用高生長速率製備低缺陷密度矽的方法
2023-08-07 14:06:36 3
專利名稱：用高生長速率製備低缺陷密度矽的方法
技術領域：
本發明一般涉及在製造電子元件時使用的半導體級單晶矽的製備。更具體地說，本發明涉及一種用於製備基本上沒有空位型附聚的本徵點缺陷的單晶矽錠及由該矽錠得到晶片的方法，其中上述晶錠在一定速率下生長，上述速率用別的方法將造成晶錠內部形成附聚的空位型本徵點缺陷。
近年來，已經認識到單晶矽中的許多缺陷是在晶體生長室中在晶體固化之後冷卻時形成。這些缺陷部分是由於存在過量本徵點缺陷(亦即濃度高於溶度限)而引起，上述本徵點缺陷通稱為空位和自填隙。由熔體生長的矽晶體通常是在一種本徵點缺陷或另一種本徵點缺陷，或者是晶格空位(「V」)或者是自填隙(「I」)過量的情況下生長。已有人提出，矽中這些點缺陷的類型和初始濃度在固化時確定，並且如果這些濃度達到系統中臨界過飽和程度及點缺陷的遷移率足夠高，則可能發生一種反應或一種附聚現象。矽中附聚的本徵點缺陷可能嚴重影響生產複雜和高集成度的電路時材料的生產潛力。
人們認為空位型缺陷是一些可觀察到的晶體缺陷如D缺陷，流動圖形缺陷(FPD)，柵氧化物完整性(GOI)缺陷，晶體原生粒子(COP)缺陷，晶體原生輕微點缺陷(LPD)，及用紅外光散射技術如掃描紅外顯微鏡和雷射掃描層析X射線照相術觀察到的某些類型體缺陷等的起源。另外在過量空位區域中存在的是起到環形氧化誘生堆垛層錯(OISF)的核作用的缺陷。據推測這種特殊的缺陷是一種由過量空位存在催化的高溫成核氧附聚物。
有關自填隙的缺陷較少充分研究。一般認為它們是低密度填隙型位錯環或網絡。這些缺陷不是柵氧化物完整性破壞的主要原因，上述柵氧化物完整性破壞是一個重要的晶片性能判據，但廣泛認為它們是通常與漏電流問題有關的其它類型器件失效的原因。
歷史上認為這些直拉矽中空位和自填隙附聚缺陷的密度是在約1×103/cm3-約1×107/cm3範圍內。儘管這些數值比較低，但附聚的本徵點缺陷對器件製造者來說具有迅速增加的重要意義，並且實際上現在被看作是器件製造過程中限制生產率的因素。
業已提出了一種控制形成附聚缺陷的方法，該方法是在從熔化的矽體固化形成單晶矽時，通過控制從熔化的矽體中提拉單晶矽錠的拉速(V)以及對一規定的溫度梯度控制生長中的晶體固液界面附近的軸向溫度梯度G，來控制點缺陷的初始濃度，其中較高的拉速往往會產生富空位的材料和較低的拉速往往會產生富填隙的材料。尤其是，有人提出，軸向溫度梯度的徑向變化不大於5℃/cm或更小(例如參見Iida等的EP0890662)。然而，這種方法要求嚴格的設計和控制拉晶機的熱區。
有人提出了另一種控制附聚的缺陷形成的方法，該方法是在從熔化的矽體中固化形成單晶矽時控制空位或填隙點缺陷的初始濃度，和然後控制晶體從固化溫度到約1050℃溫度的冷卻速率，以便允許矽自填隙原子或空位的擴散，並因而使空位系統或填隙系統的過飽和保持在一個值處，該值小於附聚反應發生的那些值(例如參見Falster等的美國專利No.5,919,302和Falster等的WO 98/45509)。然而一般公認的是，空位以比矽自填隙慢得多的速率擴散。因此，儘管這種方法可以成功地用來製備基本上沒有附聚的空位或填隙缺陷的單晶矽，但供空位充分擴散所需的時間削弱了增加生長速度的好處，而降低生產填隙為主的晶錠所需的生長速度削弱了減少供填隙擴散所需冷卻時間的好處。這可能會降低拉晶機生產率。
因此，簡短地說，本發明針對一種用於生長單晶矽錠的方法，上述單晶矽錠具有一個中心軸線，一個籽晶錐，一個端錐，一個在籽晶錐和端錐之間的恆定直徑部分，及一個區域，上述區域包括晶錠恆定直徑部分的一小部分並且基本上沒有附聚的本徵點缺陷。晶錠按照直拉法由矽熔體生長，方法包括(i)在恆定直徑部分內部形成一個區域，在該區域中空位是主要的本徵點缺陷，(ii)將晶錠的側表面加熱到一個超過上述區域溫度的溫度以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流入上述區域，這樣減少上述區域中空位的濃度，及(iii)保持上述區域溫度超過溫度TA，在該溫度TA下，在形成上述區域和上述區域中空位濃度減少之間的這段時間裡發生空位點缺陷附聚成附聚的缺陷。
本發明還針對一種用於生長單晶矽錠的方法，上述單晶矽錠具有一個中心軸線，一個籽晶錐，一個端錐，一個在籽晶錐和端錐之間的恆定直徑部分，及一個區域，上述區域包括晶錠恆定直徑部分的一小部分並且基本上沒有附聚的本徵點缺陷。晶錠按照直拉法由矽熔體生長，該方法包括(i)在恆定直徑部分內部形成一個區域，在該區域中空位是主要的本徵點缺陷；(ii)將晶錠的側表面加熱到一個超過上述區域溫度的溫度以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流入上述區域，這樣使上述區域從空位為主的區域轉變到填隙為主的區域，及(iii)保持上述區域溫度超過溫度TA，在該TA下，在形成上述區域和上述區域中空位濃度減少的這段時間裡發生空位點缺陷附聚成附聚的缺陷。
