專利名稱：生產(chǎn)包括硅的半導(dǎo)體晶圓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)包括硅的半導(dǎo)體晶圓的方法，包括從在坩堝中加熱的熔融物拉出籽晶的單晶體；向坩堝底部的中心供應(yīng)熱量；以及從拉出的單晶體切片半導(dǎo)體晶圓。
背景技術(shù)：
坩堝通常包括含有二氧化硅(例如，石英)的材料。其通常填充有由多晶硅構(gòu)成的塊體和/或微粒，所述多晶硅借助于圍繞坩堝設(shè)置的側(cè)面加熱器而熔化。在熔融物(melt) 的熱穩(wěn)定階段之后，多晶硅籽晶浸入到熔融物中并且升高。在該情形中，硅在籽晶被熔融物濕化的那端結(jié)晶。結(jié)晶率大致受籽晶升高的速度(晶體提升速度)以及熔融硅結(jié)晶的界面處的溫度影響。通過合適控制這些參數(shù)，首先稱為細頸部的區(qū)段被拉出，以便消除變位，接著是單晶體的圓錐形區(qū)段，且最后是單晶體的圓柱體狀區(qū)段，半導(dǎo)體晶圓從該圓柱體狀區(qū)段大致切片。坩堝材料中的釋放氣態(tài)內(nèi)含物、圍繞塊體和/或微粒的氣體、在熔融物中出現(xiàn)的二氧化硅以及擴散到熔融物中的氣體被認為是在單晶體中出現(xiàn)空隙(稱為針孔缺陷)的可能原因。在小氣泡傳送到生長的單晶體與熔融物之間的界面時以及在單晶體圍繞氣泡結(jié)晶時可能出現(xiàn)空隙。如果在切片半導(dǎo)體晶圓的工藝期間分離平面與針孔缺陷相交，那么得到的半導(dǎo)體晶圓具有圓形凹陷或孔，該圓形凹陷或孔的直徑通常在從數(shù)個微米至高達數(shù)個毫米。在其中出現(xiàn)這種針孔缺陷的半導(dǎo)體晶圓不能被用作用于生產(chǎn)電子部件的基底晶圓。因此，已經(jīng)公布了針對可能抑制這種針孔缺陷形成的許多建議。這些建議中的許多聚焦于改進坩堝材料的屬性。然而，在該方面改進的坩堝是更為昂貴的或者帶來其它缺陷，例如坩堝釋放物質(zhì)，該物質(zhì)導(dǎo)致在單晶體中形成變位。其它建議集中在塊體和/或微粒熔融階段期間抑制或消除小氣泡。例如，因而US 2008/0011222 Al提出將側(cè)面加熱器的加熱功率首先集中在坩堝的側(cè)表面、并隨后集中到坩堝的底表面上。這些措施的缺點在于，它們不再影響小氣泡的出現(xiàn)并且小氣泡到界面的運動只要生長單晶體就開始。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種方法，所述方法包括應(yīng)對在單晶體中形成針孔缺陷的至少一種措施，所述方法在拉出單晶體的工藝期間是有效的。該目的是通過一種用于生產(chǎn)包括硅的半導(dǎo)體晶圓的方法來實現(xiàn)的，所述方法包括從在坩堝中加熱的熔融物拉出籽晶的單晶體；向坩堝底部的中心供應(yīng)熱量，其中加熱功率在被拉出的單晶體的圓柱體狀區(qū)段的進程中增加至少一次達到不小于2kW并接著再次下降；以及從拉出的單晶體切條半導(dǎo)體晶圓。
發(fā)明人確定，當在拉出單晶體的圓柱體狀區(qū)段的工藝期間在坩堝底部的區(qū)域中的溫度場變化至少一次時，由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體晶圓的針孔缺陷的頻率明顯降低，所述溫度場變化使得坩堝底部中的最高溫度從在坩堝底部的邊緣處的位置遷移遠至坩堝底部的中心。 被認為的是在該進程中，附連到坩堝底部內(nèi)壁的小氣泡由對流驅(qū)動的熔融物流遣走，所述熔融物流將其運輸遠至熔融物的自由表面，所述自由表面不被坩堝和生長單晶體覆蓋。由此，小氣泡可離開熔融物而不會傳送到生長單晶體和熔融物之間的界面。溫度場的變化優(yōu)選地受加熱裝置(坩堝底部加熱器)影響，所述加熱裝置鄰近于坩堝底部并且可與坩堝被提升和下降。為此目的，坩堝底部加熱器的加熱功率增加至少一次至不小于2kW、優(yōu)選地在2-5kW，并接著再次下降。加熱功率優(yōu)選地從OkW增加至少一次至2-5kW，并接著再次下降至OkW。加熱功率小于2kW的增加對于避免針孔缺陷具有小量影響，且增加至大于5kW使得坩堝經(jīng)受熱應(yīng)力到不恰當?shù)某潭?，并且可觸發(fā)在單晶體中形成變位。坩堝底部加熱器的加熱功率優(yōu)選地在一定時間段內(nèi)以斜坡的方式增加，所述一定時間段不短于90分鐘且不長于900分鐘。