過(guò)的電流設(shè)為12時(shí)，給笫1線(xiàn)團(tuán)和第2線(xiàn) 圏通入I,和12在0.1 ~ 1030A的范圍、并且滿(mǎn)足0.001《(1!/12)《1000 的電流，控制中間位置和石英坩堝的內(nèi)徑等同位置的磁通密度為 0,001 ~ 1.0T(Wb/m2)。
全文摘要
使存留有硅熔融液的石英坩堝以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，并使從硅熔融液提拉的硅單晶棒以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。沿垂直方向隔開(kāi)規(guī)定的間隔配設(shè)分別以坩堝的旋轉(zhuǎn)軸為中心的第1線(xiàn)圈及第2線(xiàn)圈，分別對(duì)第1線(xiàn)圈及第2線(xiàn)圈通以同向的電流，由此使第1和第2線(xiàn)圈之間產(chǎn)生磁場(chǎng)。第1線(xiàn)圈設(shè)置在爐室外，第2線(xiàn)圈設(shè)置在爐室內(nèi)?？刂浦虚g位置在硅熔融液的表面或其下方以使第1和第2線(xiàn)圈的規(guī)定間隔的中間位置與硅熔融液的表面之間的距離為0mm以上10000mm以下。
文檔編號(hào)C30B29/06GK101228299SQ20058005116
公開(kāi)日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者小野直樹(shù), 符森林 申請(qǐng)人:勝高股份有限公司