本發明另外還針對一種用於生長單矽錠的方法，上述單晶矽錠具有一個中心軸線，一個籽晶錐，一個端錐，一個在籽晶錐和端錐之間的恆定直徑部分，及一個區域，上述區域包括晶錠恆定直徑部分的一小部分並且基本上沒有附聚的本徵點缺陷。晶錠按照直拉法由矽熔體生長，該方法包括(i)在恆定直徑部分內部形成一個區域，在該區域中空位是主要的本徵點缺陷，(ii)將晶錠的側表面加熱到一個超過上述區域溫度的溫度，以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流入上述區域，這樣使上述區域從空位為主的區域轉變到填隙為主的區域，其中填隙的濃度至少是大約使填隙在晶錠常規冷卻時附聚所需的飽和濃度，(iii)保持上述區域的溫度超過溫度TA，在該溫度TA下，在形成上述區域和上述區域中空位濃度減少的這段時間裡發生空位點缺陷附聚成附聚的缺陷，及(iv)控制上述區域的冷卻通過一個溫度範圍，在該溫度範圍下附聚的填隙可以成核以便抑制其中填隙的濃度，因此附聚的填隙在冷卻晶錠時不形成。
本發明另外還針對一種用於生長單晶矽錠的方法，上述單晶矽錠具有一個中心軸線，一個籽晶錐，一個端錐，一個在籽晶錐和端錐之間的恆定直徑部分，及一個區域，上述區域包括晶錠恆定直徑部分的一小部分並且基本上沒有附聚的本徵點缺陷。晶錠按照直拉法由矽熔體生長，該方法包括(i)在恆定直徑部分內形成一個區域，在該區域中空位是主要的本徵點缺陷，(ii)將晶錠的側表面加熱到一個超過上述區域溫度的溫度，以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流向上述區域，這樣使上述區域從空位為主的區域轉變到填隙為主的區域，其中填隙的濃度至少是大約使填隙在晶錠常規冷卻時附聚所需的飽和濃度，(iii)保持上述區域的溫度超過溫度TA，在該溫度下，在形成上述區域和上述區域中空位濃度減少的這段時間裡發生空位點缺陷附聚成附聚的缺陷，及(iv)使上述區域急冷通過一個溫度範圍，在該溫度範圍下附聚的填隙可以成核，以防止形成附聚的填隙。
本發明的另一些目的和特點一部分是顯而易見的，一部分在後面指出。
圖2是示出對一規定的自填隙[I]的初始濃度，為形成附聚的填隙缺陷所需的自由能變化ΔGI如何隨溫度T降低而增加的一個例子曲線圖。
圖3是通過急冷晶錠經過一溫度範圍所製備的晶錠橫截面圖像，在上述溫度範圍下附聚的本徵點缺陷成核。
圖4是將具有經受B缺陷湮滅熱處理之前B缺陷的晶片與具有經受了B缺陷湮滅熱處理的B缺陷的晶片進行比較的圖像。
優選實施例詳細說明根據到目前為止的實驗資料，本徵點缺陷的類型和初始濃度似乎是當晶錠從固化溫度(亦即約1410℃)冷卻到大於1300℃的一個溫度(亦即至少約1325℃，至少約1350℃或基至至少約1375℃)時開始測定。也就是說，這些缺陷的類型和初始濃度一般認為受比值V/G0控制，此處V是生長速度和G0是平均軸向溫度梯度。
空位和填隙佔優勢的材料之間的轉變在V/G0的一個臨界值處發生，根據目前可用的信息，V/G0的臨界值似乎是約2.1×10-5cm2/sk，此處G0是在上述溫度範圍內軸向溫度梯度是恆定的條件下測定。在這個臨界值處，這些本特點缺陷的最終濃度相等的。如果V/G0值超過臨界值，則空位是主要的本徵點缺陷，並且空位的濃度隨V/G0增加而增加。如果V/G0小於臨界值，則矽自填隙是主要的本徵點缺陷，並且矽自填隙的濃度隨V/G0減小而增加。因此，對一規定的G0拉速降低往往會增加矽自填隙的濃度，而拉速增加往往會增加空位的濃度。
一旦確定了本徵點缺陷的初始濃度，則認為附聚缺陷的形成依賴於體系的自由能。對一規定的本徵點缺陷濃度，溫度降低導致從本徵點缺陷形成附聚缺陷的反應自由能變化增加。因此，當含有空位或填隙的一個區域從固化溫度冷卻經過附聚缺陷成核的溫度時，接近用於形成附聚的空位或填隙缺陷的能量勢壘。當冷卻繼續時，這個能量勢壘最終可能被超過，在能量勢壘超過的點處，一種附聚反應發生(例如參見Falster等的美國專利No.5,919,302和Falster等的WO 98/45509)。
意外的是，發現了單晶矽錠可以在高生長速率下提拉，上述高生長速率起初產生比較高的空位濃度，並且這些濃度可以在附聚反應發生之前通過從晶錠側表面注入填隙進行抑制。一般，矽自填隙原子可以通過將晶錠側表面加熱到一個超過晶錠內部溫度的溫度注入，因而形成一個從表面朝向內部的熱梯度。在一個實施例中，空位的濃度僅是通過這種注入減少。在另一個實施例中，注入的矽自填隙原子數足以將矽從空位為主轉變成矽自填隙為主的矽。
因此，在本發明的方法中，在一個拉速下生長具有標稱直徑至少為約125mm，更優選的是至少約150mm，及通常至少約200mm或甚至至少約300mm恆定直徑區域的晶錠，以便初始產生一個空位為主的區域(亦即其中在沿著晶錠的半徑和軸線的某一點處V/G0值大於V/G0的臨界值的條件下生長)。空位為主的區域可以在徑向和軸向方向上的二度空間上改變。
