用於製造單晶的設備和方法、單晶及半導體晶片的製作方法

2023-05-30 04:36:21

專利名稱：用於製造單晶的設備和方法、單晶及半導體晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製造僅被鐵輕微汙染的半導體材料單晶的設備。本發明還涉及用於製造該單晶的方法。此外，本發明還涉及根據該方法製造的半導體材料單晶以及從該單晶切下的半導體晶片。
背景技術：
一種合適的設備包括一個其中具有嵌入由含碳材料製成的支撐坩堝中的坩堝的室、用於加熱該坩堝的加熱器以及設置在該加熱器與該坩堝之間的用於保護該室的絕熱材料。通常還有包圍生長著的晶體的輻射護板，其用於控制單晶的冷卻速率，並使得用於在製造單晶期間清洗該裝置的惰性氣體轉向。
根據JP-2000327485 A可製造其中鐵濃度低於2×109原子/cm3的矽單晶。為了製造該單晶，需要在複雜的方法中提純多晶中間產物。但是在本發明的僅被鐵輕微汙染的意義上，所述濃度對於單晶仍是不足的。而重要的是，即使在單晶的邊緣區域內也存在低的鐵濃度。例如Barraclough，K.G.及Ward，P.J.(Proc.Electrochem.Soc.，83-9，388-395(1983))觀察到，通過基於氣相傳輸的原理，鐵達到單晶邊緣，由此向單晶內擴散，單晶邊緣區域內的鐵濃度明顯提高。為了抵消該現象，該文獻中特別建議用由鉬製成的支架代替由不鏽鋼組成的晶種支架。
根據WO 02/057518 A2可製造其中邊緣區域內的鐵濃度低於0.8ppta(3.99×1010原子/cm3)的矽單晶。為了達到該結果，由含碳材料組成的設備的所有裝置必須含有鐵含量特別低的材料，並且該材料必須由鐵含量同樣特別低的碳化矽層加以封裝。
WO 01/81661 A1建議使用經塗覆的管以控制惰性氣體流，其中塗層應含有最高0.5ppm的鐵。根據所述方法可製造其中鐵濃度不高於1×1010原子/cm3的單晶半導體矽晶片。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可以經濟地製造鐵濃度不超過1×109原子/cm3的半導體材料單晶的選擇，其鐵濃度即使在該單晶的邊緣區域內以及在從該單晶切下的晶片的邊緣區域內也不超過該濃度值。
本發明涉及用於製造半導體材料單晶的設備，其包括一個室以及設置在該室內的由坩堝加熱器包圍的坩堝，用於屏蔽生長著的單晶的輻射護板以及在該坩堝加熱器與該室的內壁之間的絕熱材料，其特徵在於，該設備還包括用於密封該內壁與該絕熱材料之間的縫隙並且形成氣態羰基鐵向該單晶傳輸的障礙的彈性密封材料。
本發明還涉及通過從設置在一個室內並且被坩堝加熱器包圍的坩堝拉伸單晶以製造半導體材料單晶的方法，其特徵在於，用彈性密封材料密封在絕熱材料與該室的內壁之間的縫隙，該密封材料形成氣態羰基鐵向該單晶傳輸的障礙。
此外，本發明還涉及根據該方法製造的半導體材料單晶，其包括具有圓周、半徑R及邊緣區域的圓柱形區域，該邊緣區域從該圓周向該單晶內徑向延伸至最多R-5毫米的距離並且具有一定的鐵濃度，其特徵在於，該邊緣區域內的鐵濃度低於1×109原子/cm3。
最後，本發明還涉及從該單晶切下的具有圓周、半徑R及邊緣區域的半導體晶片，該邊緣區域從該圓周向該半導體晶片內徑向延伸至最多R-5毫米的距離並且具有一定的鐵濃度，其特徵在於，該邊緣區域內的鐵濃度低於1×109原子/cm3。
該半導體材料優選為矽，任選與鍺和/或光電半導體化合物、磁電半導體化合物相結合。可以與所制單晶或所制半導體晶片的直徑無關地利用本發明。但直徑特別優選為150毫米、200毫米及300毫米。
本發明的發明人將該室視為鐵汙染該單晶的主要來源，該室通常由經冷卻的容器形成，其壁由含鐵合金，特別是不鏽鋼組成。有人推測由於熱輻射該室的含碳裝置，特別是支撐坩堝及絕熱材料而形成的一氧化碳經惰性氣流並通過擴散到達該室的內壁。於仍超過100℃的熱內壁處形成揮發性的羰基鐵，其可在絕熱材料與該室的內壁之間的縫隙內到達生長著的單晶。在與數百攝氏度的熱單晶相接觸時，羰基鐵在其形成反應的逆反應中分解成元素鐵及一氧化碳。在主要的溫度下，鐵擴散進入單晶的邊緣區域內，並使此處的鐵濃度提高。由該機理，鐵還分布在該設備的一些裝置上，這些裝置足夠熱以使羰基鐵分解。這些裝置例如包括支撐坩堝、用於保護該室的絕熱材料以及輻射護板。
以前建議的用於降低鐵對單晶的汙染的措施並不將室壁視為汙染源，這些措施無法在經濟上令人滿意地解決問題。
