[发明专利]控制CZ生长过程中由硅单晶侧面诱发的附聚点缺陷和氧簇的形成

说明书

发明背景

概括而言，本发明涉及制备用于制造电子部件的半导体级单晶硅。更 特别地，本发明涉及用于制备基本不含附聚本征点缺陷的单晶硅锭的丘克 拉斯基(Czochralski)法以及由其获得的晶片。

单晶硅是半导体电子部件的多数制造法的原材料，常通过所谓的丘克 拉斯基(“CZ”)法制备。在这种方法中，将多晶硅装入坩锅并熔融，使 晶种与熔融硅接触，并通过缓慢抽提使单晶生长。在颈部的形成完成后， 通过降低提拉速率和/或熔体温度来使晶体直径扩大直至达到所需或目标 直径，由此形成晶种锥。然后控制提拉速率和熔体温度并补偿下降的熔体 液位，从而长成具有大致恒定直径的圆柱形晶体主体。在生长过程快结束 时，但在从坩锅中排空熔融硅之前，必须逐渐降低晶体直径以形成末端锥 体。通常，通过提高拉晶速率和增加对坩锅施加的热来形成末端锥体。然 后当直径变得足够小时，将晶体与熔体分离。

现代微电子器件的持续缩小的尺寸对硅衬底的品质施加具有挑战性的 限制，硅衬底的品质基本取决于原生微缺陷的尺寸和分布。通过丘克拉斯 基(Cz)法和区熔(FZ)法生长的硅晶体中形成的多数微缺陷是硅的本征 点缺陷——空位和自间隙(或简称为间隙)——的附聚体。在Dash的发 现可以消除热机械诱发的位错(它们是生长中的晶体中的点缺陷的有效汇 集点)后，才首次在FZ硅晶体中观察到微缺陷。

一系列研究已经确定，间隙附聚体以两种形式存在-被称作B漩涡 缺陷(或B-缺陷)的球状间隙缺陷团，和被称作A漩涡缺陷(或A-缺陷) 的位错环。后期发现的被称作D-缺陷的空位附聚体已经被确定是八体空 隙。Voronkov提供了以晶体生长条件为基础的在硅晶体中观察到的微缺陷 分布的公认解释。根据Voronkov的模型或理论，熔体/晶体界面附近的温 度场驱使点缺陷重组，从而提供使其从熔体/晶体界面(在此它们以其各自 的平衡浓度存在)扩散到晶体本体内的驱动力。由于点缺陷传递(通过扩 散和对流)与其重组之间的相互作用，建立了超出离开界面的短距离(被 称作重组长度)的点缺陷浓度。通常，超出重组长度之外的空位浓度与间 隙浓度之差(被称作过量点缺陷浓度)在离开晶体侧面处保持基本固定。 在迅速提拉的晶体中，点缺陷通过其扩散超出重组长度而发生的空间再分 布通常不重要，但充当点缺陷的汇集点或源头的、靠近晶体侧面的区域除 外。因此，如果超出重组长度的过量点缺陷浓度是正的，则空位保持过量， 并在较低温度附聚，形成D-缺陷。如果过量点缺陷浓度是负的，则间隙将 是主要的点缺陷，并附聚而形成A-缺陷和B-缺陷。如果过量点缺陷浓度低 于一定检测阈，则没有形成可检出的微缺陷。因此，通常，原生微缺陷的 类型仅仅取决于超出重组长度而建立的过量点缺陷浓度。建立过量点缺陷 浓度的方法被称作初始并入，且主要点缺陷类型被称作并入的主要点缺陷。 并入的点缺陷的类型取决于拉晶速率(v)与界面附近的轴向温度梯度水平 (G)的比率。在较高的v/G下，点缺陷的对流优于其扩散，且空位是并 入的主要点缺陷，因为界面处的空位浓度高于间隙浓度。在较低v/G下， 扩散优于对流，从而可以并入快速扩散的间隙作为主要的点缺陷。在接近 其临界值的v/G下，这两种点缺陷以极低和相当的浓度并入，相互湮灭， 并由此抑制了在较低温度下的任何微缺陷的潜在形成。观察到的空间微缺 陷分布通常可以通过v/G变化解释，v/G变化由G的径向不均匀性和由v 的轴向变化引起。径向微缺陷分布的显著特征是氧化物粒子，氧化物粒子 是在具有相对较低并入空位浓度的区域中——在略高于临界v/G的小范围 v/G下——通过氧与空位的相互作用而形成的。这些粒子形成窄的空间带， 这可以通过热氧化为OSF(氧化诱发堆垛层错)环显露出来。相当经常地， OSF环标记出以空位为主的和以间隙为主的相邻晶体区域之间的边界，称 作V/I边界。