單晶硅生長氧含量控制技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】 [0001] 本發(fā)明設(shè)及一種低氧含量單晶娃的生長技術(shù)，具體設(shè)及娃烙融液中氧含量的控制，特 別設(shè)及采用高頻振蕩技術(shù)，對(duì)娃烙融液進(jìn)行振蕩，降低氧在娃烙融液中的溶解度。
【背景技術(shù)】 [0002] 在單晶娃的制造工藝中，最常使用的是直拉法(Czoc虹alski，縮與CZ)，在直拉法中，多 晶娃是填充在石英玻璃相蝸(也稱石英相蝸）中，然后加熱烙融形成娃烙液，在娃烙液中浸 入巧晶后向上旋轉(zhuǎn)提拉，娃在巧晶與烙溶液的界面處凝固結(jié)晶，形成單晶娃棒(錠）。
[0003] 氧是CZ法娃單晶中含量最高，行為最復(fù)雜的一種雜質(zhì)，其含量可高達(dá)3 X l〇w/cm3。 氧是娃單晶研究最多的元素，對(duì)其含量的控制，一直是娃材料領(lǐng)域中重要的研究課題之一。 在娃單晶生長過程中娃與盛娃的石英相蝸發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化娃進(jìn)入烙體，是娃中氧的 主要來源。石英相蝸的溶解速度主要與溫度，爐室內(nèi)壓力，石英相蝸表面狀態(tài)，相蝸/烙體界 面上的邊界層厚度等因素有關(guān)。溫度越高，壓力越低、表面粗糖越大，相蝸的溶解速度越快。 根據(jù)CHA肥L和YARK邸給出的測(cè)試數(shù)據(jù)，石英相蝸的溶解速度為1.5mg/cm 2h。溶解于娃烙融 液中的氧在石英相蝸中存在Ξ個(gè)濃度梯度分布，即Ξ個(gè)邊界層:分別為石英相蝸與烙體界 面的邊界層，是高氧區(qū)。氧通過烙體的自然熱對(duì)流進(jìn)入烙體內(nèi)部。二是晶體與烙體界面的邊 界區(qū)，是中氧區(qū)。氧通過自然熱對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流通過邊界層進(jìn)入到晶體中。Ξ是烙體與氣體 界面邊界層，是貧氧區(qū)。氧通過邊界層揮發(fā)。約99%W上的氧從烙體表面揮發(fā)到爐室內(nèi)，僅小 部分的氧進(jìn)入晶體中?？梢?，氧滲入晶體的濃度，取決于Ξ個(gè)擴(kuò)散邊界層和Ξ個(gè)界面的面 積。邊界層厚度取決于烙體熱對(duì)流，而界面面積取決于裝料量和相蝸尺寸與形狀W及晶體 的直徑。等。其中相蝸和烙體的界面面積與烙體自由表面積之比是決定進(jìn)入晶體中氧含量 的重要因素。在晶體生長過程中，隨著晶體的生長，重量不斷增加，而相蝸內(nèi)的烙體重量隨 之減少。所W氧在晶體中的分布是不均勻的，一般為晶體頭部含量高，尾部含量低。晶體中 屯、部位含量高，邊緣部位含量低。
[0004] 氧在娃晶格中處于間隙位置，對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，增加晶體的機(jī)械強(qiáng)度，避免娃片 在器件熱處理工藝過程中發(fā)生形變。娃單晶中高含量的氧處于過飽和狀態(tài)，在適當(dāng)?shù)臏囟?下會(huì)脫溶并W氧與娃形成絡(luò)合體的形式發(fā)生沉淀。氧與娃形成的絡(luò)合物十分復(fù)雜，在不同 溫度下形式各異，對(duì)娃單晶性能影響也不相同。