在典型的直拉體生長條件下，晶體生長速度V隨著距晶體軸線徑向距離的變化近似恆定不變，但G0一般是從晶體軸線處的最大值減小到晶錠側表面處的最小值。結果，晶格空位的濃度一般隨距晶錠軸線徑向距離增加而減少，並且一個空位為主的矽區域，如果真的存在的話，將佔據在晶錠軸線和某個徑向距離Rv之間的軸向對稱區域，上述徑向距離Rv是從晶錠的軸線測量的。優選的是，Rv是有一個至少約為晶錠恆定直徑部分半徑1％的值，更優選的是至少約為5％，更優選的是至少約為10％，更優選的是至少約為25％，更優選的是至少約為50％，更優選地是至少約75％，及還更優選的是至少約為90％。
由於V/G0可以隨軸向位置變化而改變，軸向位置變化是由於V，G0或V和V0二者改變的結果，所以空位為主的矽軸向對稱區域的寬度也可以隨軸向位置變化而改變。按另一種方式說，空位為主的軸向對稱區域的徑向寬度可以隨軸向位置的變化而增加或減少。例如，在一個實施例中，在晶錠恆定直徑部分生長過程中V/G0的變化可以起初產生具有一軸向長度的單一空位為主的區域，上述軸向長度等於或小於晶錠恆定直徑部分的軸向長度；也就是說，空位為主的軸向對稱區域具有一軸向長度至少約為晶錠恆定直徑部分軸向長度的1％，更優選的是至少約5％，更優選的是至少約10％，更優選的是至少約25％，更優選的是至少約50％，更優選地是至少約75％，及還更優選的是至少約為90％。一般，這個實施例是優選的，因為在晶體的恆定直徑部分生長過程中，它可供最大生長速率V用。儘管目前較少優選，在另一個實施例中，可能理想情況是起初具有多個(比如至少2，3，4，5，6，7，8，9或甚至10個)被填隙為主的區域分開的不連續的空位為主的區域。不管起初在晶錠的恆定直徑部分內是否有一個或多個空位為主的區域，一般優選的是在晶錠的恆定直徑部分中起初空位為主的軸向對稱區域的附聚體積佔據晶錠恆定直徑部分總體積的至少約1％，更優選的是至少約5％，更優選的是至少約10％，更優選的是至少約25％，更優選的是至少約50％，更優選地是至少約75％，及還更優選的是至少約90％。
當晶錠正生長時，一般讓前面的晶錠固化部分冷卻。然而，在本發明的方法中，空位為主的區域保持在一個溫度下，直到晶錠的側面表面加熱到矽自填隙注入這個區域時為止，上述保持的溫度超過附聚的空位缺陷形成時的溫度。一般，成核作用溫度隨本徵點缺陷的濃度增加而增加。此外，附聚空位型缺陷的成核溫度範圍稍大於附聚填隙型缺陷的成核溫度範圍；按另一種方式說，在直拉法生長的單晶矽中通常產生的空位濃度範圍內，附聚的空位缺陷成核溫度一般在約1000℃和約1200℃之間及典型的是在約1000℃和1100℃之間，而在直拉法生長的單晶矽中通常產生的矽自填隙濃度範圍內，附聚的填隙缺陷的成核溫度一般在約850℃和約1100℃之間及典型的是在約870℃和約970℃之間。
在讓空位為主的區域冷卻到溫度高於空位可以成核的溫度之後，晶錠的側表面或晶錠的一部分被重新加熱；也就是說，在開始冷卻之後，熱量加到側表面上以便在晶錠的側表面和內部之間產生一個熱梯度。通常，將表面加熱到一個足以產生至少約10℃/cm(當從晶錠表面朝向空位為主的區域測量時)熱梯度的溫度，更優選的是具有至少約20℃/cm，30℃/cm，40℃/cm，50℃/cm或高於50℃/cm的梯度。因而，將側表面加熱到溫度為至少約1200℃，更優選的是至少約1250℃，和最優選的是至少約1300℃，但低於矽的固化溫度(亦即約1410℃)。然而，根據實際情況，難以將側表面加熱到接近矽的固化溫度並且還能產生所希望的熱梯度。因此，儘管側表面可以加熱到溫度約1200℃-1400℃的範圍，但更優選的是將側表面加熱到約1300℃-約1375℃的溫度範圍，及最優選的是加熱到約1325℃-1350℃的溫度範圍。
由於晶錠在加熱側表面之前的溫度通常是沿著晶錠的半徑從晶錠的側表面朝軸線方向增加，以致側表面溫度是處於低於晶錠內部的溫度下，所以可能是在加熱表面時，在側表面和距離小於晶錠半徑處的一個區域之間可以產生熱梯度，並且事實上只在側表面和在小於側表面到空位為主的區域外部邊界的距離的一個距離處的區域之間延伸的距離範圍內存在。結果，填隙的熱誘生向內流量可能只遍布半徑的約20％，40％，60％，80％或80％以上。儘管溫度梯度可能不從側表面延伸到空隙為主的區域，但可以認為矽自填隙濃度梯度將提供足夠的驅動力，以使填隙的熱誘生的流量擴大到溫度梯度範圍之外，因此填隙繼續向空位為主的區域擴散到溫度梯度之外。用不同的說法，一旦填隙由熱梯度產生，它們繼續擴散到濃度更小的區域，因此擴散到空位為主的區域。
按照上述條件加熱晶錠的側表面造成在側表面處填隙的濃度Cis增加。然後填隙將向晶錠的內部擴散。當填隙擴散到空位為主的區域中時，其中一部分填隙將與空位結合，同時造成空位的濃度Cis減少和填隙的濃度Ci增加。繼續加熱後者表面並保持其中溫度梯度將使填隙的流量繼續，以致內部的填隙濃度Ci將通過向內擴散最終達到與表面處平衡濃度相同的值Cis。因此，晶錠內部的填隙溶解將變得過飽和一個倍數S＝Cis/Cie，因為內部的平衡濃度Cie低於表面的值Cis。
