專利名稱：單晶硅生產(chǎn)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切克勞斯基法生產(chǎn)大直徑單晶硅的設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣的一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英坩堝;一電阻式加熱器，用以從石英坩堝側(cè)面加熱石英坩堝;一石英分隔件，適宜將熔融硅分隔成單晶生長分區(qū)和原料熔融分區(qū)，且具有多個連通孔，供熔融硅單向通過其中;一保溫蓋，供覆蓋分隔件和原料熔融分區(qū)之用;原料進料裝置，用以將原料硅連續(xù)送到原料熔融分區(qū)中;以及摻雜物供料裝置，用以將摻雜物供應(yīng)到原料熔融分區(qū)中。
在大規(guī)模集成電路制造領(lǐng)域中，對單晶硅直徑的要求年年增大。目前，最新的器件采用直徑6英寸的單晶硅?，F(xiàn)在有這樣的說法，將來會需要直徑10英寸或以上的單晶硅，例如，直徑12英寸的單晶硅。
按照切克勞斯基法(CZ法)，生成單晶硅的工藝方法有兩種。一種方法的坩堝是轉(zhuǎn)動的，另一種方法的坩堝不轉(zhuǎn)動。今天所有用CZ法制造出來的供大規(guī)模集成電路用的單晶硅都是用這樣一種方法制造的其中坩堝的轉(zhuǎn)向與單晶硅相反，而且用圍繞坩堝側(cè)面的電阻式加熱器加熱坩堝。盡管作了種種努力，但迄今用坩堝不轉(zhuǎn)動的任何方法或上述以外的任何加熱方法都未能制造出直徑5英寸或以上單晶硅。原因在于，坩堝不轉(zhuǎn)動，或采用上述那一種以外的任何其它加熱方法(例如磁感應(yīng)加熱或電阻加熱坩堝底部)，都不可能確保溫度的環(huán)形分布與生長中的單晶硅完全同心。單晶硅的生長對溫度特別敏感。
在坩堝轉(zhuǎn)動的那種CZ法(以上稱普通CZ法)中，坩堝的轉(zhuǎn)動和電阻側(cè)面加熱使熔融硅產(chǎn)生強烈的對流，從而將熔融硅劇烈攪拌。這種做法使熔融硅表面的溫度形成有利于大直徑單晶硅生長或均勻且完全與單晶硅同心的溫度分布。
上面說過，普通CZ法和其它CZ法就熔融硅的流動來說是大不相同的。這個差別使單晶硅的生長條件大不相同。因此這兩種方法在爐子內(nèi)部各組成部分的作用方面也是大不相同的。兩種方法在單晶硅的生長原理方面完全不同。
普通CZ法坩堝內(nèi)的熔體量是隨單晶硅的生長而減少的。這樣，隨著單晶硅的生長，單晶硅中摻雜物的濃度降低，同時氧的濃度也降低。換句話說，單晶硅的性能在其生長方向上是不同的。鑒于對單晶硅質(zhì)量的要求隨著大規(guī)模集成電路集成度日益增大的傾向而變得一年比一年嚴(yán)格，這個問題必須加以解決。
解決上述問題已知的方法有將普通CZ法的石英坩堝內(nèi)部用具有熔融硅連通孔的圓柱形石英分隔件分隔，且在圓柱形單晶硅在往分隔件內(nèi)側(cè)生長的同時往分隔件外側(cè)供給原料硅(以下稱CC-CZ法)(例如專利公報40-10184，第1頁，第20-35行)。也正如公開專利62-241889(第2頁，第12-16行)所指出的那樣，這種方法具有這樣一個嚴(yán)重的缺點，即熔融硅往往以分隔件為起點在分隔件內(nèi)側(cè)凝固;其原因如下。鑒于石英是用作光纖的，因而石英制成的分隔件輻射就象光那樣通過分隔件向上傳播，然后從分隔件暴露在熔融硅表面的部分散發(fā)開。于是分隔件附近熔融硅的溫度下降。此外在普通CZ法中，由于熔融硅的強烈攪拌，熔融硅的表面溫度不僅均勻，而且也正好高于凝固點。這兩個因素加起來就足以使熔融硅與分隔件接觸的表面處于極端容易引起凝固的傾向的狀態(tài)。
