專利名稱：單結(jié)晶制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于通過切克勞斯基法(Czochralski Method，以下稱為CZ法)來制造硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造裝置，更詳細(xì)而言，是關(guān)于一種單結(jié)晶制造裝置，在提拉單結(jié)晶時(shí)，能夠控制結(jié)晶成長軸方向的固液界面附近的溫度梯度，使得其在單結(jié)晶直徑方向上變得均勻，由此，能夠制造出一種硅單結(jié)晶，其所要求的缺陷區(qū)域在面內(nèi)均勻地分布，而且，能夠制造出一種由于雜質(zhì)金屬元素所造成的污染少的高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。
背景技術(shù)：
作為半導(dǎo)體組件的基板來使用的單結(jié)晶，例如有硅單結(jié)晶，主要是通過CZ法制造的。近年來，半導(dǎo)體的高集積化與微細(xì)化持續(xù)進(jìn)展，伴隨著此進(jìn)展，在硅單結(jié)晶的成長中被導(dǎo)入的生長引入(Grown-in)缺陷的問題，成為重要的問題。
在生長引入缺陷中，存在當(dāng)結(jié)晶成長速度(結(jié)晶提拉速度)比較快的情況所形成的FPD(Flow Pattern Defect)或COP(Crystal Originated Particle)這樣的空隙起因的空穴型缺陷、在提拉速度比前述速度慢的情況所發(fā)生的OSF(氧化感應(yīng)迭層缺陷、Oxidation Induced Stacking Fault)、及在提拉速度更慢的情況所發(fā)生的LSEP(Large Secco Etching Pit)或LFPD(Large Flow Pattern Defect)這樣的被認(rèn)為是位錯(cuò)環(huán)(dislocation ring)起因的晶格間硅聚集而成的缺陷。
近年來，在有FPD或COP等存在的V(Vacancy)區(qū)域、和有LSEP或LFPD等存在的I(Interstitial)區(qū)域的中間也就是OSF環(huán)的外側(cè)，發(fā)現(xiàn)存在有N(Neutral)區(qū)域，其沒有空隙起因的空穴型缺陷或位錯(cuò)環(huán)起因的格子間隙型缺陷的任一種。此區(qū)域若進(jìn)一步分類，有空穴較多的Nv區(qū)域和晶格間隙較多的Ni區(qū)域。在Nv區(qū)域，在做過熱氧化處理時(shí)，氧析出量多，而在Ni區(qū)域則得知幾乎沒有氧析出。
進(jìn)而，得知熱氧化處理后，在容易發(fā)生氧析出的Nv區(qū)域的一部分，存在利用Cu沉積法而被檢測出來的缺陷。
一般而言，當(dāng)通過CZ法來制造硅單結(jié)晶時(shí)，例如是采用如圖7所示的單結(jié)晶制造裝置。
此單結(jié)晶制造裝置30，例如具有用以收容硅這樣的多結(jié)晶原料的坩堝或加熱器、及用以容納絕熱構(gòu)件(用來遮斷輻射熱)的主室1。在此主室1的上部，連接用來收容、取出已經(jīng)培養(yǎng)的單結(jié)晶3的提拉室2；而在此提拉室2的上部，則設(shè)有利用吊線14提拉單結(jié)晶3的提拉機(jī)構(gòu)(未圖示)。
在主室1內(nèi)，設(shè)有用以收容熔融的原料融液4的石英坩堝5和用以支持該石英坩堝5的石墨坩堝6，這些坩堝5、6，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未圖示)，并利用支持軸13而被支持成可以旋轉(zhuǎn)升降自如。此坩堝5、6的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為了要補(bǔ)償伴隨著單結(jié)晶3的提拉所導(dǎo)致的原料融液4的液面降低，使得坩堝5、6可以僅上升液面降低量。
而且，圓筒形狀的加熱器7配置成可以圍繞坩堝5、6。在此加熱器7的外側(cè)，為了防止從加熱器7來的熱量直接輻射在主室1上，以可以包圍其周圍的方式，設(shè)有絕熱構(gòu)件8。
又，在主室1的內(nèi)部，設(shè)有氣體整流筒31；在此氣體整流筒31的下端，設(shè)置隔熱構(gòu)件32，使得可以隔開從原料融液4的表面來的輻射，同時(shí)將原料融液4的表面保溫。進(jìn)而，在氣體整流筒31的上方，設(shè)置冷卻筒11，通過從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入口12流入的冷卻介質(zhì)，能夠強(qiáng)制冷卻單結(jié)晶3。
