[发明专利]一种直拉硅单晶棒内缺陷的调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直拉硅单晶棒内缺陷的调节方法。特别是一种通过调节位于直拉单晶炉炉室内热场上保温筒座上设置的保温圆桶的数量、圆桶的壁厚，来调整晶体生长界面的形状、界面的温度梯度以及晶体生长速度的方法，达到调节直拉硅单晶棒内缺陷。

背景技术

集成电路用半导体硅单晶体的约85％均用切克劳斯基(Czochralski)法制造。在这种方法中，多晶硅被装进石英埚内，加热熔化后，将熔硅略做降温，给予一定的过冷度，把一支特定晶向的硅单晶体(称做籽晶)与熔体硅接触，通过调整熔体的温度和籽晶向上提升速度，使籽晶体长大至近目标直径时，提高提升速度，使单晶体近恒直径生长。在生长过程的最后阶段，此时埚内的硅熔体尚未完全提出，通过增加晶体的提升速度和调整向埚的供热量将晶体直径渐渐减小而形成一个尾形锥体，当锥体的尖足够小时，晶体就会与熔体脱离，从而完成晶体的生长过程。

硅单晶体中广泛地存在两种点缺陷：硅间隙原子和空位。通俗地讲，如果在某硅正常的晶格区域中，夹进去一个硅原子，这个硅原子就称为硅间隙原子，见图4b。硅间隙原子的存在会造成局部硅晶格受涨应力(向外压)；如果在正常的硅晶格区域中，抽掉一个硅原子，所留下的空隙就叫做“空位”，见图4c，空位会使它周围的晶格受到向内的压力。如果在一块硅晶体中，空位缺陷比较多，或称“占主导”，这种晶体叫富空位晶体(V-rich)；反之，硅间隙原子占主导的晶体叫富硅间隙原子晶体(I-rich)。随着晶体生长的进行，晶体的温度从硅熔点变为室温，这两种点缺陷将与其它周围的原子(包括氧、碳、氮、硅等)通过复合、扩散、聚集等复杂的过程，可以形成更复杂的缺陷。

经过理论计算和实际验证，硅单晶体中，存在一个称叫临界糸数ξ0＝V/G＝0.0013cm².min^-1.K^-1，这里的V是指晶体生长界面处的晶体生长速度，G是指晶体生长界面处的纵向温度梯度。当实际的ξ_real大于ξ₀时，瞬间长成的是富空位型(V-rich)晶体；当实际的ξ_real小于ξ₀时，瞬间长成的是富硅间隙原子型(I-rich)晶体。可以部分地理解为生长界面晶体的生长速度和纵向温度梯度共同决定晶体生长初期的缺陷类型及分布。该理论是由V.V Voronkov首先提出的，并为业内人士所共识。

现代集成电路(IC制程)大多是以硅单晶棒经过切、磨、抛光、清洗所加工成的抛光片或外延片为基质材料制造的。根据用途不同，又需要数量不等“测试片”(称为：“Test and Monitor Wafer”，用来监测IC制程参数的，比如颗粒，对焦、氧化层或扩散层的质量等等)、“正片”(称做“PrimeWafer”，用来制造电路芯片)等等，它们对硅单晶片中的缺陷要求是不同的。例如：监测小环境颗粒水平的“测试片”以富间隙硅原子型的(I-rich)硅片为最佳，而快拉加外延的富空位片(V-rich)则是常用的一种正片(PrimeWafer)。

现在回到问题的要点：在晶体等径生长过程中，如何控制使得纵向的ξ_real在ξ₀＝0.0013cm².min^-1.K^-1附近。在工程上，有许多手段可以使用，许多手段是制造商的绝窍，一般是不公开的。比如：单晶炉室内由石墨部件以及保温材料所构成的热场是很重要的；另外通过调整埚位、埚转、晶转、晶体生长速度等等也可以调节G(固液界面处的温度梯度)或V(晶体纵向生长速度)。

大家知道，单晶炉热场的上部分(在图2中称为“上保温区”)对单晶炉温场分布(主要指生长界面附近的轴向温度梯度和径向温度梯度)的影响最大，有下列理论公式为证：

晶体最大理论生长速度：或式中K_c是硅晶体的热导率；ΔH是结晶时的熵变化；ρ_c是硅晶体的密度；或G是固液界面处的轴向温度梯度。