公開專利1-153589就是提出采用這種分隔件適于防止分隔件上產(chǎn)生凝固現(xiàn)象的一個專利。這個公開專利提出了用保溫件將分隔件完全覆蓋住。用這個方法可以防止熱量從分隔件散發(fā)掉，而且可以防止發(fā)生凝固現(xiàn)象。
該發(fā)明還提出了將熔融硅從原料熔融分區(qū)至晶體生長分區(qū)的連通化縮小，使得熔融硅基本上從原料熔融分區(qū)至晶體生長分區(qū)的一個方向上流動。由于這個過程的協(xié)合作用，再加上設(shè)置了保溫件，原料熔融分區(qū)中熔融硅的溫度可以維持在足以使原料穩(wěn)定熔融的溫度。
按照上述那種發(fā)明，可以在整個長度上生成組成均勻的單晶硅。發(fā)展CC-CZ法最重要的目的是在整個長度生產(chǎn)性能均勻的極長的單晶硅。此外，最近半導(dǎo)體器件的種類越來越多樣化，因而單晶硅的品種也跟著日益多樣化。單晶硅產(chǎn)品的傾向是朝較小批生產(chǎn)的方向發(fā)展。目前已要求能在單晶硅生長期間易于改變電阻值的CC-CZ法。然而各不同地區(qū)試驗開發(fā)的CC-CZ法都沒有考慮上述朝較小批生產(chǎn)的傾向。
本發(fā)明提出了這樣一個解決上述問題的方法，即在具有如公開專利1-153589的情況一樣的保溫件的CC-CZ爐中，熔融硅從原料熔融分區(qū)至晶體生長分區(qū)的連通孔的橫截面積系考慮到與原料進料速度的平衡問題而取適當(dāng)?shù)某叽绲摹，F(xiàn)在參照圖4、5和6說明本發(fā)明摻雜物為磷時的工作情況。磷的分布數(shù)約為0.33。在單晶硅穩(wěn)定狀態(tài)提拉情況下，若熔融硅在原料熔融分區(qū)A與晶體生長分區(qū)B之間的混合是極其令人滿意進行的話(混合系統(tǒng))，則兩分區(qū)的磷的濃度相等。這種情況是當(dāng)連通孔的橫截面積大時發(fā)生的。假設(shè)加入單晶硅5中的磷的濃度為1，則B中的濃度為3，A中的濃度也是3。將原料21和含磷的輔助原料22以這樣的比例進料，使得其濃度變?yōu)?。在這種情況下，熔融硅A和B的混合情況極佳，從而使兩分區(qū)的液溫大致相等。為使單晶硅生長，B中的液溫必須大致上等于其凝固點。結(jié)果，A中的液溫也大致上等于該凝固點。換句話說，CC-CZ法得不到實現(xiàn)。
為避免這個問題，只要縮小熔融硅連通孔的橫截面積，使熔融硅完全只從A至B一個方向流動(非混合系統(tǒng));在這種情況下，摻雜物的濃度分布，在單晶硅中為1，在B中為3，在A中為1，在原料系統(tǒng)中為1。熱量從A至B的傳播系小到這樣的程度，以致保溫蓋的設(shè)置起到了使A中的液溫易升高到足以使原料熔融的溫度的作用。然后，在這種情況下，考慮一下單晶硅中摻雜物的濃度在單晶硅成長期間增加兩倍(阻值減少一半)的情況。圖5示意示出了各部分中摻雜物濃度的變化情況。首先，在時間T1處，輔助原料系以使B中的濃度達6、A中的濃度達2所需要的進料量進料的。結(jié)果A中的濃度迅速提高。然而，A含有高濃度摻雜物的熔融硅至B的轉(zhuǎn)移受到了原料進料速度(晶體生長速度)的限制，因而摻雜物至B的轉(zhuǎn)移非常慢。為使轉(zhuǎn)移過程可以幾乎全部完成，(濃度為2的)原料必須以A中熔融硅的量的10倍進料到A中。換句話說，為使B中的濃度變?yōu)?，因而晶體中的濃度達所要求的2，必須令晶體以大約A中熔融硅的量的10倍生長。在非混合系統(tǒng)中，在晶體生長期間要改變摻雜物的量實質(zhì)上是不可能的。