氧的沉淀可被用來形成可控制的晶格缺陷， 用來誘生層錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)，對(duì)金屬雜質(zhì)和過飽點(diǎn)缺陷進(jìn)行本征吸除，在拋光片表面形成潔凈 區(qū)。氧沉淀在450°C溫度下形成熱施主，其濃度最高可達(dá)達(dá)5Xl〇i 5/cm3。影響輕滲娃單晶電 阻的真實(shí)性，使P型電阻率升高，N型電阻率降低，故輕滲娃單晶片需要在650°C溫度下進(jìn)行 熱處理，W消除熱施主的影響。氧沉淀誘生的缺陷對(duì)集成電路的成品率產(chǎn)生不利的影響。特 別是隨著集成電路的發(fā)展，集成度不斷提高，線寬不斷縮小，運(yùn)種影響更為突出。
[0005] 傳統(tǒng)的控制氧含量，主要是在單晶生長工藝中進(jìn)行控制。包括小的加料量，對(duì)于已 給定尺寸的相蝸，小的加料量將得到氧含量低，小的加料量需要的加熱功率低，且容積比變 小，與相蝸的接觸面積小，烙體中氧的溶解量相對(duì)小。小的加料量烙體的熱對(duì)流減弱。運(yùn)使 氧濃度向烙體中屯、部位的傳遞將發(fā)生改變，即由對(duì)流機(jī)制向擴(kuò)散機(jī)制轉(zhuǎn)變。氧的傳遞速度 降低，氧可W得到充分的揮發(fā)，使烙體中的氧濃度降低，從而晶體中氧濃度降低?？刂贫嗑?娃烙化溫度，降低娃烙化時(shí)的溫度，可W降低石英相蝸的溶解速度，從而降低娃烙液中的氧 含量。增加烙體穩(wěn)定時(shí)間，長時(shí)間的穩(wěn)定可W使近95%的氧W-氧化娃的形式從烙體自由表 面揮發(fā)出來，形成一個(gè)平衡點(diǎn)。采用熱反射罩，或稱熱屏，降低實(shí)際的熱功率，同時(shí)由于熱屏 可W幫助冷卻晶體，可使相蝸設(shè)定在較高的起始位置，加快烙體表面的Ar氣流速，加速一氧 化娃從烙體表面揮發(fā)，降低晶體中的氧含量?？刂凭w的生長速度，氧濃度與生長速度的變 化不是一個(gè)線性關(guān)系。在小直徑晶體(3英寸或4英寸)情況下，拉速在3.54英寸至4.72英寸/ 小時(shí)范圍內(nèi)生長的娃單晶是高氧的。因此生長大直徑單晶娃棒是的速度一般低于3.54英 寸/小時(shí)。降低爐內(nèi)氣體壓力，低壓有利于使一氧化娃有效地從烙體自由表面揮發(fā)，從而使 烙體中的氧濃度降低，因此晶體中的氧濃度也隨著降低。相蝸轉(zhuǎn)速對(duì)晶體中氧含量有較大 的影響，增加相蝸轉(zhuǎn)速會(huì)加快相蝸的溶解速度，從而使烙體中的氧含量增加。值得注意的 是，晶錠尾部的氧含量通常較高，運(yùn)是由于相蝸中剩余的烙料不斷減少，相蝸處于很高的位 置且加熱功率很高，相蝸具有很高的溶解速度。當(dāng)晶體生長逐漸蓋住烙體大部分表面，自由 表面的減少引起氧從烙體表面揮發(fā)速度降低，從而增加了烙體中氧濃度。但是同時(shí)相蝸中 烙體量很少，相蝸也烙體的接觸面積小，溶解的量也減少，運(yùn)些因素合在一起引起的效果是 氧含量很高，傳統(tǒng)技術(shù)尚示徹底解決的辦法。增加相蝸直徑尺寸，對(duì)于給定的加料量和晶體 尺寸，大的相蝸尺寸具有較大的有效揮發(fā)自身表面，同時(shí)由于容積比小，熱對(duì)流也小，氧的 傳遞速度也較低。理想的情況是，相蝸直徑和晶體直徑比為3:1或者更大。