[发明专利]容许工艺条件变动而制备无缺陷硅晶体的工艺

说明书

发明背景

本发明一般地涉及用于制造电子组件的半导体级单晶硅的制备。特别具体地说，本发明涉及一个生产单晶硅锭的工艺，其中该硅锭的恒定直径部分的至少一段基本上缺少团聚本征点缺陷，其V/Go容许随该段的长度而变动，办法是控制该段冷却到团聚本征点缺陷不会形成的温度。

制造半导体电子组件的大多数工艺所用起始材料单晶硅，普通地是用所谓左克拉斯基(“CZ”)方法制备。在这个方法中，多晶硅(“polysilicon”)被装进坩锅里熔化，籽晶拿来跟熔硅接触，而后通过缓慢淬取来生长单晶。在晶颈的形成完成后，晶体的直径通过减低拉制速率和/或熔体温度而增大，直到达成预期直径或目标直径。具有一近似恒定直径的晶体圆柱形主体而后通过控制拉制速率和熔体温度以补偿渐减的熔体水平面而生长。在生长工艺的末尾但在熔硅在坩锅里完却之前，晶体直径必须渐渐减少而形成一个尾晶锥。典型地，尾晶锥是通过增大晶体拉制速率和向坩锅供给热量而形成。当直径变成足够小时，那么，晶体就从熔体分离开来。

在近些年里，我们已经认定：随着晶体固化后冷却，在晶体生长舱里，许多缺陷在单晶硅里形成。这样些缺陷部分地是由于在晶格里存在过量(即高于溶解度极限的浓度)的本征点缺陷，它们是空位和自填隙原子。从熔体生长的硅单晶典型地生长出来过量的这一种或那一种类型的点缺陷，或者是晶格空位(“V”)，或者是硅自填隙原子(“I”)。

空位型缺陷被认定为这样些可以观察到的晶体缺陷如D-缺陷、流图缺陷FPDS、栅氧化物整体GOI缺陷、晶体源粒子COP缺陷、晶体源光点缺陷CPDs以及某些等级和种类的体缺陷，它们是通过红外光扫描技术如扫描红外显微照相和激光扫描层析而观察到的。在过量空位区域还出现有起着环氧化导致的堆垛层错(OISF)核作用的缺陷。我们认定：这个特殊缺陷是由出现过量空位催化而成的一种高温核化氧团聚物。

有关自填隙原子的缺陷研究较差。它们一般被看成是低密度的填隙型位错环线或网络，这样些缺陷不是作为晶片性能重要标准的栅氧化物整体失效的缘由，但人们广泛地认为它们是通常跟当前漏电问题相关联的其它类型器件失效的原因。

我们相信：硅内这些点缺陷的类型和初始浓度取决于硅锭从固化温度，即约1410℃，冷却到大于约1300℃。那就是，这些缺陷的类型和初始浓度是由V/Go比控制的，这里V是生长速度而Go是在这个温度范围内的平均轴向温度梯度。参见图1，在V/Go值增大的时候，一个从渐减自填隙原子为主的生长到渐增空位为主的生长的跃迁或过渡在V/Go靠近临界值的时候发生，这个临界值，根据当前已有信息，看来是约2.1×10^-5cm²/sk，其中Go是在上面界定的温度范围之内轴向温度梯度恒定的诸条件下测定的。在这个临界值，这些本征点缺陷的诸浓度是平衡的。然而，随着V/Go值超过这个临界值，空位的浓度增加。同样，随着V/Go降至这个临界值以下，自填隙原子的浓度增加。如果空位或自填隙原子的浓度达到系统中临界超饱和程度，且如果点缺陷的迁移率足够高，一个反应或一个团聚现象就可能将发生。在传统左克拉斯基型生长条件下，空位和自填隙原子团聚缺陷的密度典型地是在约1×10³/cm³到约1×10⁷/cm³范围之内。一方面这些值是相对地低，一方面，这些团聚本征点缺陷对器件制造厂家的重要性却迅疾地在增长，且事实上现在被看成是制造复杂电路和高度集成电路中限制成品率的因素。

防止团聚本征点缺陷的形成可以通过控制生长速率V和平均轴向温度梯度Go而达成，这样V/Go比被保持在靠近V/Go临界值的一个非常狭窄的范围值之内(见如图1，一般以范围X表示)，从而保证了：自填隙原子或空位的初始浓度不超过在其发生团聚的某临界浓度。然而，如果单独依靠V/Go的控制去防止形成团聚本征点缺陷，那就必须满足严格工艺控制要求和晶体拉制器设计要求方能保持V/Go值在这个狭窄范围之内。

保持V/Go值在一个狭窄范围之内由于许多理由不是防止团聚本征点缺陷形成的商业性最实用途径。例如，为了保持硅锭直径恒定，我们时常在生长工艺过程期间变换拉制速率。可是，变换拉制速率产生V的种种变化从而影响V/Go使之在硅锭的全长度上轴向变动。类似地，Go的变化也可以由于其它工艺参数方面的变化而发生。再者，我们应该注意到：由于热区组件的老化或由于热区的内侧例如变得被二氧化硅所被覆，Go时常随着时间而变化。