本發(fā)明是以這樣的一個發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)的，即是通過妥善調(diào)節(jié)連通孔的橫截面積以平衡原料的進料速度，可以實現(xiàn)在摻雜物方面基本上構(gòu)成混合系統(tǒng)、在熱量方面基本上構(gòu)成非混合系統(tǒng)的情況。在熱量方面，這一點是可以實現(xiàn)的，因為不通過連通孔10的熱量在分區(qū)1和B之間的流量是非常大的?，F(xiàn)在說明實現(xiàn)上述情況的原理。
先假設(shè)熔融硅完全單向從A流至B的情況(非混合系統(tǒng))。就熱量而論，所有的熱量實質(zhì)上是通過坩堝底部和分隔件引入，并從熔融硅表面散發(fā)出去的。只有一小部分熱量是通過從A通過連通孔流入B的熔融載送而引入的。若前者為100，則后者就小于0.5。至于摻雜物，當(dāng)然全部是通過連通孔引入的。
其次再假設(shè)在非混合系統(tǒng)中加一些攪拌的情況。假設(shè)從A至B的輸入流量增加10倍(90%的輸入量從B流回到A)。這種情況是通過略微增加非混合系統(tǒng)的連通孔10的橫截面積實現(xiàn)的。由于增加了這些攪拌作用，大大方便了饋送到A的摻雜物到B的轉(zhuǎn)移。在此實例中，轉(zhuǎn)移的方便程度大約提高了10倍。圖5中，攪拌時間(T2-T1)或攪拌需用的晶體長度(阻值變化區(qū))約為1/10。這種系統(tǒng)就以摻雜物而論大致上可以視為混合系統(tǒng)。
圖4示出了會這種系統(tǒng)摻雜物的濃度提高兩倍時摻雜物濃度在各部分的變化情況。由于進行了攪拌，在穩(wěn)定狀態(tài)下?lián)诫s物在A中的濃度基本上與B中的相等。換句話說，在時間T1之前摻雜物的濃度為3，時間T2之后摻雜物的濃度為6。輔助原料在時間T1的增量即為使整個熔融硅的濃度從3增加到6所需要的量。再考慮熱量流動的方式。先談結(jié)論，熱量的流動情況大致上與非混合系統(tǒng)一樣。先看看B。原料從A流到B所引入的熱量因攪拌而增加10倍，其值最多仍然為5(從坩堝底部和分隔件引來的熱量如上所述為100)。這最多僅為引入的整個熱量的5%。在其它安排方式下，熱平衡情況與非混合系統(tǒng)并無多大差別。不難推論上述論述也適用于A的情況。換句話說，流量通過連通孔所起的作用由于提高10倍，因而對熱量因上述攪拌作用的存在而流動的影響不大。在這種攪拌程度不高的情況下，熱量在A和B的流動情況大致上與非混合系統(tǒng)的情況一樣。換句話說，和非混合系統(tǒng)的情況一樣，原料能夠穩(wěn)定熔融，從而使CC-CZ法得到實現(xiàn)。
當(dāng)連通孔10的橫截面積從非常小的面積逐步增加到大面積時，逐步提高攪拌的程度。首先，(a)非混合系統(tǒng)在摻雜物方面轉(zhuǎn)變成混合系統(tǒng)，在熱量方面則大致上轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔旌舷到y(tǒng)的情況;其次，(b)非混合系統(tǒng)就摻雜物和熱量兩方面轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌舷到y(tǒng)。在本發(fā)明范圍內(nèi)，連通孔橫截面的下限為(a)的轉(zhuǎn)折點。在穩(wěn)定狀態(tài)下，A和B在橫截面積該點處的摻雜物濃度是沒有差別的(小于1%)。上限則為(b)的轉(zhuǎn)折點。在該橫截面積的該點上，A和B之間的溫差變得小于10℃。