根據本發明，在絕熱材料與該室的壁之間的縫隙在至少一個位置上由彈性密封材料密封，使得氣態羰基鐵必須越過該障礙，才能夠沿該室的內壁向上並隨後到達單晶。即使緊密填充絕熱材料，由於製造誤差，在絕熱材料與該室的內壁之間仍存在縫隙。但通常有意地設置縫隙，以允許絕熱材料及其固定裝置的熱膨脹所需的膨脹移動的空間。
根據本發明的密封材料可以彈性變形，並可裝入縫隙內，從而即使在考慮了熱膨脹的情況下仍使該縫隙保持封閉。該密封材料可以在整個縫隙內延伸，即可以完全填充該縫隙。但是僅出於經濟方面的原因，優選節約密封材料從而保留部分縫隙。特別優選形成環形密封材料，其優選延伸50至200毫米，特別優選約100毫米的軸向寬度，其中更多的環還可以上下重疊地排列。但原則上該密封材料足以形成以垂直單晶軸的方向延伸的障礙，其限制氣態羰基鐵沿該室的內壁向該單晶傳輸。在利用該密封材料製造的單晶的邊緣區域內的鐵濃度比在其他條件相同但不使用密封材料製造的單晶內的鐵濃度至少低50％時，則認為該傳輸受到限制。除了單晶邊緣區域內的鐵濃度，還可以考慮從該單晶切下的半導體晶片的邊緣區域內的濃度。所述邊緣區域是從單晶的圓周或由其切下的半導體晶片的圓周朝其內部徑向延伸優選直至5毫米距離的區域。優選在從圓周的徑向距離為1、2、3、4或5毫米的位置處測量鐵濃度。
密封材料由彈性材料，優選石墨氈組成，其包含碳化或石墨化的碳纖維。該材料的彈性優選足以圍繞直徑為50至80毫米的測試棒無斷裂地以垂直或沿著材料幅面的纏繞方向單層纏繞。根據DIN 52143，該材料的斷裂伸長率在沿著材料幅面方向上優選為2至5％，在垂直材料幅面方向上優選為13至20％。根據DIN 53887，該材料在300Pa的氮氣壓力差下的氣體滲透率優選為25至50cm3/(cm2·s)。根據DIN ISO 8658，該材料的鐵含量優選小於0.3mg/kg。特別優選為SGL Carbon製造商的Sigratherm牌GFA 10型的石墨氈。該材料是厚度為9至10毫米的幅面的形式。以多層或迷宮式密封的摺疊狀態還適合於密封在該室的內壁與絕熱材料之間的厚度大於幅面厚度的縫隙。
用於實現上述目的而建議的額外措施在於，該室的內壁具有陶瓷塗層。特別優選為氧化鋁塗層。該塗層阻止一氧化碳與該室的內壁直接接觸，從而降低羰基鐵的形成。
可以與彈性密封材料及陶瓷塗層相結合或者僅與彈性密封材料相結合的另一個措施在於設計用於冷卻該單晶的活性冷卻系統。術語活性冷卻系統應理解為利用輸入的能量帶走熱量的冷卻裝置，例如根據熱交換原理工作的裝置。活性冷卻系統例如還用於控制矽單晶中缺陷的形成，並且可為圍繞著生長著的單晶的通常存在的輻射護板的部件。它們用於實現本發明目的的貢獻在於在生長著的單晶的表面上以及在其周圍提供使羰基鐵不再熱分解的溫度。集成在輻射護板內的合適的活性冷卻系統的實例如第5,567,399號美國專利所述。
作為另一個額外的措施，最後建議以規則的間隔替換位於該室內並且在製造單晶期間被加熱至超過200℃的溫度的絕熱材料及由含碳材料製成的所有其他裝置。在從其表面上清除了沉積的鐵之後，這些裝置任選可以繼續使用。
下面參考附圖更詳細地闡述本發明的一個優選的具體實施方案。


圖1所示為用於根據Czochralski法製造半導體材料單晶的設備的示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為用於根據Czochralski法製造半導體材料單晶的設備的示意圖，其中該附圖局限於顯示有助於理解本發明的附圖標記。加粗的實心箭頭表示通常用於清洗該室的惰性氣體流的主要方向。虛線箭頭表示，如果不根據本發明加以阻止則羰基鐵可到達單晶的途徑。該設備包括室1，其中設置有坩堝2及其他裝置，它們在製造單晶3時發揮作用。這些裝置包括用於從坩堝2內所包含的熔融體5拉伸單晶3的機械裝置、設置在軸6上的用於支撐坩堝2的支撐坩堝7以及圍繞該坩堝的坩堝加熱器8。通過絕熱材料10保護該室的內壁9不被坩堝加熱器8加熱。作為其他裝置，通常還在其他位置上設置有絕熱材料，例如在軸6及該室底部的範圍內的絕熱材料。絕熱材料10與該室的內壁9之間的縫隙11用彈性密封材料12加以密封。根據一個優選的具體實施方案，密封材料12設計為環形。生長著的單晶3由輻射護板13圍繞，其本身可包括絕熱元件，並且固定在支撐體16上。根據本發明的另一個優選的具體實施方案，除了輻射護板以外或者集成在其中，還存在用於冷卻該單晶的活性冷卻系統14。根據本發明的另一個優選的具體實施方案，該室的內壁9還額外設置有陶瓷塗層15，其阻止一氧化碳與來自壁材料的鐵反應生成羰基鐵。塗層15僅在圖中象徵性地示出。