在達到這個目的的方法中，空位為主區域中的空位將湮滅，因此減少了空位為主的區域中空位的濃度Cis。因而，將形成飽和同樣倍數S下的空位。倘若足夠的填隙流入空位為主的區域，則空位為主的區域可以轉變成其中Ci＞Cis填隙為主的區域。
在沒有掌握一特定理論情況下，可以認為在填隙注入過程中正好在某一點處，在距晶錠軸線一個距離ro處前面存在有空位湮滅，從而留下了一個空位為主的區域，該區域具有一個還沒有湮滅的初始空位的半徑ro和一個圍繞其餘空位為主區域同心式定位的環形區，該環形區具有一最小半徑r＞ro，其中起初存在的空位已經湮滅。在前面湮滅處(在r＝ro處)的填隙濃度Ci比晶體表面處(此處是平衡值Cis)小得多。因而有一個填隙的徑向向內流量；濃度場可以作為準穩狀態處理，並且那樣用圓柱幾何體的慣用公式說明，其中Ci＝Cisln(r/ro)/ln(R/ro)(1)式中R是晶錠的半徑。填隙流到空位為主區域的總向內通量Q定義為Q＝2πDiCis/ln(R/ro) (2)由於按照方程(3)所述的填隙向內流量Q，空位為主區域直徑減小為d(πro2Cv)/dt＝-Q (3)而且，通過將方程(2)代入方程(3)並使最終方程平衡，空位為主區域半徑的動態減少可以說明如下roln(R/ro)dro/dt＝-DiCis/Cv(4)方程(4)可以進一步簡化成(ro/R)2ln[(ro/R)2/e]＝-1+(4DiCis/R2Cv)t (5)因此完全湮滅空位為主的區域所需時間周期是在空位為主的區域半徑減小到零時發生，上述時間周期以後稱之為湮滅時間ta，因此在方程(5)中r＝0得到公式為ta＝R2Cis/4DiCis(6)因此，湮滅時間依賴於空位的濃度Cis，晶錠的直徑R，及自擴散乘積DiCie，該自擴散乘積DiCie強烈依賴於溫度。因此溫度應儘可能高，以便增加自擴散乘積和減少湮滅時間。例如，測定了具有典型空位濃度的150mm晶錠的空位湮滅時間，當側表面加熱到約1200℃溫度時為至少約160小時，當側表面加熱到約1250℃溫度時為至少約45小時，及當側表面加熱到約1300℃溫度時為至少約14小時，以便完全湮滅空位為主的區域。而且，在一規定溫度下與較小直徑的晶錠相比較大直徑的晶錠需要更長的時間周期來加熱側表面。例如，200mm晶錠的空位湮滅時間，當側表面加熱到1200℃溫度時為至少約284小時，當側表面加熱到約1250℃溫度時為至少約80小時，及當側表面加熱到約1300℃時為至少約25小時。300mm晶錠的空位湮滅時間，當側表面加熱到約1200℃溫度時為至少約640小時當側表面加熱到約1250℃時為至少約180小時，及當側表面加熱到約1300℃溫度時至少約56小時。因而，側表面優選的是加熱時間周期為至少約10小時，至少約25小時，至少約30小時，至少約100小時，並甚至可以加熱時間周期為至少約500小時或500小時以上。
通過將晶錠轉變成「半無缺陷」型可以大大減少湮滅時間。也就是說，其中只有一部分空位為主的區域轉變成填隙為主的區域的晶錠。用於轉變一半無缺陷晶體所需退火時間的公式可以用-RV/I代替晶體半徑R得到，此處RV/I是V/I邊界位置的半徑。所需時間減少這兩個數值之比的平方倍。在這方面，應該注意，在加熱期間及因此在填隙注入期間，可以與上述情況不同。優選的是，湮滅整個空位為主的區域，以使最終的區域都轉變成填隙為主的區域。
還應該注意，結果是區域變成填隙為主，繼續加熱可能會造成填隙濃度增加到大於晶錠冷卻時附聚的填隙缺陷成核所需的濃度水平。然而，如上所述，附聚的填隙缺陷成核作用可以避免或可供選擇地加以抑制，以便只形成B型缺陷。因此，加熱側表面的時間周期超過此處所述的那些時間僅造成填隙的濃度增加，填隙濃度的增加可以隨後如下所述進行抑制。
按照本發明的方法，倘若可以將至少約10℃/cm的溫度梯度保持如上所述足夠長的時間周期，則側表面可以用該領域中任何已知的方法加熱，用於將矽加熱到超過1200℃的溫度。因此根據實際情況，不希望將晶錠整個外表面同時加熱。可以認為為了達到和保持所需的溫度梯度，必需讓晶錠中心的熱量在軸向上逸出。同時加熱整個晶錠將防止這種冷卻路線用於晶錠的中心，並且晶錠最終加熱到一個恆定的溫度，因此清除了溫度梯度。因此優選的是，採用環形加熱器來加熱側表面，其中使環形加熱器和側表面這樣彼此相對運動，以使整個側表面最終按上述條件加熱。環形加熱器可以同心式圍繞晶錠設置在生長室內固定位置中，以便當從熔體提拉晶錠時，使側表面通過環形加熱器。可供選擇地，環形加熱器可以同心式圍繞晶錠設置在生長室內，以使它可以在晶錠軸線的方向上升或下降。此外，環形加熱器可以在提拉室內設置在與晶錠軸線同心的固定位置中，以便當側表面被拉入拉晶室中時通過環形加熱器，或者，它可以沿著晶錠的軸線活動，以便使晶錠可以上升到拉晶室中，此後環形加熱器可以沿著晶錠的軸線通過，以使側表面按本發明的要求加熱。