從A至B的流量隨原料進料速度的提高而增加。這時A中熔融硅與B中熔融硅之間的混合就往往困難。連通孔對應(yīng)于(a)和(b)各轉(zhuǎn)折點的橫截面積增加。合適的橫截面積是隨原料進料速度的提高而增加的。圖3示出了在考慮上述事實的情況下確定下來的連通孔的合適范圍(本發(fā)明的范圍)。
原料進料速度30克/分的下限是從實現(xiàn)單晶的觀點確定的。雖然這個進料速度相當(dāng)于直徑5英寸的晶體以大約1毫米/分的提拉過程，但從生產(chǎn)率的觀點考慮是不希望使結(jié)晶速度小于這個自由速度的。130克/分的上限相當(dāng)于直徑10英寸的晶體以1.1毫米/分的速度的提拉過程。確定該上限值的理由在于不可能以高于該值的任何結(jié)晶速度來使晶體生長。
圖3的范圍僅在分隔件處有用來防止出現(xiàn)凝固現(xiàn)象的金屬保溫件時才能存在。盡管可以設(shè)想陶瓷、碳、金屬等作為保溫件的材料，但本發(fā)明的目的只有用保溫作用高的金屬才能達到。連通孔橫截面積的合適范圍之所以要寬是因為有高保溫效能的保溫蓋存在。具有這種保溫蓋具有使A中的溫度保持比B中的溫度高得多的作用，因而容許對A和B之間的熔融硅進行某種程度的攪拌。
最近許多地區(qū)已嘗試使用施加磁場的CZ法。不用說本發(fā)明在施加磁場的情況下仍然可行。


圖1是用于一個實施例中設(shè)備的剖視圖。
圖2的曲線示出了實施例中晶體縱向與電阻值之間的關(guān)系。
圖3是本發(fā)明原料進料速度與連通孔橫截面積的總和之間的關(guān)系曲線。
圖4是說明本發(fā)明原理的示意圖。
圖5是一般非混合系統(tǒng)中摻雜物濃度比與時間的關(guān)系曲線。
圖6是本發(fā)明的混合系統(tǒng)中摻雜物濃度比與時間的關(guān)系曲線。
附圖中編號1表示石英坩堝，2為石墨坩堝，3為電阻式加熱器，4為軸架，5為單晶硅，6為爐子隔熱件，7為熔融硅，8為分隔件，9為保溫蓋，10為連通孔，12為保溫蓋下端，14為原料進料裝置，15為保溫蓋上的進料口，16為爐腔上蓋，20為提拉腔，21為原料，22為輔助原料，A為原料熔融分區(qū)，B為晶體生長分區(qū)。
實施例1本實施例在提拉過程中改變摻雜物的加入量(電阻值)的情況下證實了本發(fā)明的效果。進行了這樣的試驗即在提拉的過程中令電阻值從20歐·厘米改變到10歐·厘米，再進一步從10歐·厘米改變到5歐·厘米。摻雜物為磷，晶體直徑為6英寸。進行晶體生長用的連通孔橫截面積分下列四級(a)100平方毫米(8個直徑為4毫米的連通孔;在本發(fā)明的范圍內(nèi));
(b)262平方毫米(8個直徑為6毫米的連通孔;在本發(fā)明范圍內(nèi));
(c)942平方毫米(12個直徑為10毫米的連通孔;在本發(fā)明范圍內(nèi));
(d)3142平方毫米(10個直徑為20毫米的連通孔;不在本發(fā)明范圍內(nèi))。
現(xiàn)在簡單介紹實施本實施例的設(shè)備和實驗條件。編號1表示直徑為20英寸的石英坩堝，該坩堝裝在石墨坩堝2中。石墨坩堝2支撐在軸架4上。軸架4連接到爐外的電動機上，它將轉(zhuǎn)動運動(10轉(zhuǎn)/分)傳給石墨坩堝2。編號7表示裝在坩堝1中的熔融硅。圓柱形的單晶硅5邊轉(zhuǎn)動(20轉(zhuǎn)/分)邊從熔融硅7以1.4毫米/分的提拉速度提拉。編號3表示圍繞著石墨坩堝的電阻式加熱器。爐內(nèi)壓力(在爐腔16內(nèi))為0.01至0.03個大氣壓。上述情況基本上與普通切克勞斯基法的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備的情況相同。