晶體轉(zhuǎn)速，晶體轉(zhuǎn) 速不能有效的影響晶體的氧含量，但是對(duì)于晶體中氧的分布均勻性有著重要的影響。晶體 的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)烙體從中心流向生長界面，其徑向均勻增加。通常用ORG表示，要求ORG< 5%，但 是晶轉(zhuǎn)受到相蝸尺寸、晶體尺寸、晶向，液面位置，生長速度等多種因素的影響，但是晶轉(zhuǎn)加 快將會(huì)出現(xiàn)晶轉(zhuǎn)和蝸轉(zhuǎn)的交會(huì)點(diǎn)，引起晶體晶面寬度變大，外形不規(guī)則，圓度變差，同時(shí)烙 體的冷卻會(huì)加快，嚴(yán)重時(shí)烙體會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，甚至晶體會(huì)從烙體中脫離。如上所述，利用改變 單晶生長工藝，對(duì)生長單晶中氧含量的控制雖然有一定的效果，但是控制的幅度不大，僅能 控制在幾個(gè)ppm范圍內(nèi)。另一種控制氧含量的方法為磁場拉晶法，在水平磁場、垂直磁場或 水平和垂直結(jié)合的磁場作用下的拉晶技術(shù)，抑制烙體的流動(dòng)速度和波動(dòng)，從而烙體表面穩(wěn) 定、溫度波動(dòng)小，可獲得4ppm的氧控制范圍。但是磁場拉晶的不足之處是設(shè)備投資巨大，電 能消耗大，難W獲得高的磁場強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種單晶娃生長氧含量控制技術(shù)，具體設(shè)及在拉晶過程中 在相蝸壁附近的娃烙體中引入一個(gè)振蕩波，通過振蕩降低烙體中氧的溶解度，同時(shí)促使烙 體在相蝸壁與烙體的界面產(chǎn)生加速流動(dòng)，促使溶解氧快速擴(kuò)散到自由表面而揮發(fā)。從而達(dá) 到控制娃單晶中氧濃度的作用。
[0007] 為了達(dá)到W上的目的，本發(fā)明工藝技術(shù)是通過W下方法來實(shí)現(xiàn):在石英相蝸底部 采用一個(gè)與相蝸外徑相同的環(huán)形振蕩源，振蕩源產(chǎn)生一個(gè)縱向正弦振蕩波，從相蝸的底部 傳入到烙體中，傳播方向?yàn)榇怪毕蛏系闹本€傳播。振蕩波傳輸?shù)较辔伇诟浇蘩芋w中，對(duì)娃 烙體產(chǎn)生空化作用、攬拌作用和縱向流動(dòng)作用，在相蝸壁附近區(qū)域形成向上的流動(dòng)，加速高 濃度區(qū)的氧向烙體自由表面流動(dòng)，同時(shí)降低烙體中的S i -0氣體的溶解度，促進(jìn)Si -0在烙體 表面的揮發(fā)。從而達(dá)到控制娃單晶中氧濃度的作用。
[0008] 石英相蝸底部振蕩源的特征在于振蕩波輸入為環(huán)形的振蕩波輸入環(huán)，輸入環(huán)的上 表面形狀與相蝸的形狀相同，確保振蕩波輸入環(huán)與相蝸緊密接觸，振蕩波充分輸入到烙體 中。環(huán)的外徑與相蝸的直徑相同，其寬度d的特征為： (1)
式中，為相蝸旋轉(zhuǎn)速度，。為相蝸的半徑，rsi為單晶娃的半徑，Vk是娃烙體的粘度。
[0009] 振蕩波主要作用在相蝸壁的外圍區(qū)域，對(duì)相蝸壁周圍的烙體產(chǎn)生空化、攬拌和向 上的流動(dòng)作用。振蕩波空化作用促使