[发明专利]一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术

说明书

本发明提供一种集成电路用大尺寸单晶硅生长液流控制技术，通过在坩埚内部熔体表面下10mm处添加一个整流涡轮，并使其随着坩埚同步旋转。坩埚壁处自然对流的上升液流就会沿涡轮叶片导向坩埚中心，不会在坩埚壁处形成紊流。因此整流涡轮可以有效地改变熔体流动方向，控制晶体生长过程中硅熔液的紊流，从而保持晶体稳定生长，同时排除熔体中的氧，达到获得高性能的大尺寸集成电路用单晶硅锭的目的。

技术领域

本发明涉及集成电路用单晶硅生长技术领域，尤其是涉及大尺寸硅单晶的直拉法制造工艺中的液体流场控制。

背景技术

单晶硅是一种比较活泼的非金属元素，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。单晶硅可以用于二极管级、整流器件级、电路级以及太阳能电池级单晶产品的生产和深加工制造，其后续产品集成电路和半导体分离器件已广泛应用于各个领域，在军事电子设备中也占有重要地位。

单晶硅按晶体生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。

直拉法，也叫切克劳斯基（Czochralsik）方法，此法早在1917年由切克斯基建立的一种晶体生长方法，后来经过很多人的改进，成为现在制备单晶硅的主要方法。用直拉法制备硅单晶时，要把高纯多晶硅放入高纯石英坩埚，在硅单晶炉内熔化；然后用一根固定在籽晶轴上的籽晶插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便在籽晶下端生长。

CZ法生长的具体工艺过程包括装料与熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾这样几个阶段。

在合适的温度下，熔液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。把晶种微微地旋转向上提升，熔液中的硅原子会在前面形成的单晶体上继续结晶，并延续其规则的原子排列结构。若整个结晶环境稳定，就可以周而复始的形成结晶，最后形成一根圆柱形的原子排列整齐的硅单晶晶体，即硅单晶锭。当结晶加快时，晶体直径会变粗，提高升速可以使直径变细，增加温度能抑制结晶速度。反之，若结晶变慢，直径变细，则通过降低拉速和降温去控制。拉晶开始，先引出一定长度，直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错，这个过程叫做引晶。然后放大单晶体直径至工艺要求，进入等径阶段，直至大部分硅熔液都结晶成单晶锭，只剩下少量剩料。

控制直径、保证晶体等径生长是单晶制造的重要环节。硅的熔点约为1420℃，拉晶过程始终保持在高温负压的环境中进行。熔体的流动状态对直拉法的单晶硅的生长有着显著的影响。它影响着掺杂剂的分布、生长界面形状和直径的大小，更重要的是还影响着CZ-Si中的氧含量及其分布。氧是硅中含量高且行为复杂的杂质，它的含量及其分布影响着硅片的电阻率等。控制氧的含量及其成分分布成为提高硅单晶质量的有效途径，在相当程度上达到已经归结为了如何控制硅单晶的熔体流动的问题。

在实际的CZ工艺中，晶体生长系统不可能是等温系统，一般来说也不是等浓度系统，因此生长系统中存在沿着坩埚壁向上和沿着熔体上部向里的自然对流。在重力场中，流体由于温度差或者浓度差导致的浮力差，产生了轴向的自然对流。液体表面的温度差引起的表面张力差，从而也会产生径向的自然对流。另一个方面，生长系统中又存在轴向的强迫对流。由于晶体生长的需要，系统中存在压强差作用下气体的强迫对流，如熔体生长系统的保护气体流和气相生长系统中的原料气等构成的气体流。晶体生长系统中还往往存在晶体与坩埚的同时反向旋转，引起熔体的强迫对流。在晶体的生长过程中，晶体、坩埚的旋转可以适当使得温度对称，并且使得熔体起到搅拌的作用，减少紊流的程度，并且前者的速度一般是后者的2~4倍。这种反向转动使得坩埚中熔体的中心区域和外围区域产生相对运动，在固液界面下方形成泰勒柱区域，泰勒柱的形成阻碍了熔体杂质的扩散，但它在晶体生长区域的下方形成了一个相对稳定的区域，有利于晶体的生长。