[发明专利]生长富空位单晶硅的热屏蔽组件和方法

说明书

发明背景

本发明在总体上涉及用于制造电子元件的半导体级单晶硅的生产，更具体地说，涉及用于这种半导体材料生长的热屏蔽组件。

单晶硅是用于大多数制造半导体电子元件方法的原材料，它通常用所谓的直拉(“Cz”)法制备。单晶硅的生长最普遍是在拉晶炉中进行。在这种方法中，将多单硅装到坩埚中并熔化，使籽晶与熔化的硅接触，并用慢引出法生长单晶。在收颈完全后，通过降低提拉速率和/或熔体温度来增大单晶的直径，直至达到理想的或目标直径时为止。然后通过控制提拉速率和熔体温度，同时补偿不断下降的熔体液面，生长出圆柱形的单晶主体，则该圆柱形单晶主体具有近似恒定的直径。长生过程接近结束，但在坩埚排空熔化了的硅之前，单晶的直径必须逐渐减小，以便形成一个端部锥体。典型的是，通过增加拉晶速率和供给坩埚的热量，来形成端部锥体。当直径变得足够小时，才将单晶与熔体分开。

尽管常用的直拉生长法对生长在各种应用中有用的单晶硅已经令人满意，但还希望进一步改善半导体材料的质量。当减小在半导体材料上形成的集成电路线宽度时，单晶中缺陷的存在有很大关系。当单晶在固化之后冷却时，单晶硅中的许多缺陷在单晶生长室中形成。这些缺陷产生部分是由于存在过量的(亦即浓度超过溶解度限)本征点缺陷，这些点缺陷被称之为空位和自填隙。空位，正如它们的名字所暗示的，是由晶格中硅原子不存在或“空缺”造成的。自填隙由晶格中存在过量硅原子产生的。两种缺陷都对半导体材料的质量产生不利的影响。

由熔体生长的硅单晶一般是在与过量的一类或另一类点缺陷(或是晶格空位，或者硅自填隙)一起生长。应该理解，硅中的这些点缺陷类型和起始浓度在固化时是固定的，它们受v/Go比值控制，此处v是生长速度，而Go是固化时单晶中的瞬时轴向温度梯度。当v/Go值超过临界值时，空位的浓度增加。同样，当v/Go值降到低于临界值时，自填隙的浓度增加。尽管两种缺陷形式都不理想，但产生绝大多数空位的生长情况一般被半导体工业优选。

已知通过控制v/Go来生长晶格(其中晶格空位是主要的本征点缺陷)，及通过在拉晶过程中改变(一般是，通过慢化)硅锭料从约1100℃到1050℃的冷却速率，降低聚集的缺陷成核速率，来降低本征点缺陷的数量密度。处理聚集的本征点缺陷问题的另一种途径包括一些方法，这些方法集中在聚集的本征点缺陷形成之后取消或清除这些缺陷上。通常，这是通过采用对片状硅进行高温热处理来实现的。例如，Fusegawa等人在欧洲专利申请503,816A1中提出，以超过0.8mm/min的生长速率来生长硅锭料，并在1150℃-1280℃的温度范围内对由锭料切成的硅片进行热处理，以便消除在单晶生长过程中形成的缺陷。这类热处理业已表明，减少了靠近硅片表面的一薄层区域里的缺陷密度。所必需的特殊处理将随硅片中聚集的本征点缺陷的浓度和位置而变。一种这类缺陷没有均匀的轴向浓度的硅单晶，由其切出的不同硅片可能要求不同的后生长处理条件。此外，这类硅片热处理成本较高，有可能将金属杂质引入硅片，并且不是对所有与单晶有关的缺陷类型普遍有效。

处理聚集的本征点缺陷问题还有另一个途径，它是在单晶硅片表面上外延淀积一薄层晶体硅。这种方法提供一种单晶硅片，该单晶硅片具有基本上没有聚集的本征点缺陷的表面。然而，外延淀积显著增加了硅片的生产成本。

为了有利于绝大多数空位缺陷，并避免在单晶中存在径向空位/自填隙边界环，控制使v/Go尽可能高。增加v/Go比值的一种方法是增加单晶的拉晶速率(生长速度)。然而，例如单晶的直径控制限制了提拉速率的量等另一些因素可能增加。解决该问题的另一种方法是减小单晶中的热梯度Go。在那方面，可以在坩埚内部设置一个热屏蔽，该热屏蔽通过形成局部热腔，保存液-气-固界面处的热量，该热量从自由的熔体表面损耗。这样，使界面处的瞬时轴向热梯度(Go)减小，从而增加了v/Go比。然而，将其固定在拉晶炉中的这种类型热屏蔽妨碍坩埚，使它在熔化之前难以将新的半导体原材料装进坩埚。尽管可以将热屏蔽移开，但不容易重新放上该热屏蔽，因为原材料的熔化一旦开始，炉子必须保持基本上密封。此外，许多常用的拉晶炉在单晶生长室中的空间如此之小，以致在该室中安装固定的热屏蔽是不实际的。