實施例在用於拉伸單晶的設備中，該設備包括於附圖中以標記1所示的不具有內壁9的塗層15但尤其具有軸向寬度約為100毫米的環形彈性密封材料12的裝置，拉伸直徑為200毫米的棒狀矽單晶，並測定從該單晶切下的晶片的邊緣區域內的鐵濃度。所測的晶片從棒的相同軸向位置上取下。A型晶片來自利用其中省略了本發明彈性密封材料的設備製造的單晶。提供B型晶片的單晶是在相同的設備中製成的，但區別在於該室內壁與絕熱材料之間的縫隙由以垂直於單晶軸的方向延伸的由SigrathermGFA 10型石墨氈製成的環加以密封。除了彈性密封材料以外還使用集成在輻射護板內的活性冷卻系統，以製造提供C型晶片的單晶。在距晶片的邊緣R為1毫米、3毫米及5毫米的徑向距離的三個位置上測定鐵濃度的結果匯總於下表中。邊緣區域以外的鐵濃度均不高於邊緣區域。根據ASTMF 391測量濃度。
表

結果表明，通過製備密封材料，鐵濃度可以至少降低50％。C型晶片內的鐵濃度在測試位置上甚至低於1×109原子/cm03的測量極限(NWG)。
權利要求
1.用於製造半導體材料單晶的設備，其包括一個室以及設置在該室內的由坩堝加熱器包圍的坩堝、用於屏蔽生長著的單晶的輻射護板以及在該坩堝加熱器與該室的內壁之間的絕熱材料，其特徵在於，該設備還包括用於密封在該內壁與該絕熱材料之間的縫隙並且形成氣態羰基鐵向該單晶傳輸的障礙的彈性密封材料。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述密封材料使羰基鐵向所述單晶的傳輸降低至少50％。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其特徵在於，所述彈性密封材料被設計為環形。
4.根據權利要求1至3之一所述的設備，其特徵在於，所述彈性密封材料由含有碳化或石墨化的碳纖維的石墨氈組成。
5.根據權利要求1至4之一所述的設備，其特徵在於，該設備還包括用於冷卻所述生長著的單晶的活性冷卻系統。
6.根據權利要求1至5之一所述的設備，其特徵在於，該設備還包括塗覆在所述內壁上的陶瓷塗層。
7.通過從設置在一個室內並且被坩堝加熱器包圍的坩堝拉伸單晶以製造半導體材料單晶的方法，其特徵在於，用彈性密封材料密封在絕熱材料與該室的內壁之間的縫隙，該密封材料形成氣態羰基鐵向該單晶傳輸的障礙。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，羰基鐵向所述單晶的傳輸被降低至少50％。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，所述單晶被活性冷卻。
10.根據權利要求7至9之一所述的方法，其特徵在於，所述室的內壁塗覆有陶瓷塗層。
11.根據權利要求7至10之一所述的方法，其特徵在於，以規則的間隔從所述室的含碳裝置的表面上清除沉積的鐵。
12.半導體材料單晶，其包括具有圓周、半徑R及邊緣區域的圓柱形區域，該邊緣區域從該圓周向該單晶內徑向延伸至最多R-5毫米的距離並且具有一定的鐵濃度，其特徵在於，所述鐵濃度低於1×109原子/cm3。
13.半導體晶片，其具有圓周、半徑R及邊緣區域，該邊緣區域從該圓周向該半導體晶片內徑向延伸至最多R-5毫米的距離並且具有一定的鐵濃度，其特徵在於，該邊緣區域內的鐵濃度低於1×109原子/cm3。
全文摘要
本發明涉及用於製造半導體材料單晶的設備和方法。該設備包括一個室以及設置在該室內的由坩堝加熱器包圍的坩堝、用於屏蔽生長的單晶的輻射護板以及在該坩堝加熱器與該室的內壁之間的絕熱材料。該設備的特徵在於用於密封在該內壁與該絕熱材料之間的縫隙並且形成氣態羰基鐵向該單晶傳輸的障礙的彈性密封材料。本發明還涉及使用該裝置、所制的單晶以及由此切下的半導體晶片製造半導體材料單晶的方法。該單晶及半導體晶片的特徵在於邊緣區域，該邊緣區域從圓周向該單晶或該半導體晶片內徑向延伸至最多R－5毫米的距離並且具有一定的鐵濃度，其中該邊緣區域內的鐵濃度低於1×10
文檔編號C30B15/00GK101024894SQ20071000214
公開日2007年8月29日 申請日期2007年1月4日 優先權日2006年1月19日
發明者拉斯洛·法布裡, 岡特·斯特雷貝爾, 漢斯·厄爾克魯格 申請人:矽電子股份公司