使用此種單結(jié)晶制造裝置30，并通過CZ法來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的情況，首先，先將成為原料的多結(jié)晶硅收容在石英坩堝5內(nèi)，然后通過加熱器7加熱石英坩堝5內(nèi)的多結(jié)晶硅而將其熔融。接著，一邊從設(shè)在提拉室2上部的氣體導(dǎo)入口10導(dǎo)入Ar等的非活性氣體，一邊使固定于晶種夾頭15上的晶種16浸入原料融液4中，之后，通過一邊使其旋轉(zhuǎn)一邊慢慢地提拉，能夠使大約圓柱狀的硅單結(jié)晶3成長。此時(shí)，從氣體導(dǎo)入口10導(dǎo)入的非活性氣體，通過氣體整流筒31和提拉中的硅單結(jié)晶3之間，而能夠從氣體流出口9排出。
在通過上述CZ法所進(jìn)行的單結(jié)晶的制造中，上述所說明的生長引入缺陷，被認(rèn)為是根據(jù)使單結(jié)晶成長時(shí)的提拉速度(mm/min)和從固液界面附近的熔點(diǎn)至1400℃之間的提拉軸方向的結(jié)晶溫度梯度G(℃/mm)的比值也就是F/G(mm2/℃·min)這個(gè)參數(shù)，而被決定其導(dǎo)入量(例如參照V.V.Voronkov，Journal of Crystal Growth，vol.59(1982)，pp.625～643)。
通常，結(jié)晶成長軸方向的溫度梯度，由于根據(jù)結(jié)晶長度、殘留融液量等的變化，CZ爐內(nèi)的熱環(huán)境逐漸地變化，在單結(jié)晶的培養(yǎng)中，伴隨著單結(jié)晶的成長，結(jié)晶成長軸方向的溫度梯度G會(huì)逐漸地變化。因此，例如將伴隨著單結(jié)晶的成長的提拉速度F，通過以F/G可以成為一定的方式，按照溫度梯度G的變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)，可提拉出一種硅單結(jié)晶，在遍及單結(jié)晶晶身部的整個(gè)區(qū)域，具有所希望的缺陷區(qū)域或是所希望的無缺陷區(qū)域(參照日本特開平8-330316號(hào)公報(bào))。
然而，控制提拉速度來提拉具有N區(qū)域的單結(jié)晶的情況，在單結(jié)晶面內(nèi)，例如OSF區(qū)域和N區(qū)域、V區(qū)域和N區(qū)域、I區(qū)域和N區(qū)域混合在一起的情況很多。如此，在晶片面內(nèi)，除了N區(qū)域以外，若存在V區(qū)域、OSF區(qū)域或是I區(qū)域，則會(huì)有顯著地招致電特性的惡化的危險(xiǎn)性。因此，晶片面內(nèi)缺陷質(zhì)量的均勻性的改善，成為要解決的問題。
作為將晶片面內(nèi)的缺陷分布均勻化的方法，例如提出一種擴(kuò)大從融液表面至氣體整流筒下端為止的距離的方法。但是，若過度地?cái)U(kuò)大融液表面和氣體整流筒下端的距離，根據(jù)將非活性氣體的氣流整流化后的效果，例如由于會(huì)引起結(jié)晶中的氧濃度控制或N區(qū)域結(jié)晶提拉速度的降低等，所以需要在不擴(kuò)大從融液表面至氣體整流筒下端為止的距離的情況下，來培養(yǎng)硅單結(jié)晶。
另一方面，作為近年來的組件制造中的成品率提高的重要因素，提高晶片的外周部的組件產(chǎn)率成為要解決的問題，因此，在晶片的外周部，降低鐵(Fe)與銅(Cu)等的重金屬含量一事，是重要的。作為此種在單結(jié)晶產(chǎn)生重金屬污染的原因，已知是Fe與Cu元素從原料與爐內(nèi)構(gòu)成零件混入原料融液中，而后從固液界面進(jìn)入硅單結(jié)晶中；最近，已明確得知例如從氣體整流筒等處放出的Fe或Cu等，會(huì)先附著在提拉中的單結(jié)晶上，然后擴(kuò)散至內(nèi)部，而在結(jié)晶周邊部發(fā)生重金屬等的雜質(zhì)污染。
特別是通過CZ法來培養(yǎng)具有直徑200mm以上的大口徑的硅單結(jié)晶的情況，大多使用一種單結(jié)晶制造裝置，其是以圍繞從原料融液提拉上來的單結(jié)晶的方式，設(shè)置氣體整流筒。此氣體整流筒，在培養(yǎng)中，將供應(yīng)至室(chamber)內(nèi)的非活性氣體整流，對于為了使從原料融液蒸發(fā)出來的硅氧化物有效率地排出至爐外，是重要的。
一般而言，作為此種氣體整流筒，是采用石墨構(gòu)件等的碳素材，并以靠近結(jié)晶的方式，被配置在從結(jié)晶算起10～200mm的距離、特別是10～100mm的距離。又，作為氣體整流筒的材料，也有采用鎢、鉬等的高熔點(diǎn)金屬的情形。進(jìn)而，在采用適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)的情況，也能夠采用不銹鋼或銅等，作為氣體整流筒的材料。
進(jìn)而，為了遮斷從加熱器和原料融液等處來的輻射，以提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，有設(shè)置由碳纖維所構(gòu)成的絕熱材料的情況。