在該情形中，單晶體從熔融物被拉離的速率優(yōu)選地在0. 3至0. 8mm/分、尤其優(yōu)選地在0. 45-0. 65mm/分。斜坡包括具有優(yōu)選線性升高坩堝底部加熱器的加熱功率的區(qū)段；合適的話，具有坩堝底部加熱器的恒定加熱功率的區(qū)段； 以及具有坩堝底部加熱器的下降加熱功率的區(qū)段。具有恒定加熱功率的區(qū)段優(yōu)選地在0-90 分的時間段內(nèi)延伸。包括1-10個這種斜坡的加熱功率曲線是尤其優(yōu)選的。此外，通過一系列其它措施的支持，優(yōu)選的是將小氣泡運輸?shù)饺廴谖锏淖杂杀砻妗?優(yōu)選措施包括將熔融物暴露于水平磁場或CUSP磁場的作用下，其中在坩堝底部的邊緣處磁通量密度不小于50mT。坩堝底部的邊緣是從坩堝的圓柱體狀側(cè)壁過渡至坩堝底部的部位。尤其優(yōu)選的是，將熔融物暴露于CUSP磁場的作用下，所述CUSP磁場的中間表面在距熔融物的自由表面平面不小于90mm的距離處與單晶體的中心縱向軸線相交。優(yōu)選措施還包括以不大于3轉(zhuǎn)每分、優(yōu)選地以1-2轉(zhuǎn)每分的速度旋轉(zhuǎn)坩堝，以及以不小于6轉(zhuǎn)每分、優(yōu)選地以6-12轉(zhuǎn)每分的速度旋轉(zhuǎn)單晶體。坩堝和單晶體以相同方向或相反方向旋轉(zhuǎn)。相反方向的旋轉(zhuǎn)是優(yōu)選的。因此，旋轉(zhuǎn)速度被規(guī)定為絕對值。最后，優(yōu)選措施還包括將惰性氣體(例如，氬)引導(dǎo)到熔融物的自由表面，以便從熔融物和單晶體的區(qū)域移除從熔融物逸出的氣體。在優(yōu)選地11至80毫巴(1100-8000Pa) 的壓力下，惰性氣體的按體積計流率優(yōu)選地為600-120001/h、尤其優(yōu)選地為1500-30001/ h。


將在下文參考附圖來更詳細地解釋本發(fā)明。圖1示出了尤其適用于實施該方法的配置。圖2示出了尤其適用于實施該方法的坩堝底部加熱器的配置。圖3示出了根據(jù)一個優(yōu)選實施例的坩堝底部加熱器的加熱功率的時間變化曲線。圖4示出了坩堝內(nèi)壁上最高溫度的空間運動，其取決于坩堝底部加熱器的加熱功率的時間變化。
具體實施例方式根據(jù)圖1的配置包括坩堝4，所述坩堝安裝到支承坩堝5上并且包含具有硅的熔融物。坩堝優(yōu)選地包括石英，且坩堝的直徑優(yōu)選地對應(yīng)于單晶體8的直徑的2至4倍。坩堝4和支承坩堝5安置在可提升和降低的坩堝軸上，并且可由實施為電阻加熱器的側(cè)面加熱器6圍繞。借由側(cè)面加熱器，熱量大致從側(cè)面被傳遞到熔融物。磁性裝置位于鄰近側(cè)面加熱器6的外部，借由該磁性裝置，熔融物暴露于水平磁場或CUSP磁場的作用下。說明描述了適于加強CUSP磁場作用于熔融物的線圈。另一靜止底部加熱器7實施為電阻加熱器，其圍繞坩堝軸設(shè)置在支承坩堝下面。 借由該靜止底部加熱器，熱量大致從下方傳遞至熔融物。單晶體8以籽晶從熔融物拉出、通過熱屏蔽件2被屏蔽免受外界的熱輻照以及通過冷卻器1冷卻，冷卻劑流動通過該冷卻器1。包括硅的單晶體的額定直徑優(yōu)選地是300mm 或450mm。熔融物的自由表面與熱屏蔽件2的下邊界3之間的距離優(yōu)選地在20_30mm。熔融物的自由表面與冷卻器1的下邊界之間的距離優(yōu)選地在160-200mm。坩堝底部加熱器13實施為電阻加熱器，其集成到坩堝軸的頭部中，所述坩堝底部加熱器的加熱功率根據(jù)本發(fā)明變化以便使得附連到坩堝4內(nèi)壁的小氣泡11被相應(yīng)導(dǎo)向的熔融物流10和12遣走并且運輸?shù)饺廴谖锏淖杂杀砻?。從這里，小氣泡連同從熔融物逸出的二氧化硅被惰性氣流9夾帶并且從熔融物的區(qū)域以及生長的單晶體移除，所述惰性氣流 9導(dǎo)向到熔融物的自由表面。在圖2中描述了尤其適合于實施該方法的坩堝底部加熱器的配置細節(jié)。所述坩堝底部加熱器包括由石墨構(gòu)成的加熱螺旋件14，其經(jīng)由導(dǎo)向通過坩堝軸的內(nèi)和外電流饋線 15和16供應(yīng)有AC電流。加熱螺旋件在底部由板17隔熱且在側(cè)面由環(huán)部18隔熱，所述環(huán)部18包括碳纖維增強碳(CFC)。環(huán)部的內(nèi)壁裝襯有金屬反射器19。