若已知環形加熱器的長度或者更精確地說用環形加熱器的熱區所加熱的側表面部分的長度L及環形加熱器與晶錠的相對速度V，則側表面的停延時間按L/V計算。換句話說，在用環形加熱器加熱的側表面部分的長度，環形加熱器相對於晶錠的速度，及這樣加熱側表面使停延時間等於L/V的停延時間之間有關係。因此一旦溫度和加熱持續時間確定，該領域的技術人員就可以確定環形加熱器和側表面必需運動的速度。實際上說，長度L不會比一個晶錠的直徑大許多，因為熱量從熱的表面到較冷內部的徑向向內流量必須在軸向方向上從晶錠的中心除去，以便保持如上所述所需溫度梯度。
例如，在150mm晶錠其中側表面如上所述加熱到約1300℃溫度保溫14小時情況下，若用其中L為約150mm的最大長度環形加熱器，則環形加熱器相對於側表面的速度必需為約0.17mm/min或更小。對一種晶錠其中晶錠的恆定直徑部分長度為1000mm，總退火時間約100小時，以便加熱沿著晶錠恆定直徑部分整個長度延伸的側表面。儘管這種方法保留了一個實際可供選擇的方案，此處側表面在晶錠完全生長之後加熱，但所需的速度比所希望的拉速小很多，以便產生空位為主的區域並因此使拉晶機的生產率最大。因而，在晶錠生長過程中單一環形加熱器必需在軸向方上移動，以使加熱器相對於側表面速度產生如上所述所需的停延時間。然而，在這些條件下，晶錠在晶錠生長完成之後必需留在拉晶機中直至退火過程完工時為止。例如在上述例子中，退火過程花費100小時，因而晶錠的恆定直徑部分在典型的拉速1.0mm/min下將在不到17小時內完成。因此，拉晶機的生產率顯著下降。
在本發明的另一個實施例中，可以用幾個環形加熱器來顯著減少沿著晶錠恆定直徑部分整個軸線將側表面退火所需的總時間。而且，在晶錠生長過程中可以控制加熱器沿著晶錠的軸線移動，以便滿足所需的加熱條件。因此，假定各環形加熱器相同，則按如上計算出的時間將減少若干倍，該減少的倍數等於環形加熱器的數目。實際上說來，這些加熱器元件必需間隔開某種大於晶體直徑的距離，以便提供在晶錠中心處的軸向冷卻，使之能保持所需的熱梯度。因此長度等於晶體直徑的環形加熱器最大數目，等於晶錠恆定直徑部分的長度除以加熱器長度的兩倍。例如對恆定直徑部分長度為1000mm的150mm晶錠，長度等於約150mm的環形加熱器最大數目近似為6。用6個環形加熱器將有效地把加熱整個側表面所需的總時間減少到約17小時。在不脫離本發明範圍情況下，各種環形加熱器的精確及環加熱器之間的間隔可以改變。
應該注意，倘若空位為主的區域保持高於附聚的本徵點缺陷成核的溫度，則側表面可以在晶錠生長過程中加熱，在晶錠生長之後立即加熱，或者可以在晶錠生長之後相當長一段時間裡不加熱。因而，空位為主的區域可以在晶錠生長過程中加熱，在晶錠生長之後立即加熱，或者可以在晶錠生長之後相當長一段時間裡不加熱。因而，空位為主的區域可以保持高於成核溫度直到側表面加熱到使矽自填隙向上述區域注入這樣的時間。照這樣，晶錠可以從拉晶機中取出，移到另一個位置，以便可以將拉晶機冷卻供後面的晶錠生長用，因此使填隙注入過程與晶體生長過程分離。照這樣，無論是一個環形加熱器還是多個環形加熱器都可以用來將側表面加熱如上所述的預定時間周期，而不影響拉晶機的生產率。
一旦在上述區域中空位的濃度減少，優選的是低於冷卻時附聚的空位可以成核的濃度，或者可供選擇地一旦空位為主的區域轉變成填隙為主的區域，其中矽自填隙的濃度優選的是小於冷卻時附聚的填隙可以成核的濃度，則可以這樣冷卻該區域，使最終的晶錠基本上沒有附聚的本徵點缺陷。
根據晶錠中空位和自填隙原子的最終濃度和分布，此後可以通過控制本徵點缺陷的擴散和/或通過急冷晶錠來避免形成附聚的本徵點缺陷。因此，如果保持矽自填隙的流量，以使空位或矽自填隙的最終濃度低於在冷卻時空位或矽自填隙可以附聚的濃度，則可以通過標準直拉法讓上述區域冷卻。然而，如果上述區域或它的一部分轉變成填隙為主的區域，並且填隙的濃度大於冷卻時填隙可以附聚的濃度，或者如果上述區域的一部分或全部具有一空位濃度大於冷卻時空位可以附聚的濃度，則可以這樣控制上述區域的冷卻速率，使填隙能擴散到晶錠的表面和/或朝空位為主的區域擴散並與該區域中的空位再結合，因而在冷卻過程中抑制了空位和/或填隙的濃度，以使最終晶錠基本上沒有附聚的本徵點缺陷(例如參見共同未決的美國專利申請No.09/344,036和09/344,709，本申請包括二者內容作為參考)。此外，如果空位或矽自填隙濃度大於冷卻時空位或矽自填隙可以附聚的濃度，則該區域可以急冷以使空位或矽自填隙有效地凍結在原有位置，而不給它們提供足夠的時間附聚，因此最終的晶錠基本上沒有附聚的本徵點缺陷，如共同未決美國臨時申請No.60/155,725所述，本申請包括其內容作為參考。
可供選擇地，在注入填隙後的上述區域中填隙的濃度可以是這樣，即在冷卻時，上述區域含有某些附聚的填隙型缺陷，其中附聚的填隙型缺陷或者只是B型缺陷，或者是B型和A型缺陷。應該注意，上述區域甚至可以這樣冷卻，以便在不脫離本發明範圍情況下，最終的晶錠具有的附聚空位型本徵點缺陷量與在沒有矽自填隙流量熱致引入空位為主的區域情況下生產晶錠相比減少。然而，根據實際情況，優選的是最終的晶錠基本上沒有附聚的空位缺陷，而甚至更優選的是，晶錠基本上沒有附聚的空位型和填隙型缺陷二者，亦即基本上沒有附聚的本徵點缺陷。