編號8表示以高純度二氧化硅玻璃制成、裝在坩堝1中使其與坩堝1同心的分隔件。坩堝1的直徑為40厘米。分隔件8上開有連通孔10，原料熔融分區(qū)中的熔融原料即通過該連通孔流入單晶生長分區(qū)中。在本實施例中，有關(guān)連通孔方面是令晶體以上述四種條件進行生長的。分隔件的下邊緣部分是預(yù)先熔合到坩堝1上或借助于熔化硅原料時產(chǎn)生的熱量熔合到坩堝1上的。
開始時，熔融硅的給定條件如下。熔融硅的總量為20公斤，即在原料熔融分區(qū)中的為5公斤，在晶體生長分區(qū)的為15公斤。該兩分區(qū)摻雜物各個的加入量應(yīng)使晶體的電阻值開始時為20歐·厘米(4.5ppba)。即使在(a)的情況下，由于摻雜物通過連通孔擴散，因而該兩區(qū)的摻雜物含量不可避免地變得彼此相等。
編號14表示原料進料裝置，該裝置的原料熔融分區(qū)上方有一個進料口，粒狀的硅原料即通過原料進料裝置送進原料熔融分區(qū)中。進料速度和結(jié)晶速度相等，即為6.5克/分。原料進料裝置14連接到原料儲存腔(圖中未示出)，原料儲存腔設(shè)在爐腔上蓋16之外，從而可以連續(xù)進料。輔助原料的進料速度是根據(jù)所要求的阻值和原料的進料速度計算的。按照本實施例，為了使阻值如上述那樣變化，在提拉的過程中令輔助原料的進料速度改變兩次。
編號9表示0.2毫米厚的鉭板制成的保溫蓋。保溫蓋9具有減少熱量從分隔件8和原料熔融分區(qū)散失掉的作用。按照本發(fā)明，連通孔橫截面積之所以能處在合適的范圍是因為設(shè)置了分隔件所致。編號15表示開在保溫件9上部的進料口。該進料口的面積為100平方厘米，開在各四個位置上。通入提拉腔20的氬氣先通過進料口15，然后通過阻式加熱器3與爐隔熱件6之間的空間，最后從爐底排出。
由于有這些進料口存在，因而大大減少了從保溫蓋9下端12通過的氣流，從而消除了熔融硅表面附近出現(xiàn)SiO細粒子的現(xiàn)象，而使單晶的生長過程穩(wěn)定。但這些進料口的存在增加了熱量從原料熔融分區(qū)A的散失量，因而保溫蓋9不可避免地要采用金屬保溫蓋。
圖2示出了在連通孔的上述四種情況下經(jīng)提拉的晶體在長度方向上阻值的變化情況。(a)示出了連通孔橫截面積小于本發(fā)明下限的情況。首先，在提拉初期，阻值變化著，且還變得低于所要求的值。在其它分別在60厘米和140厘米的中間各點，摻雜物量變化方面的響應(yīng)特性極差。實際上，整個長度的任何點上都達不到所要求的阻值。原因在于，為了使本系統(tǒng)可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，需要使原料的供料量至少為原料熔分區(qū)中熔融硅量(5公斤)的起碼10倍，即必須提拉大約108厘米長的晶體。相反，在處于本發(fā)明范圍內(nèi)的(b)和(c)的情況下，在摻雜物量變化方面的響應(yīng)特性是相當(dāng)優(yōu)異的。阻值在晶體長度方面的變化區(qū)小于10厘米。CC-CZ法特別適宜生長組成無變化的長晶體，而且應(yīng)用本發(fā)明還可以使CC-CZ法變成適宜適應(yīng)小批量生產(chǎn)的晶體生長方法。在(d)的情況下，原料的熔融過程不能令人滿意，不可能進行CC-CZ操作。
