[发明专利]切克劳斯基法生长硅的温度和时间关系的控制方法

说明书

本申请是申请日为96年8月8日，申请号为08/694157的美国专利申请的继续申请。

本发明一般涉及用切克劳斯基(Czochralski)法制备单晶硅。特别涉及生长晶体的温度和时间关系的控制方法。

通常用所谓的切克劳斯基法制造作为大多数半导体电子元件制造方法中所使用的起始材料的单晶硅。该方法中，把多晶硅(“ polysilicon”)加入坩埚中使其熔化，使籽晶与熔融硅接触，并缓慢提拉生长单晶。随着开始晶体生长，由于籽晶与熔融硅接触的热冲击而在晶体中产生位错。如果在籽晶与晶体主体之间的颈区不能消除位错，位错会扩散到整个生长的晶体并变大。

消除了颈区中的位错之后，可用降低提拉速率和/或降低熔化温度来使晶体直径变大，直到达到所规定的直径为止。然后，控制提拉速度和熔化温度，同时补偿熔融高度的降低，以生长直径几乎恒定不变的圆柱形晶体主体。晶体主体生长中，典型的提拉速度为0.40mm/分钟至1.50mm/分钟。

生长接近结束，但坩埚内的熔硅用完之前，为了使引起晶体尾端滑移位错的热冲击减至最小，晶体直径必须逐渐减小而形成尾锥。形成尾锥的典型方法是增加晶体提拉速度并给坩埚加热。当直径变得足够小时，晶体可以与熔融体分开而不产生位错。晶体脱离熔融硅时，晶体提拉速度通常约为晶体主体生长中的提拉速度的7倍。

近年来，证实晶体固化后的冷却过程中，在晶体生长室中在单晶硅中形成大量缺陷，而且，这些缺陷的形成与晶体冷却速度有关。不同的冷却速度引起不同的缺陷浓度。由于缺陷严重影响复杂的高集成电路的制造中材料潜在的合格率，因此，这些缺陷和整个晶体中的这些缺陷的均匀性对电子器件的制造变得越来越重要。

已提出一种缺陷形成后消除它的解决方法。这种缺陷的减少主要依赖于对晶片形式的硅进行高温热处理来实现。具体的处理将根据晶体中缺陷的浓度和位置而变化。每个从没有均匀的轴向缺陷浓度的晶体上切割出的不同晶片都要进行不同的后续生长处理。但是，该解决方法价格较贵，并容易把金属杂质引入晶体中。此外，这种方法对所有的晶体有关缺陷并不都有效，特别是对晶体尾端中的缺陷消除不起作用。

提出了另一解决方法，用干扰缺陷成核速度来减小晶体生长中的缺陷密度。例如，美国专利5248378中Oda等人提出，采用在生长室内的热绝缘体(或用加热器)，以便在1150℃的高温范围内用更长的滞留时间来生长晶体，以减少缺陷，提高氧化膜介质的击穿强度。但是，这种方法，要求改进生长室，这些改进也可能是拉单晶机中的污染源。

另一些人提出降低生长晶体直径不变部分的提拉速度，使提拉速度在0.4mm/分钟以下。但是，由于提拉速度较慢，会使每个拉单晶机的生产量减小，因此，这种建议也不完全令人满意。

本发明的几个目的和特征中是要提供控制单晶硅的温度与时间关系的方法；提供控制单晶硅中的缺陷均匀性的方法，单晶硅中的主要内部点缺陷最好是空穴；提供不要求对晶片形式的硅进行高温热处理或不要求进行不同的高温热处理的工艺；提供不需明显地改进拉单晶设备的制造方法；提供降低单晶主体生长中的提拉速度而不明显减少产出的方法；提供能控制单晶机中晶体冷却速度以改善晶体主体的温度随时间变化均匀性的方法；并提供能控制晶体在拉单晶机中在大约950℃以上的高温下的滞留时间以改善晶体主体的温度随时间变化均匀性的方法。

因此，简而言之，本发明涉及按切克劳斯基晶体生长法制造有均匀的温度随时间变化的单晶硅的方法。本方法中，不仅在晶体主体生长过程中，而且在晶体尾锥生长中，按较恒定的速度用熔融硅拉制硅单晶。例如，用(i)降低晶体尾锥生长中坩埚和晶体的旋转速度相对于晶体主体生长中坩埚和晶体的旋转速率；和/或(ii)与尾锥生长中供给的常规功率相比，在尾锥生长中，增大供给加热熔融硅所用加热器的功率以获得较恒定速度。无论是单独或组合使用这些方法均可获得对这些参数的附加调节。

本发明还涉及控制切克劳斯基晶体生长法生长的晶体中的缺陷形成和缺陷均匀性的方法，特别是控制晶体中流网缺陷和氧沉淀的方法。该控制方法中，控制晶体提拉速度以使基本上整个主体在950℃到1100℃的温度范围内保持较均匀的滞留时间和冷却速度。这些因素可以通过例如使尾锥生长过程中的晶体提拉平均速度值保持接近晶体主体生长中用的晶体提拉平均速度的方法来控制。

本发明的其它目的和特征将随着下面的详细描述而更清楚。

图1是按本发明实例的克劳斯基晶体生长设备的剖面示意图；