然而，當(dāng)要培養(yǎng)硅單結(jié)晶的時(shí)候，若從氣體整流筒放出Fe與Cu等的重金屬，則這些重金屬成分會(huì)先附著在培養(yǎng)中的單結(jié)晶表面，然后在從高溫冷卻至室溫的過程中，會(huì)發(fā)生Fe與Cu從結(jié)晶周邊開始擴(kuò)散，而在單結(jié)晶周邊部、特別是從單結(jié)晶的外周至直徑10％以內(nèi)的外周部，引起金屬污染。其中，碳纖維制的絕熱材料，相較于石墨構(gòu)件等，不但純度低，且在單結(jié)晶的培養(yǎng)中，纖維容易飛散，因此會(huì)有容易引起由Fe或Cu等所造成的污染這樣的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于如此的問題點(diǎn)而開發(fā)出來，本發(fā)明的主要目的，是提供一種單結(jié)晶制造裝置，當(dāng)要培養(yǎng)CZ硅單結(jié)晶的時(shí)候，能夠?qū)谓Y(jié)晶面內(nèi)直徑方向的F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠有效率地制造出在面內(nèi)具有均一且是所希望的缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶，進(jìn)而防止Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而可以制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種單結(jié)晶制造裝置，是通過切克勞斯基法來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造裝置，其特征為至少在要進(jìn)行前述單結(jié)晶的培養(yǎng)的室(chamber)內(nèi)，具備氣體整流筒，其被配置成可以圍繞硅單結(jié)晶，用以調(diào)整被導(dǎo)入該室內(nèi)的氣流；在該氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料。
如此，若是一種單結(jié)晶制造裝置，其在室(chamber)內(nèi)于配置成可以圍繞硅單結(jié)晶的氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料，則能夠作成一種單結(jié)晶制造裝置，其在培養(yǎng)硅單結(jié)晶的時(shí)候，遮斷從用以加熱硅融液的加熱器和硅融液等處來的輻射熱，而能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性。由此，成為一種單結(jié)晶制造裝置，可控制單結(jié)晶提拉中的固液界面附近的提拉軸方向的溫度梯度G，使其在單結(jié)晶直徑方向變得均勻，并在直徑方向?qū)/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠有效率地制造出在面內(nèi)其所希望的缺陷區(qū)域、特別是無缺陷區(qū)域均勻地分布的硅單結(jié)晶。進(jìn)而，由于在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料，所以能夠作成一種裝置，其可有效地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而能夠穩(wěn)定地制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。
此情況，設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料中的氣泡密度，為5×104個(gè)/cm3以上1×106個(gè)/cm3以下。
如此，設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料中的氣泡密度，若為5×104個(gè)/cm3以上1×106個(gè)/cm3以下，則在培養(yǎng)硅單結(jié)晶的時(shí)候，可更有效果地遮斷從用以加熱硅融液的加熱器和硅融液等處來的輻射熱，而能夠更提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性。由此，成為一種單結(jié)晶制造裝置，可以高的提拉速度F，將F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠制造出其所希望的缺陷區(qū)域在面內(nèi)均勻地分布的硅單結(jié)晶；同時(shí)由于可擴(kuò)大能夠制造出具有無缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶的提拉速度的控制容許幅度，所以能夠穩(wěn)定地制造出具有無缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶。
此情況，設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，優(yōu)選為相對于前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的表面積，其占有率為20％以上，且其厚度為3mm以上50mm以下。