除了所描述的特征以外，加熱螺旋件可實施為迂回方式或者被磁屏蔽，以便保護其不受施加到熔融物上的磁場的影響。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的坩堝底部加熱器13的加熱功率如何根據(jù)時間進程而變化。所述加熱功率以斜坡的方式變化，所述斜坡包括線性區(qū)段和恒定區(qū)段。 時間軸規(guī)定以生長單晶體的長度L為單位。假定具有300mm額定直徑的單晶體的典型晶體提升速度是0. 55mm/分，長度L = 5cm對應(yīng)于大約90分鐘的時間段。具有坩堝底部加熱器的線性升高加熱功率的區(qū)段在一定時間段內(nèi)延伸，所述一定時間段稍微短于拉出IOOmm長度的單晶體所需的時間。具有坩堝底部加熱器的恒定加熱功率的區(qū)段在一定時間段內(nèi)延伸，所述一定時間段長于拉出50mm長度的單晶體所需的時間。在圖4中示出了以斜坡方式的坩堝底部加熱器的加熱功率變化的影響，在于坩堝底部的最高溫度(Tmax)從在坩堝底部邊緣處的位置Pl經(jīng)由中間位置P2到達遠至坩堝底部的中心P3。在這個進程中，附連到坩堝底部內(nèi)壁的小氣泡由對流驅(qū)動的熔融物流遣走并且運輸?shù)饺廴谖锏淖杂杀砻?，所述自由表面不被坩堝和生長的單晶體覆蓋。示例根據(jù)本發(fā)明的該方法，借由如圖1所示的配置，包括具有300mm額定直徑的硅的一系列單晶體從具有觀英寸(711.2mm)直徑的坩堝被拉出。在拉出單晶體的圓柱體區(qū)段的工藝期間，平均晶體提升速度是0. 55mm/分。在拉出單晶體的圓柱體區(qū)段的工藝的開始時，坩堝底部加熱器的加熱功率根據(jù)如圖3所示的斜坡改變一次。用于比較目的，在相同狀況下拉出其它單晶體，但是不改變坩堝底部加熱器的加熱功率。針孔缺陷的出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計估計揭示，平均而言，在從用于比較目的拉出的單晶體切片的半導(dǎo)體晶圓的情形中，針對這種缺陷的故障頻率是大約30倍更高。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)包括硅的半導(dǎo)體晶圓的方法，包括從在坩堝中加熱的熔融物拉出籽晶的單晶體；向坩堝底部的中心供應(yīng)熱量，其中加熱功率在被拉出的單晶體的圓柱體狀區(qū)段的進程中增加至少一次達到不小于2kW并接著再次下降；以及從拉出的單晶體切片半導(dǎo)體晶圓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，加熱功率在一定時間段內(nèi)以斜坡的形式增加，所述一定時間段不短于90分鐘且不長于900分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，將熔融物暴露于水平磁場或CUSP磁場的作用下，其中在坩堝底部的邊緣處的磁通量強度不小于50mT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，包括將熔融物暴露于CUSP磁場的作用下，所述CUSP磁場的中間表面在距熔融物的自由表面平面不小于90mm的距離處與單晶體的中心縱向軸線相交。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，包括以不大于2轉(zhuǎn)每分的速度旋轉(zhuǎn)坩堝以及以不小于6轉(zhuǎn)每分的速度旋轉(zhuǎn)單晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，包括在1100-8000 的壓力下將惰性氣體以600-120001/h的按體積計流率引導(dǎo)到熔融物的自由表面。
全文摘要
一種生產(chǎn)包括硅的半導(dǎo)體晶圓的方法，包括從在坩堝中加熱的熔融物拉出籽晶的單晶體；向坩堝底部的中心供應(yīng)熱量，其中加熱功率在被拉出的單晶體的圓柱體狀區(qū)段的進程中增加至少一次達到不小于2kW并接著再次下降；以及從拉出的單晶體切片半導(dǎo)體晶圓。
文檔編號C30B15/14GK102277616SQ20111015759
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者M·韋伯, P·菲拉爾, W·沙興格 申請人:硅電子股份公司