一般，控制平均軸向溫度梯度G0可以主要是通過拉晶機的「熱區」設計，亦即製造加熱器的石墨(或其它材料)，隔熱，熱和輻射屏蔽，其中之一來達到。儘管設計細節可以根據拉晶機的牌號和型號改變，但一般，G0可以用該領域中目前已知的任何裝置控制，用於控制在熔體/固體界面處的熱傳遞，上述裝置包括反射器，輻射屏蔽，排氣管，光導管、及加熱器。一般，G0的徑向變化可以通過將這一裝置在圍繞一個晶體直徑範圍內定位熔體固體界面的上方減至最小。還可以通過調節裝置相對於熔體和晶體的位置來控制G0。這是或者通過調節裝置在熱區中的位置，或者通過調節熔體表面在熱區中的位置來完成的。此外，當應用加熱器時，還可以通過調節加到加熱器上的電力來控制G0。在一批次直拉法中，其中在該方法中熔體的體積用盡，可以採用這些方法的其中之一或全部。
拉速視晶體直徑和拉晶機設計二者而定。常規拉晶體法中的拉速用於200mm直徑的晶體通常是0.5mm/min-1.0mm/min，而用於300mm直徑的晶體通常是0.3mm/min-0.7mm/min。然而本發明能用高約0.8mm/min，約1mm/min，約1.5mm/min，約2mm/min及甚至高達的3mm/min或3mm/min以上的拉速。應該注意，高於3mm/min的拉速通常推動目前拉晶機設計的實用極限。然而，拉晶機可以設計成能使拉速超過上述那些拉速。結果，最優選的是拉晶機將設計成能使拉速儘可能快，只要它們最終形成單晶矽錠。
由於本發明優選的是利用高生長速率，該高生長速率可供空位為主的區域用並提供一種在晶錠固化之後和冷卻之前抑制空位濃度的方法，所以生長過程不僅可用於更大的生產率，而且還更耐用，並且允許比現有技術的方法有更多的方法可變性。例如，在晶錠生長過程中，G0可以隨各部件變成塗裝式而改變，並且不準確的拉速校準和直徑波動可以導致拉晶時的變化，它們全都可能隨晶錠變化而導致V/G0變化。同樣拉晶機部件的老化會造成在同一拉晶機中生長的晶體即使預定通過相同的生長條件晶體之間也有變化。因此，即使V/G0隨晶體長度變化而改變或因晶體不同而改變，按照本發明實施的的方法能夠在任何可以產生出以空位為初始主要本徵點缺陷的單晶矽的V/G0值上，始終如一地產生出基本上沒有附聚缺陷的矽錠。定義應該注意，如此處所用的，下列術語應具有規定的意思「附聚的本徵點缺陷」意思是指缺陷由(I)空位在其中附聚的反應或(ii)自填隙在其附聚的反應引起；「附聚的空位缺陷」意思是指由其中晶格空位附聚的反應所引起的附聚的空位點缺陷，一些例子包括D缺陷，流動圖形缺陷，柵氧化物完整性缺陷，晶體原生粒子缺陷，及晶體原生輕微點缺陷；「附聚的填隙缺陷」意思是指由其中矽自填隙原子附聚形成A缺陷(包括位錯環和網絡)和B缺陷的反應所引起的附聚的本徵點缺陷；「B缺陷」意思是指小於A缺陷並且如果經受如此處進一步說明的熱處理能夠溶解的附聚的填隙缺陷；「半徑」意思是指從一單晶矽樣品如晶片或者矽錠棒或板的中心軸線到周邊測得的距離；「基本上沒有附聚的本徵點缺陷」意思是指附聚的缺陷濃度小於這些缺陷的檢測限，上述檢測限目前約為104缺陷/cm3；「空位為主的」和「自填隙為主的」意思是指其中本徵點缺陷分別是空位或自填隙佔優勢的材料；及「附聚的本徵點缺陷目視檢測」及其變化，涉及在普通白熾燈或螢光燈光源，或任選的平行或其它增強光源下用肉眼檢測這些缺陷，而不用任何別的方法幫助缺陷檢測或產生缺陷放大的儀器如光學或紅外顯微鏡，X射線衍射，或雷射散射。附聚的缺陷檢測附聚的缺陷可以用許多不同的技術檢測。例如，流動圖形缺陷或D缺陷通常是通過在一種Secco腐蝕液中優先腐蝕單晶矽樣品30分鐘，和然後使樣品經受顯微鏡檢查來進行檢測(比如參見H.Yamagishi等的Semicond.Sci.Technol.7，A135(1992))。儘管標準方法用於檢測附聚的空位缺陷，但該方法也可以用於檢測A缺陷。當採用這種技術時，這些缺陷當存在時在樣品表面上表現為大的凹坑。
此外，附聚的本徵點缺陷可以通過用一種能在加熱時擴散到單晶矽基體中的金屬將這些缺陷染色進行目視檢測。具體地說，單晶矽樣品如晶片，棒或板可以通過首先用一種含有能給這些缺陷染色的金屬如硝酸銅濃溶液塗覆樣品的表面目視檢查這些缺陷是否存在。然後將塗覆的樣品加熱到約900℃和約1000℃之間的一個溫度保溫約5分鐘-約15分鐘，以便使金屬擴散進樣品中。然後將熱處理過的樣品冷卻至室溫，這樣使金屬成臨界過飽和並沉澱在樣品基體內存在缺陷的地點處。
冷卻之後，樣品首先經受無缺陷描繪圖形腐蝕，通過用光亮腐蝕液處理樣品8-12分鐘，以便除去表面殘留和沉澱物。典型的光亮腐蝕液包括約55％硝酸(按重量計70％溶解)，約20％氫氟酸(按重量計49％)，和約25％氫氯酸(濃溶液)。