如此，設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，若相對于前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的表面積，其占有率為20％以上，且其厚度為3mm以上50mm以下，則成為一種單結(jié)晶制造裝置，可更有效果地遮斷從加熱器和硅融液等處來的輻射熱，而能夠更提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性。
此情況，設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，優(yōu)選為在1250℃中的對數(shù)黏度值為10poise以上14poise以下。
如此，設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，在1250℃中的對數(shù)黏度值，若為10poise以上14poise以下，則在硅單結(jié)晶培養(yǎng)中，可確實(shí)地防止石英材料曝露于高溫中而軟化變形。
此情況，設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，優(yōu)選為從該石英材料表面至深度10μm為止的表面層區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度為不到1ppm，且從石英材料表面算起的深度超過10μm的區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度，比前述表面層區(qū)域低。
設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，若是成為上述Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度的石英材料，則可以作成一種硅單結(jié)晶制造裝制，能夠確實(shí)地防止培養(yǎng)的單結(jié)晶的Fe與Cu的雜質(zhì)污染。
進(jìn)而，本發(fā)明提供一種采用上述單結(jié)晶制造裝置來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造方法。
通過采用本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置來培養(yǎng)硅單結(jié)晶，當(dāng)要培養(yǎng)硅單結(jié)晶的時(shí)候，由于可遮斷從加熱器和硅融液等處來的輻射熱，而能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，所以可控制單結(jié)晶提拉中的固液界面附近的提拉軸方向的結(jié)晶溫度梯度G，使得其在單結(jié)晶直徑方向可以變得均勻，并將F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，來提拉硅單結(jié)晶。
因此，能夠有效率地制造出在面內(nèi)其所希望的缺陷區(qū)域、特別是無缺陷區(qū)域均勻地分布的硅單結(jié)晶。又，由于在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料，所以可有效地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而能夠以高產(chǎn)率來制造高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。
如上述，若根據(jù)本發(fā)明，可作成一種單結(jié)晶制造裝置，通過在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料，可遮斷從加熱器和硅融液等處來的輻射，而能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性。如此的裝置，可控制單結(jié)晶提拉中的固液界面附近的提拉軸方向的結(jié)晶溫度梯度G，使其在直徑方向可以變得均勻，并將F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠有效率地制造出在面內(nèi)其所希望的缺陷區(qū)域、特別是無缺陷區(qū)域均勻地分布的硅單結(jié)晶。又，由于能夠有效地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而成為能夠穩(wěn)定地制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造裝置。


圖1是表示本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置的一例的概要圖。
圖2是將本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置的其它例，加以擴(kuò)大表示其氣體整流筒下部的剖面的圖。
