具有氧濃度特性改進的半導體單晶生長方法

2023-10-24 02:10:12 1

專利名稱：具有氧濃度特性改進的半導體單晶生長方法
技術領域：
本發明涉及半導體單晶生長方法，該方法使用強水平^F茲場通過
Czochralski工藝(Czochralski process,柴氏4立晶；去)通過在半導體 單晶生長期間控制流入半導體單晶的氧濃度來生長高質量半導體 單晶。
背景技術：
在通過Czochralski工藝的矽單晶生長中，需要石英坩堝來容納 由加熱器所熔化的石圭熔體。然而，石英坩堝與石圭熔體反應並在該熔 體中溶解。因此，氧乂人坩堝中一皮洗4是並通過固-液界面流入單晶。流 入單晶的氧增加了晶片的強度並在晶片中產生體內微缺陷(BMD ), 其在半導體工藝期間成為金屬雜質p及耳又區(gettering site )並導致多 種晶體缺陷和偏析，因此降低了半導體器件的產量。因此，在通過 Czochralski工藝的矽單晶生長期間，應當適當控制通過固-液界面流 入單晶的氧的濃度。
傳統地，對坩堝旋轉速度、對氬(Ar)氣流量或壓力進行控制 用於氧濃度控制。並且，改變勾形石茲場(cusp magnetic field )的條 件以變化氧濃度而同時少許降低晶體缺陷水平。此外，已報導在使 用超導水平磁體的強水平磁場條件下氧濃度受到坩堝旋轉速度的影響。
3作為涉及氧濃度控制的技術，日本專利公開號9-235192公開了 當通過MCZ (施加石茲場Czochralski方法)4是升石圭單晶時將單晶和 坩堝的旋轉速度控制至預定範圍從而降低氧濃度以及在徑向上的 氧濃度偏差。根據該技術，對於直徑大約6英寸的小-直徑矽單晶， 在徑向上氧濃度偏差水平可以達到±0.5 ppma。然而，對於直徑大 約12英寸的大-直徑矽單晶，在徑向上氧濃度偏差水平可能被劣化。
作為另一實例，韓國專利號735902教導一種技術，其根據強 水平磁場條件下單晶的長度來控制坩堝旋轉速度並且對氬(Ar)氣 流量和壓力進行附加地控制從而有效地控制氧濃度。然而，該技術 適合於控制直徑大約8英寸的小-直徑矽單晶的氧濃度。
通過施加強水平磁場用於控制氧濃度的傳統技術主要旨在使 用包含較小體積矽熔體的直徑為24英寸以下的坩堝來生長直徑為8 英寸以下的單晶。如果使用上述技術來利用直徑為32英寸的坩堝 生長直徑為12英寸以上的單晶，無法做到氧濃度控制。這是由於 矽熔體的體積增加80%以上，將導致熔體的不穩定流動。即，熔體 體積越大，熔體的流動越不穩定，並因此氧性態(behavior)變得 複雜。因此，根據單晶的長度(熔體的體積)簡單地改變氬氣流量 或壓力不能導致對於氧濃度的適當控制。同時，在強水平,茲場的條 件下發生氧性態的無序。方案應當4艮本上解決無序問題並且改進由 熔體的嚴重不穩定流動所引起的提拉速度上改變的幅度(width )。
由於錠(ingot)的長度較大，熔體和坩堝之間的接觸面積減少。 為了克服該減少影響，傳統技術逐漸增加坩堝旋轉速度(將坩堝速 度i殳定在0.1 rpm和0.9 rpm範圍之間或在0.3 rmp和0.7 rmp範圍 之間)。在這種情況下，如圖l所示，根據錠的主體(body,晶體) 的中間階,更處的扭克率，氧濃度降4氐。圖1中，在上部和下部水平參 考線之間的部分(由點鏈線所表示)意味著優選的氧濃度範圍。施 加上述坩堝S走轉速度導致對於直徑為8英寸以下的單晶的11 ppma以上的氧濃度，但是其導致直徑為12英寸以上的單晶的非常不穩 定的氧濃度分布，原因在於大-直徑單晶使用較大體積的熔體。
並且，在才艮據上述技術對氬氣流量和壓力進4於控制的情況下
(氬氣流量乂人160 lpm減小至140 lpm,並且壓力乂人50 Torr增加至 60 Torr到70 Torr ) 乂人而控制氧濃度，如圖2所示在4定的主體的中間 階段氧濃度降低。
分析表明上述現象是由於熔體在強水平磁場條件下分離為低 氧熔體和高氧熔體而產生。即，根據Czochralski工藝不使用磁場或 具有^走轉對稱的勾形或垂直MCZ，可以通過單晶和坩堝的S走轉來 保持旋轉對稱，並因此熔體未分離為兩種類型熔體。然而，根據具 有#;面對稱的水平MCZ,由於單晶和坩堝的^^轉導致在反向(右 和左)產生洛倫茲力，並因此熔體分離為兩種類型的熔體。在這種 條件下，根據低氧熔體和高氧熔體如何支配單晶的界面的下部而影 響流入單晶的氧的'l"生態。例3口， 乂于于圖1的第3道，在800 mm和 900 mm之間的4t長度中高氧熔體是主要的而在1000 mm和1300 mm之間的錠長度中低氧熔體是主要的。發現主要熔體的類型受到 坩堝旋轉速度的影響。低氧熔體的頻率是0.005 Hz，其對應於大約 0.3 rpm的坩堝旋轉速度。因此，當坩堝旋轉速度大約是0.3 rpm時， 具有低氧熔體的諧振現象發生，其使得生長高氧晶體變得困難。