然後將樣品用去離子水清洗，並通過將樣品浸入Secco或Wright腐蝕液或用上述腐蝕液處理樣品約35-約55分鐘經受一第二腐蝕步驟。典型的是，樣品用一種Secco腐蝕液進行腐蝕，上述Secco腐蝕液包括約1∶2的0.15M重鉻酸鉀和氫氟酸(按重量計49％溶液)。這個腐蝕步驟起顯露或描繪可能存的附聚的缺陷作用。
在這種「缺陷染色」法的一個可供選擇的實施例中，單晶矽樣品在施加含金屬的組成之前經受熱退火。通常，樣品加熱到約850℃-約950℃溫度範圍內保溫約3小時-約5小時。這個實施例在用於檢測B型矽自填隙附聚的缺陷場合特別好。在不掌握特定理論情況下，一般認為；這種熱處理起穩定和生長B缺陷作用，因此它們更容易染色和檢測。
附聚的空位缺陷也可以用雷射散射技術如雷射散射層析X射線照相術檢測，該技術通常具有比其它腐蝕技術低的缺陷密度檢測限。
一般，填隙為主和空位為主無附聚缺陷的材料的各區域可以用上述銅染色技術相互區別及與含附聚缺陷的材料區別開。無缺陷填隙為主的材料各個區域不含有用腐蝕顯露的染色特點，而無缺陷空位為主的材料(在如上述高溫氧核溶解之前)各個區域由於氧核銅染色而含有小的腐蝕坑。
鑑於上述情況，可以看出，本發明的幾個目的都達到了。因為在不脫離本發明範圍的情況可以進行各種改變，所以試圖把上述說明中所涉及的所有內容都看作是示例性的而沒有限制的意義。此外，當介紹本發明或其實施例的各元件時，冠詞「A」，「An」，「The」和「上述」打算意思是指有一個或一個以上元開素包含」，「包括」和「具有」打算是包括在內並且意思是指可以有所列元素之外的附加元素。
權利要求
1.一種製備矽單晶的方法，其中熔化的矽按照直拉法固化在一個晶體上，以便形成一個晶錠，該晶錠具有一個中心軸線，一個籽晶錐，一個端錐，一個在籽晶錐和端錐之間具有一側表面的恆定直徑部分，及一個從中心軸線延伸到側表面的半徑，該方法包括在恆定直徑部分內部形成一個區域，其中空位是主要的本徵點缺陷；將晶錠的側表面加熱到一個溫度，該溫度超過上述區域中的溫度，以便使矽自填隙原子從熱的表面向裡流入上述區域，這樣減少上述區域中的空位濃度；以及，使上述區域溫度在高於溫度TA下保溫，在上述區域形成和從側表面向內流入矽自填隙原子之間的這段時間裡，在上述溫度TA下發生空位點缺陷附聚成附聚的缺陷。
2.權利要求1所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
3.權利要求1所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
4.權利要求1所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠的恆定直徑部分長度的10％。
5.權利要求4所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
6.權利要求4所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
7.權利要求1所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠的恆定直徑部分長度的50％。
8.權利要求7所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
9.權利要求7所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
10.權利要求1所述的方法，其中晶錠的恆定直徑部分的至少約20％在側表面加熱使矽自填隙原子向裡流入之前形成。
11.權利要求10所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠的恆定直徑部分長度的10％。
12.權利要求11所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
13.權利要求11所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
14.權利要求1所述的方法，其中當在軸向方向上測量時，側表面的不大於晶錠恆定直徑部分軸向長度約25％的長度同時加熱到一個超過上述區域溫度的溫度，以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流入上述區域。
15.權利要求14所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠恆定直徑部分長度的50％。
16.權利要求15所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
17.權利要求15所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
18.權利要求1所述的方法，其中當在軸向方向上測量時，側表面不大於晶錠恆定直徑部分軸向長度約50％的長度同時加熱到一個超過上述區域溫度的溫度，以使矽自填隙原子從加熱的表面向裡流入上述區域。