圖3是表示在培養(yǎng)實(shí)施例1、2與比較例1、2的硅單結(jié)晶時(shí)，單結(jié)晶晶身部的結(jié)晶成長軸方向的長度和結(jié)晶提拉速度的關(guān)系的圖。
圖4是表示在實(shí)施例1與實(shí)施例2的硅單結(jié)晶中的提拉速度和結(jié)晶缺陷分布的關(guān)系的圖。
圖5是表示在比較例1與比較例2的硅單結(jié)晶中的提拉速度和結(jié)晶缺陷分布的關(guān)系的圖。
圖6是表示在利用實(shí)施例1與實(shí)施例2、比較例1與比較例2制作出來的樣品晶片的外周部中的平均Fe濃度測量結(jié)果的圖。
圖7是表示習(xí)知的單結(jié)晶制造裝置的一例的概要圖。
具體實(shí)施例方式
以下，具體地說明本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本發(fā)明并不是限定于這些實(shí)施方式。
本發(fā)明人，為了要通過CZ法有效率且穩(wěn)定地制造高質(zhì)量的硅單結(jié)晶，其面內(nèi)均勻且具有所希望的缺陷區(qū)域，特別是N區(qū)域，而著眼于單結(jié)晶制造裝置的氣體整流筒的內(nèi)部構(gòu)造。而且，發(fā)現(xiàn)通過在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)設(shè)置含有氣泡的石英材料，遮斷從加熱器和硅融液等處來的輻射，而能夠提高整流筒內(nèi)的保溫性，由此，能夠控制單結(jié)晶提拉中的固液界面附近的提拉軸方向的溫度梯度G，使得其在單結(jié)晶直徑方向變得均勻，并將F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，能夠有效率地制造出在面內(nèi)具有均勻且是所希望的缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶；進(jìn)而，可有效地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而能夠穩(wěn)定地制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶，因而完成本發(fā)明。
圖1是表示本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置的一例的概要圖。
本發(fā)明所涉及的單結(jié)晶制造裝置20，例如在主室1內(nèi)，用以收容原料融液4的石英坩堝5、和用以保護(hù)此石英坩堝5的石墨坩堝6，通過坩堝驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未圖示)，并利用支持軸13而被支持成可以旋轉(zhuǎn)升降自如；又，在這些坩堝上部，連接用來收容、取出已經(jīng)培養(yǎng)的硅單結(jié)晶3的提拉室2；而在此提拉室2的上部，則設(shè)有利用吊線14一邊提拉單結(jié)晶3一邊使其旋轉(zhuǎn)的提拉機(jī)構(gòu)(未圖示)。
又，在主室1的內(nèi)部，以可以圍繞要培養(yǎng)的硅單結(jié)晶3的方式，設(shè)置由石墨材料所構(gòu)成的氣體整流筒17，能夠調(diào)整被導(dǎo)入室內(nèi)的氣流。又，為了要隔開從原料融液4的表面來的輻射，同時(shí)將原料融液4的表面保溫，在氣體整流筒17的外側(cè)下端，設(shè)有隔熱構(gòu)件18。隔熱構(gòu)件18，例如能夠采用石墨、鉬、鎢、碳化硅、或是以碳化硅包覆石墨的表面而成的物，其形狀、大小并沒有特別地限定，能夠按照需要而作適當(dāng)變更。進(jìn)而，在氣體整流筒17的上方，設(shè)置其材質(zhì)與氣體整流筒相異的冷卻筒11，通過從冷卻介質(zhì)導(dǎo)入口12流入冷卻介質(zhì)，變成能夠強(qiáng)制冷卻硅單結(jié)晶3。再者，冷卻筒11并不一定要設(shè)置，按照目的的不同，也能夠省略；又，也可以作成使冷卻介質(zhì)流過氣體整流筒，來進(jìn)行單結(jié)晶的強(qiáng)制冷卻。
進(jìn)而，能夠從設(shè)在提拉室2上部的氣體導(dǎo)入口10，導(dǎo)入Ar等的非活性氣體。此非活性氣體，通過氣體整流筒17而被整流，使其通過隔熱構(gòu)件18和原料融液4的融液面之間，并能夠從氣體流出口排出。
而且，本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置20，作為被配置成可以圍繞硅單結(jié)晶3的氣體整流筒17，是使用在氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)設(shè)置含有氣泡的石英材料19的氣體整流筒。含有氣泡的石英材料19，在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，可以設(shè)成圓筒形狀、也可以設(shè)成將平板的石英材料覆蓋在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)。