發明內容
設計本發明以解決上述問題。因此，本發明的一個目的是提供 一種半導體單晶生長方法，其建議在生長大-直徑單晶(例如，12
英寸直徑)期間能夠控制氧濃度的坩堝旋轉條件以降低氧濃度在主 長度(prime length )上的偏差。本發明的另一目的是提供一種半導體單晶生長方法，其改進在 生長大-直徑(例如，12英寸直徑)單晶期間提拉速度上改變的幅 度，從而確保工藝的穩定性。
為了達到本發明的目的，本發明提供一種半導體單晶生長方 法，其使用通過將晶種浸入容納在石英坩堝中的半導體熔體中並在 旋轉石英坩堝並施加強水平磁場的同時提升晶種而通過固-液界面
生長半導體單晶的Czochralski工藝，其中，當以0.6 rpm和1.5 rpm
之間的速度旋轉石英坩堝的同時提升晶種。
優選地，在半導體單晶的主體的初始階革殳處以0.6 rpm和0.8 rpm之間的速度S走壽爭石英i計堝。
優選地，根據單晶生長長度逐漸增加石英坩堝的旋轉速度以使 氧濃度中改變的幅度最小化。
可以施加強度為2000 G以上的強水平》茲場。
可以施加強度為2500 G和3500 G之間的強水平》茲場。


結合附圖，將在下面詳細描述中更加充分地描述本發明，j旦本 文中所4是出的描述僅是出於示例目的的優選實例，並不旨在限制本 發明的範圍。
圖1和圖2是由傳統矽單晶生長方法所提供的根據錠長度的氧 濃度分布的曲線圖。
圖3是根據本發明的半導體單晶生長設備的配置原理圖。圖4是根據坩堝旋轉速度的氧濃度分布變量的曲線圖。
圖5是示出了根據本發明的優選實施例和傳統技術的施加坩堝 旋轉速度的結果的曲線圖。
圖6是根據本發明的優選實施例的通過施加坩堝旋轉速度的提 拉速度分布的曲線圖。
圖7是根據傳統技術的通過施加坩堝旋轉速度的提拉速度分布 的曲線圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖詳細描述本發明的優選實施方式。在描 述之前，應該理解，在說明書中和所附權利要求書中使用的術語不 應被理解為限於通用的以及和字典含義，而應該以發明人允許定義 適於最好解釋的術語的原則為基礎，基於對應於本發明的技術方面 的含義和概念加以解釋。所以本文中做出的描述只是用於說明目的 的優選實例，而不用於限制本發明的範圍，因此應當理解，在不背 離本發明精神和範圍的情況下，可以做出其它等同替換和修改。
本發明使用通過將晶種浸入容納在石英坩堝中的半導體熔體 中並在4t轉石英坩堝和施加2000 G以上強水平f茲場的同時才是升晶 種而通過固-液界面生長半導體單晶的Czochralski工藝，並且特別 地，當以0.6 rpm和1.5 rpm之間的速度S走轉該石英坩堝時才是升該晶 種。因此，考慮到熔體中最佳溫度分布和來自Q，z玻璃坩堝(Q，z glass crucible)氧分解，優選地施加具有強度為2500 G和3500 G
之間的強7^平》茲場。
圖3示出了根據本發明的半導體單晶生長設備的配置示意圖。參考圖3，該半導體單晶生長設備包括石英坩堝IO,用於容 納由高溫熔化多晶石圭得到的石圭熔體(SM );坩堝支撐物20,環繞石 英坩堝10的外圍用於支撐處於高層大氣具有預定形狀的石英坩堝 10;坩堝旋轉裝置30,安裝在坩堝支撐物20下方用於將石英坩堝 10與坩堝支撐物20—起旋轉；加熱器40，與坩堝支撐物20的壁 分開預定距離用於對石英坩堝10進^f亍加熱；隔熱裝置50,圍繞加 熱器40安裝用於阻止來自加熱器40所產生的熱向外輻射；單晶提 拉裝置60，用於使用在預定方向上旋轉的籽晶將矽單晶1從石英坩 堝IO所容納的矽熔體(SM)中提升；熱屏蔽結構70，與通過單晶 提拉裝置60所提拉的矽單晶1的外圍分開預定距離，用於對輻射 自矽單晶i的熱進行屏蔽；惰性氣體提供裝置(未示出)，用於沿 矽單晶1的外圍將惰性氣體(例如，氬氣)提供至矽熔體(SM) 的上表面；以及f茲場施加裝置，具有線圏紐—件80用於在石英蚶堝 10中產生強水平》茲場。本4頁i或已知的，與利用Czochralski工藝的
