[发明专利]用于单晶硅连续生长的系统

说明书

本申请是申请日为2005年2月25日、申请号为200580006256.2、发明名称为“用于单晶硅连续生长的系统”(PCT/US2005/006058，进入国家阶段日期2006年8月28日)之申请的分案申请。

技术领域

相关申请

本专利申请要求享有在2004年2月27日提交的美国专利申请No.10/789,638的权益。

本发明领域一般涉及通过Czochralski(CZ)技术生长硅晶体。具体地，本发明领域涉及基于Czochralski法改进的连续和快速生长超纯、高少数载流子寿命单晶硅的系统和方法。

背景技术

参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。这些晶体可以通过Czochralski(CZ)技术或浮区(FZ)法形成。

参考图1A和1B，在常规的CZ技术中，多晶硅片首先在生长室102内部的熔融石英坩埚100中在刚好高于硅的熔点1412℃的温度下在惰性气氛(通常为氩)中熔融。然后将具有所需晶体取向的高质量籽晶101通过提拉室106下降到熔体122中同时旋转。坩埚100同时反方向旋转，以促使熔体中的混合和使温度不均匀最小化。部分籽晶溶解到熔融硅中，以去除被玷污(strained)的外部以及暴露新的晶体表面。然后通过晶体提拉机构108从熔体122缓慢抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。

然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。

发明内容

技术问题

当利用布置在坩埚垂直壁周围的加热器元件在典型窄直径、高宽度、高长宽比坩埚100中加热熔融硅122的高温装料(charge)时，在常规CZ方法中出现了问题。驱使热通过坩埚壁以加热装料在坩埚上产生应力并且缩短其使用寿命。在每一个生长循环之后，残留在坩埚底部的熔融硅固化并且扩张到一定程度，以致可以使坩埚破裂。因此，在常规CZ方法中，坩埚通常是一次性使用的制品。

硅必须持续加热以在坩埚中保持熔融。因此，参考图1B，在具有围绕坩埚垂直壁布置的加热器118的常规高长宽比、窄直径CZ坩埚100中，贯穿熔体的温度分布的特征在于，在坩埚的热壁和如109所示熔体/晶体界面处的固化区中晶体中心最冷点之间存在高的热梯度和大的温度差。因此，横跨熔体/晶体界面处的固化区存在明显的径向温度梯度以及对流速度梯度，并且邻接壁的区域被加热到所不希望的高温并附带有过高的对流速度以及热扰动。这种条件对高质量无缺陷晶体的最大提拉速度而言不是最佳的。为了以更快的速度生长更高质量的硅，需要不同的坩埚以及加热器设计，以在熔体/晶体界面107处的固化区中提供具有最小化的热梯度和对流速度梯度的均匀温度分布。

常规CZ生长的硅与理想的单晶硅不同，这是由于它包括在制作集成电路器件或高转换效率太阳能电池中所不希望的缺点或缺陷。在固化之后晶体冷却时，在晶体生长室中形成单晶硅中的缺陷。缺陷通常分为点缺陷或团聚体(三维缺陷)。点缺陷有两大类型：空位点缺陷和填隙点缺陷。

在空位点缺陷中，硅晶格中硅原子从它的一个正常位置上缺失。这种空位产生点缺陷。