此處，本發(fā)明的含有氣泡的石英材料19，通常是指被稱為不透明石英玻璃的石英材料。不透明石英玻璃，純度高且耐熱性等的性質(zhì)優(yōu)異，相較于透明的石英玻璃，熱線和紅外線的遮斷性優(yōu)異。通過將如此的不透明石英玻璃設(shè)置在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，在提拉硅單結(jié)晶中，遮斷從加熱器和原料融液等處來的輻射，提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，而將固液界面附近的提拉軸方向的結(jié)晶溫度梯度G，控制成在單結(jié)晶直徑方向成為均勻。由此，將F/G控制成為規(guī)定值，而能夠制造出硅單結(jié)晶，其所希望的缺陷區(qū)域在面內(nèi)均勻地分布。
如此的含有氣泡的石英材料19，其直徑30～120μm的氣泡密度，較佳為5×104個(gè)/cm3以上1×106個(gè)/cm3以下。例如厚度4mm的透明石英玻璃的情況，波長1～2.5μm的紅外線的直線透過率為90％程度，而在含有氣泡的石英材料(不透明石英玻璃)的情況，通過玻璃中的微小的氣泡，紅外線和熱線等被反射，所以例如厚度4mm的具有上述氣泡密度的石英材料，其波長1～2.5μm的紅外線的直線透過率成為0.5％以下。因此，若是具有如此的氣泡密度的石英材料，能夠有效地遮斷從加熱器和原料融液等處來的長波長的紅外線區(qū)域的輻射，提高整流筒內(nèi)部的保溫性，并以高的提拉速度F，將F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠制造出其所希望的缺陷區(qū)域在面內(nèi)均勻地分布的硅單結(jié)晶；同時(shí)擴(kuò)大能夠制造出具有無缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶的提拉速度的控制容許幅度，卻可以得到充分的絕熱性。又，即使是在高溫下，通過氣泡的膨脹，石英材料變成不易發(fā)生變形。特別是氣泡密度若為2×105個(gè)/cm3以上，可更有效地遮斷波長2μm以上的紅外線的輻射。
又，要設(shè)在氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料19，相對于氣體整流筒17內(nèi)側(cè)的表面積，其占有率為20％以上，且厚度較佳為3mm以上。通過這樣的石英材料，能夠更有效率地遮斷從加熱器和硅融液等處來的輻射熱。再者，若考慮加工性、經(jīng)濟(jì)性、石英材料本身的重量等的因素，含有氣泡的石英材料的厚度，較佳為50mm以下。
要設(shè)在氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料19，由于在單結(jié)晶培養(yǎng)中會(huì)曝露在高溫中，因而要求具有優(yōu)異的耐熱性。因此，含有氣泡的石英材料19，也考慮制造上的理由，在1250℃中的對數(shù)黏度值(logarithmicviscosity number)優(yōu)選為10posi以上14posi以下；由此，能夠防止由于高溫所造成的石英材料的變形，而能夠增長石英材料的壽命。此時(shí)，石英材料表面，較好是采用先通過高溫的燃燒器施行燒烤加工，將表面加工成具有光澤且平坦化的表面。
進(jìn)而，設(shè)在如此的氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)的石英材料19，從石英材料表面至深度10μm為止的表面層區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度為不到1ppm，且從石英材料表面算起的深度超過10μm的區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度，優(yōu)選為比前述表面層區(qū)域低。設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的石英材料，只要是具有上述般的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度，便能夠確實(shí)地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而能夠穩(wěn)定地制造出沒有雜質(zhì)污染的高質(zhì)量硅單結(jié)晶。
再者，含有氣泡的石英材料19，除了如第1圖所示地設(shè)置在氣體整流筒17下部的內(nèi)側(cè)以外，例如也可以如圖2(a)所示地將含有氣泡的石英材料19設(shè)在氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)，進(jìn)而可將由碳纖維(carbon felt)等所構(gòu)成的絕熱材料22(被絕熱材料蓋21所覆蓋)設(shè)在此石英材料19的內(nèi)側(cè)下部。若如此地設(shè)置，除了能夠更提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性以外，更能夠防止從絕熱材料來的Fe和Cu等的污染。又，如圖2(b)所示，不僅是氣體整流筒17的內(nèi)側(cè)，其下端和外側(cè)也以含有氣泡的石英材料19包覆；或是如圖2(c)所示，氣體整流筒17本身也可以利用與含有氣泡的石英材料19相同的材料來構(gòu)成。通過上述方法，也能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，進(jìn)而能夠防止由Fe或Cu等所造成污染。