i殳備的部件以及其詳細描述在本文中將^皮省略。
本發明對生長設備的坩堝旋轉裝置30進行控制以生長矽單晶 1而同時以0.6 rpm和1.5 rpm之間的速度力走轉石英坩堝10。當控制 坩堝旋轉裝置30以逐漸在上述範圍中增加石英坩堝10的S走轉速度 時，根據單晶的生長長度可以使氧濃度中改變的幅度最小化。
圖4示出了根據利用石英坩堝10的旋轉速度範圍的兩種類型 在生長直徑大約為12英寸(300 mm)的矽單晶期間根據錠長度的 氧濃度分布的曲線圖。圖4中，第1道顯示了當坩堝旋轉速度被設 定在1 rpm和1.2 rpm之間時氧濃度分布，而第2道顯示了當坩堝 旋轉速度被設定在0.7 rpm和1.2 rpm之間時氧濃度分布。
如上所述，當坩堝旋轉速度大約為0.3 rpm時發生諧振現象， 而當坩堝旋轉速度大約為0.5 rpm時發生少許諧振現象。並且，在坩堝旋轉速度非常大的情況下，氧濃度過度增加。考慮到上述情況，
本發明將坩堝旋轉速度設計在0.6 rpm和1.5 ipm的範圍之間。特別 地，如果坩堝旋轉速度從對應於大約400 mm的錠長度的主體的初 始階4殳增加1 rpm以上，如第1道所示氧濃度才及度增加。因此，在 錠的主體的初始階段處優選地將坩堝旋轉速度保持在0.6 rpm和0.8 rpm範圍之間。通過施加上述的坩堝i走轉速度，氧濃度在10.6 rpm 和12.8 rpm範圍之間(由圖4中的點鏈線示出)，並且可以製造具 有較小分布的直徑為12英寸以上的高質量矽單晶。
更優選地，本發明將坩堝旋轉速度設計在0.7 rpm和1.3 rpm範 圍之間，以如圖5的第3道中所示的對在900 mm和1300 mm之間 的錠長度上的氧濃度的降低進行補償，並製造具有氧濃度在11 ppma和12.4 ppma之間的比傳統才支術更高質量的石圭單晶。
在上述的坩堝旋轉速度在0.6 rpm和1.5 rpm範圍之間的情況 下，如圖6所述提拉速度中改變的幅度被顯著減小以確保工藝穩定 性(例如)以降低加熱器功率中的改變。
相反，在才艮據傳統4支術的坩堝旋轉速度在0.1 rpm和0.5 rpm範 圍之間的情況下，低氧熔體和高氧熔體彼此幹擾，其導致如圖7所 述的提拉速度中改變的較大幅度。
因此，本發明避免了在強水平磁場條件下諧振現象，並可以生 長具有氧濃度在10.6 ppma和12.8 ppma之間並且較小分布的直徑 為12英寸以上的高質量矽單晶。本發明對於生長適合於NAND閃 存器件的具有氧濃度大約為11.7 ppma的矽單晶是有優勢的。
並且，本發明減少了單晶的提拉速度中改變的幅度以穩定地並 且容易地執行半導體單晶生長工藝。上文中，已參照附圖對本發明的優選實施例進行了詳細描述。 糹合出了詳細描述和具體實例，因此通過這些詳細描述，在本發明精 顯而易見。
權利要求
1. 一種半導體單晶生長方法，所述方法使用通過將晶種浸入容納在石英坩堝中的半導體熔體中並在旋轉所述石英坩堝和施加強水平磁場的同時提升所述晶種而通過固-液界面生長半導體單晶的Czochralski工藝，其中，當以0. 6rpm和1.5rpm之間的速度旋轉所述石英坩堝的同時提升所述晶種。
2. 根據權利要求1所述的半導體單晶生長方法，其中，在所述半導體單晶的主體的初始階l殳，以0.6 rpm 和0.8 rpm之間的速度旋轉所述石英坩堝。
3. 根據權利要求1所述的半導體單晶生長方法，其中，根據單晶生長長度逐漸增加所述石英坩堝的旋轉 速度以使氧濃度中改變的幅度最小化。
4. 根據權利要求1所述的半導體單晶生長方法，其中，以2000 G以上的強度施力口所述強水平》茲場。
5. 根據權利要求4所述的半導體單晶生長方法，其中，以2500 G和3500 G之間的強度施加所述強水平磁場。
全文摘要
本發明涉及一種半導體單晶生長方法，該方法使用通過將晶種浸入容納在石英坩堝中的半導體熔體中並在旋轉石英坩堝和施加強水平磁場的同時提升晶種而通過固-液界面生長半導體單晶的Czochralski工藝，其中，當以0.6rpm和1.5rpm之間的速度旋轉石英坩堝的同時提升晶種。
文檔編號C30B15/00GK101423976SQ20081017553
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月3日 優先權日2007年11月2日
發明者文智勳, 李洪雨, 洪寧皓, 申丞鎬, 趙鉉鼎 申請人:斯爾瑞恩公司