實施例2本實施例證實了本發(fā)明在保溫蓋材料方面的影響。在保溫蓋分別為鎢板(本發(fā)明)、石墨(非本發(fā)明)和鋁(非本發(fā)明)的情況下，用實施例1同樣的設(shè)備提拉晶體。至于提拉條件方面，和實施例1的情況一樣，只是晶體直徑為8英寸，提拉速度為0.8毫米/分(原料進料速度為58克/分)，連通孔的橫截面積為314平方毫米(4個10毫米直徑的連通孔)。
采用鎢蓋時，原料能穩(wěn)定熔融，晶體能穩(wěn)定生長，而且能在阻值的變化方面達到實施例中(b)和(c)的情況時的同樣效果。在石墨蓋和鋁蓋的情況下，就在開始供應(yīng)原料之后產(chǎn)生原料不熔融的情況，從而在CC-CZ操作再也無法進行。
通過使用本發(fā)明，大大簡化了CC-CZ法中阻值的任何調(diào)節(jié)過程。因此可以在提拉過程中改變電阻值，同時盡量利用CC-CZ法能制造在生長方向上阻值的變化極小的極長單晶硅的優(yōu)點。
如上所述，本發(fā)明不僅適宜用作生產(chǎn)直徑10英寸或以上單晶硅的設(shè)備，而且也適宜用作生產(chǎn)單晶硅以外的任何其它材料的單晶，同時使單晶的組成和質(zhì)量保持穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備包括一裝熔融硅的旋轉(zhuǎn)式石英鉗堝；一電阻式加熱器，用以從石英坩堝側(cè)面加熱石英坩堝；一石英分隔件，用以將熔融硅分隔成單晶生長分區(qū)和原料熔融分區(qū)，所述分隔件具有多個連通孔，供熔融硅單向通過其中；一保溫蓋，供覆蓋分隔件和原料熔融分區(qū)之用；原料進料裝置，用以將原料連續(xù)送進原料熔融分區(qū)中；以及摻雜物進料裝置，用以將摻雜物供應(yīng)到原料熔融分區(qū)中；其特征在于，所述保溫蓋由金屬材料制成，且開在所述分隔件上的連通孔其橫截面的總面積由一個其值根據(jù)其與所述原料進料速度的相互關(guān)系確定的橫截面積組成。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，所述原料進料速度在30與130克/分之間時，開在所述分隔件上的連通孔的橫截面總面積A不小于80平方毫米，但不大于1600平方毫米。
3.如權(quán)利要求1所述的單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，其特征在于，開在所述分隔件上的連通孔的橫截面總面積A，當(dāng)所述原料進料速度在30與50克/分之間時不小于80平方毫米，但不大于1000平方毫米，當(dāng)所述原料進料速度在50至80克/分的范圍時不小于130平方毫米，但不大于1200平方毫米，當(dāng)所述原料的進料速度在80至130克/分的范圍時不小于220平方毫，但不大于1600平方毫米。
全文摘要
一種大直徑單晶硅生產(chǎn)設(shè)備，具有一旋轉(zhuǎn)式石英坩堝、一電阻式加熱器、一具有連通孔的石英分隔件、一保溫蓋等。開在分隔件上的連通孔其橫截面的總面積A，當(dāng)原料進料速度在30與50克/分子之間時在80與100平方毫米之間，當(dāng)原料進料速度在50至80克/分的范圍時不小于130平方毫米，但不大于1200平方毫米，當(dāng)原料進料速度在80至130克/分的范圍時不小于220平方毫米，但不大于1600平方毫米。
文檔編號C30B15/00GK1056135SQ9110253
公開日1991年11月13日 申請日期1991年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月13日
發(fā)明者神尾寬, 荒木健治, 兼頭武 申請人:日本鋼管株式會社