接著，使用上述本發(fā)明的單結(jié)晶制造裝置20，來說明有關(guān)培養(yǎng)硅單結(jié)晶的本發(fā)明的單結(jié)晶制造方法。
使用上述單結(jié)晶制造裝置20，并通過CZ法來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的情況，首先，將晶種16保持在晶種夾頭15上，并在石英坩堝5內(nèi)收容硅的高純度多結(jié)晶原料，然后利用加熱器7加熱至熔點(diǎn)(大約1420℃)以上而使其熔解。而且，一邊從氣體導(dǎo)入口10將Ar等的非活性氣體導(dǎo)入室內(nèi)，一邊通過將吊線14退繞使晶種16的前端接觸或浸入原料融液4的表面大約中心部。之后，使坩堝5、6旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一邊使吊線14旋轉(zhuǎn)一邊將晶種16慢慢地提拉，例如先形成晶頸，然后將直徑擴(kuò)大至所希望的直徑為止而形成晶冠之后，能夠使具有大約為圓柱形狀的晶身部的硅單結(jié)晶3成長。
本發(fā)明，在如此地進(jìn)行硅單結(jié)晶3的培養(yǎng)之際，如前述所說明，氣體整流筒17(在其內(nèi)側(cè)設(shè)置含有氣泡的石英材料19)由于是被配置成可以圍繞硅單結(jié)晶3，所以能夠遮斷從用來加熱硅融液的加熱器和硅融液來的熱輻射，而提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性。由此，能夠控制單結(jié)晶提拉中的固液界面附近的提拉軸方向的溫度梯度G，使其在單結(jié)晶直徑方向可以成為均勻，特別是能夠以高提拉速度來制造硅單結(jié)晶，其無缺陷區(qū)域在面內(nèi)均勻地分布。進(jìn)而，能夠擴(kuò)大(擴(kuò)展)為了制造出無缺陷區(qū)域的提拉速度的控制容許幅度。
具體地說明，例如以其缺陷區(qū)域遍及直徑方向的整個(gè)面而可以成為N區(qū)域的方式來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的情況，按照以能夠在N區(qū)域培養(yǎng)硅單結(jié)晶的晶身部的方式，來進(jìn)行單結(jié)晶的制造的制造環(huán)境(例如單結(jié)晶制造裝置的HZ等)，來設(shè)定提拉速度F。此時(shí)，在本發(fā)明中，由于面內(nèi)的溫度梯度G是均勻的，所以提拉速度F能夠設(shè)定成能夠在N區(qū)域培養(yǎng)硅單結(jié)晶的范圍的最大值。亦即，由于面內(nèi)的溫度梯度G是均勻的，所以提拉速度F即使設(shè)為最大值，其缺陷分布也不會(huì)離開N區(qū)域。
進(jìn)而，在本發(fā)明中，由于在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)設(shè)置含有氣泡的石英材料，所以在單結(jié)晶的培養(yǎng)中，能夠有效地防止從氣體整流筒來的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而能夠高產(chǎn)率且穩(wěn)定地制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。特別是設(shè)在氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的石英材料的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度，若是如前述般的非常低的濃度，則能夠確實(shí)地防止要培養(yǎng)的硅單結(jié)晶受到雜質(zhì)污染。
由上述方法制得的硅單結(jié)晶所得到的晶片，例如在晶片周邊10％中的Fe濃度為1×1010atoms/cm3以下，且Cu濃度為1×1011atoms/cm3以下，而成為沒有發(fā)生雜質(zhì)污染且其晶片整個(gè)面為N區(qū)域的低缺陷的晶片。
