[发明专利]拉晶机用的热屏蔽装置

说明书

发明背景

本发明涉及用于生长单晶半导体材料的拉晶机，并且更特别地涉及供这样的拉晶机用的热屏蔽装置。

单晶半导体材料是制作许多电子部件的原料，其通常采用Czochralski(“Cz”)方法制造。在该方法中，将多晶半导体原材料如多晶体的硅(“多晶硅”)在坩埚中熔化。然后将一籽晶降下到熔融材料中并慢慢升起以生长一单晶棒，在使棒生长时，通过降低拉出率和/或熔化温度形成上端圆锥体，借此加大棒的直径，直到达到一目标直径为止。一旦达到了目标直径，便通过控制拉出率和熔化温度来形成棒的圆柱形主体以补偿降低的熔化程度。在接近生长过程结束但在坩埚变空以前，减小目标直径以形成下端圆锥体，该下端圆锥体从熔体中分离出来而生产出半导体材料的成品棒。

虽然传统的Cz方法对于生长供各种各样用途之用的单晶半导体材料是令人满意的，但进一步改善半导体材料的质量是需要的。例如，当半导体制造厂要减小半导体上形成的集成电路线的宽度时，材料中存在的显微缺陷就成为很大的问题。单晶半导体材料中的缺陷是晶体在拉晶机中固化和冷却时形成的。这样的缺陷的产生部分地是由于存在着过量的所谓空位和晶隙的固有的点缺陷(即密度超过可溶性极限)所致。

从单晶棒切成的晶片的质量的一个重要的度量是栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity)(“GOI”)。空位，如其名称所提示的，是由于一硅原子在晶格中不存在或“空位”造成的。当由坩埚中的熔融硅向上拉出晶体时，其立即开始冷却。当晶棒的温度下降时，可熔性极限也降低。因而高温下存在的点缺陷成显微缺陷(空穴)的形式析出，或者它们移向晶体的侧表面。这一般发生在晶体经由1150℃至1500℃的温度范围冷却时。

由棒切成的并按照传统的方法制造的硅片往往包括在晶片表面上形成的氧化硅层。电子电路组件例如金属—氧化物—硅集成电路(MOS)组件是在这样的氧化硅层上制作的。由在生长的晶体中存在的结块而造成的晶片表面上的缺陷导致该氧化层不良的生长。氧化层的质量经常指的是氧化膜介电质的击穿强度，其可以通过在氧化层上制作MOS组件和实验该组件定量地来测定。晶体的栅氧化层完整性(GOI)是在由晶体加工的晶片的氧化层上操作的组件的百分数。

业已确定由Czochralski方法生长的晶体的GOI可以通过延长生长的棒保持在高于1000℃的温度范围内的时间，并更特别是延长保持在1150℃～1050℃范围内的时间来改善。如果棒经由这个温度范围冷却过快，空位将没有足够的时间凝结在一起，而在棒内产生大量的小结块。这种不良情况导致大量的小空穴散布在晶片的表面上，从而对GOI产生不利的影响。降低棒的冷却率以使其温度在目标温度范围内保持一较长时间而使更多的空位可以在棒内形成更大的结块。其结果是小量的大结块，从而由于减少了用来构成MOS组件的晶片上存在的缺陷数量而改善GOI。

改善GOI的另一种方法是控制在棒内生长的空位数量。当然空位和自身晶隙的型式和原始密度受控于生长速度(即拉出率)(v)与在固化时间内棒内当地的轴向温度梯度(G_o)的比值，其中空位和自身晶隙在棒固化时在棒内变成固定的。当该比值(v/G_o)的值超过一临界值时。空位的密度增加，同样，当v/G_o的值低于该临界值时，自身晶隙的密度增加。

增加这个比值的一种方法是提高棒的拉出率(即生长速率，v)。然而，拉出率的提高在给棒以足够的时间冷却和固化时将造成棒直径上的扭曲。为此，已知在坩埚内熔体表面的上方在坩埚侧壁与生长的棒之间设置一热屏蔽装置以便保护棒不受坩埚侧壁的热之影响。传统的热屏蔽装置一般包括一外反射罩和一内反射罩。传统的热屏蔽的壁的示意的截面示于图2中。其外反射罩OR通过沿环形上下固定位置间隔开的合适的固定件(未示出)固定于内反射罩IR使得外反射罩在这些位置直接接触内反射罩。外反射罩OR显著地短于内反射罩IR以使热屏蔽装置的上部包括唯一的非绝热层。反射罩OR、IR成形为限定一容纳绝热材料IN的绝热腔用以阻止从外反射罩向内反射罩的热传导。

绝热材料IN是用来将内反射罩IR的中间部分M与来自外反射罩OR的热传导隔绝以便来自坩埚壁的热不能传给内反射罩。提供内反射罩IR的较冷却部分可以使棒在棒被向上拉到与热屏的部分径向对齐时较快的冷却。然而，由于外反射罩OR与内反射罩IR之间在上下固定位置处的大表面面积接触，相当多的热量从外反射罩不希望地直接传到内反射罩上使得内反射罩不能象要求的那样冷却。这显著地限制了生长的棒的拉出率。