19.權利要求1所述的方法，其中用一個加熱器來加熱側表面，加熱器環繞晶錠，並且當晶錠用直拉法生長時加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對地移動。
20.權利要求1所述的方法，其中用一個加熱器來加熱側表面，加熱器環繞晶錠，並且在晶錠已用直拉法生長和與熔體脫離之後，加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對地移動。
21.權利要求1所述的方法，其中上述表面加熱到一個高於1200℃但低於矽熔點的溫度。
22.權利要求1所述的方法，其中將上述表面加熱到一個至少約1300℃-約1375℃的溫度。
23.權利要求1所述的方法，其中在形成上述區域和流入矽自填隙原子之間的這段時間裡，上述區域的溫度保持在至少約1100℃或更高的溫度下。
24.權利要求1所述的方法，其中在形成上述區域和流入矽自填隙原子之間的這段時間裡，上述區域的溫度保持在至少約1150℃或更高的溫度下。
25.權利要求1所述的方法，其中在加熱步驟之後上述區域中的空位濃度不足以在上述區域中形成附聚的空位缺陷，與上述區域從它加熱步驟中的溫度到一不高於1000℃的溫度的冷卻速率無關。
26.權利要求1所述的方法，該方法還包括在低於發生本徵點缺陷附聚的溫度下冷卻上述區域一段時間，該時間足以防止在上述區域內形成附聚的本徵點缺陷。
27.權利要求1所述的方法，該方法還包括快速冷卻上述區域通過一個溫度範圍，在該溫度範圍下發生本徵點缺陷的附聚，上述區域是以至少約10℃/min的速率冷卻。
28.權利要求1所述的方法，其中流入矽自填隙原子足以使矽自填隙原子成為上述區域中主要的本徵點缺陷。
29.權利要求28所述的方法，其中在加熱步驟之後上述區域中矽自填隙原子的濃度不足以在上述區域中形成附聚的填隙型缺陷，這與上述區域從加熱步驟中的溫度到一不高於約850℃的溫度的冷卻速率無關。
30.權利要求28所述的方法，其中在加熱步驟之後上述區域中的矽自填隙原子的濃度不足以在上述區域中形成附聚的與B型缺陷不同的填隙型缺陷，這與上述區域從加熱步驟中的溫度到一不高於約850℃的溫度的冷卻速率無關。
31.權利要求28的方法，還包括將在低於發生本徵點缺陷的溫度下冷卻上述區域一段時間，該時間足以防止在上述區域內形成附聚的本徵點缺陷。
32.權利要求28所述的方法，該方法還包括快速冷卻上述區域通過一個溫度範圍，在該溫度範圍下發生本徵點缺陷的附聚，同時上述區域以至少約10℃/min的速率冷卻。
33.權利要求28所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
34.權利要求28所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
35.權利要求28所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠恆定直徑部分長度的10％。
36.權利要求35所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
37.權利要求35所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
38.權利要求28所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線對稱，並具有一軸向長度至少約為晶錠恆定直徑部分長度的50％。
39.權利要求38所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線旋轉，並具有一徑向寬度至少約為半徑的10％。
40.權利要求38所述的方法，其中上述區域繞晶錠的恆定直徑部分的軸線旋轉，並具有一徑向寬度至少約為半徑的50％。
41.權利要求28所述的方法，其中用一個加熱器來加熱側表面，加熱器環繞晶錠，並且在晶錠已用直拉法生長和與熔體脫離之後，加熱器和晶錠沿著晶錠的軸線彼此相對地移動。
42.權利要求28所述的方法，其中上述表面加熱一個高於1200℃但低於矽熔點的溫度。
43.權利要求28所述的方法，其中上述表面加熱到一個至少約1300℃-約1375℃的溫度。
全文摘要
本發明涉及一種用於生長單晶矽錠的方法，上述單晶矽錠含有一個基本上沒有附聚的本徵點缺陷的軸向上對稱的區域。上述方法包括(i)在恆定直徑部分內部形成一個其中空位是主要本徵點缺陷的區域；(ii)加熱晶錠的側表面以使矽自填隙原子從加熱的表面熱誘生向裡流入上述區域，這樣減少上述區域的空位濃度；及(iii)使上述區域在高於溫度T
文檔編號C30B15/14GK1473213SQ01818313
公開日2004年2月4日 申請日期2001年10月22日 優先權日2000年11月3日
發明者R·J·法爾斯特, V·沃龍科夫, R J 法爾斯特, 品 申請人:Memc電子材料有限公司