以下舉出實(shí)施例來具體地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并未限定于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1采用圖1所示的單結(jié)晶制造裝置20，將150kg原料多結(jié)晶硅置入直徑24英寸(600mm)的石英坩堝5內(nèi)，并通過CZ法提拉直徑8英寸(200mm)、方位<100>、氧濃度22～23ppma(ATSM’79)的硅單結(jié)晶。從提拉室2的天花板，以在單結(jié)晶成長方向圍繞單結(jié)晶的方式，在垂下來的石墨制的氣體整流筒17下端的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡(氣泡直徑為30～120μm、氣泡密度為2×105個(gè)/cm3～3×105個(gè)/cm3)的石英材料19，而其在1250℃中的對數(shù)黏度值為12poise、相對于內(nèi)側(cè)表面積的占有率為90％、厚度為10mm、高度為150mm。再者，包含在石英材料內(nèi)的氣泡密度，是以顯微鏡觀察30mm×10mm×0.3mm尺寸的石英材料，計(jì)算直徑為30～120μm的氣泡數(shù)，再換算成每1cm3的氣泡密度。又，從融液表面至氣體整流筒下端為止的距離，設(shè)為60mm。
作為單結(jié)晶的提拉速度條件，如圖3所示，從單結(jié)晶晶身部10cm至110cm之間的提拉速度，是在0.7mm/min至0.3mm/min的范圍內(nèi)，控制成從結(jié)晶頭部至尾部，逐漸地降低。
接著，從如上述般地培養(yǎng)的單結(jié)晶，在成長軸方向每間隔10cm的部位，切出晶片之后，進(jìn)行平面研削與研磨，制作出檢查用樣品晶片，然后進(jìn)行以下的結(jié)晶質(zhì)量特性的檢查。
(1)FPD(V區(qū)域)與LEP(I區(qū)域)的調(diào)查以無攪拌的方式對樣品晶片施行30分鐘的射哥蝕刻(Secco etching)之后，利用顯微鏡觀察晶片面內(nèi)，確認(rèn)有無FPD與LEP。
(2)OSF區(qū)域的調(diào)查在濕氧環(huán)境下，以1100℃對樣品晶片施行100分鐘的熱處理之后，利用顯微鏡觀察晶片面內(nèi)，確認(rèn)有無OSF區(qū)域。
(3)通過Cu沉積處理所進(jìn)行的缺陷的調(diào)查在樣品晶片的表面形成氧化膜之后，施行Cu沉積處理，確認(rèn)有無氧化膜缺陷。處理?xiàng)l件如以下所述。
氧化膜25nm；電場強(qiáng)度6MV/cm；電壓施加時(shí)間5分鐘。
(4)Fe濃度的測量通過SPV法(Surface Photo-voltage method)來測量樣品晶片的周邊10％亦即從晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部的體積中的平均Fe濃度。再者，F(xiàn)e濃度的測量條件如以下所述。
FeB解離溫度210℃；解離時(shí)間3分鐘；測量裝置SDI公司制的CMS-IIIA。
(5)Cu濃度的測量通過利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)來分析樣品晶片的通過酸蒸氣所產(chǎn)生的全溶解溶液，測量晶片周邊10％(從晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部)的體積中的平均Cu濃度。
關(guān)于利用實(shí)施例1制造出來的硅單結(jié)晶，進(jìn)行上述檢查的結(jié)果，得到圖4所示的結(jié)晶缺陷分布圖，Cu沉積缺陷N區(qū)域/無Cu沉積缺陷N區(qū)域的邊界中的提拉速度是0.51mm/min、無Cu沉積缺陷N區(qū)域/I區(qū)域的邊界中的提拉速度則是0.48mm/min。
從樣品晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部中的Fe濃度，如圖6所示，是3.5～7.6×109atoms/cm3。
又，平均Cu濃度為1×1011atoms/cm3以下。
實(shí)施例2除了采用一種氣體整流筒，其在設(shè)置于單結(jié)晶制造裝置20中的氣體整流筒17下端的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡(氣泡直徑為30～120μm、氣泡密度為5×104個(gè)/cm3)的石英材料19，而其在1250℃中的對數(shù)黏度值為10poise、相對于內(nèi)側(cè)表面積的占有率為90％、厚度為10mm、高度為150mm以外，采用和實(shí)施例1相同的單結(jié)晶制造裝置，并通過CZ法提拉直徑8英寸(200mm)、方位<100>、氧濃度22～23ppma(ATSM’79)的硅單結(jié)晶。再者，作為提拉單結(jié)晶時(shí)的提拉速度條件，與實(shí)施例1相同，從單結(jié)晶晶身部10cm至110cm之間的提拉速度，是在0.7mm/min至0.3mm/min的范圍內(nèi)，控制成從結(jié)晶頭部至尾部，逐漸地降低提拉速度。
關(guān)于利用實(shí)施例2制造出來的硅單結(jié)晶，進(jìn)行上述檢查的結(jié)果，得到大致與實(shí)施例1的圖4相同的結(jié)晶缺陷分布圖，Cu沉積缺陷N區(qū)域/無Cu沉積缺陷N區(qū)域的邊界中的提拉速度是0.51mm/min、無Cu沉積缺陷N區(qū)域/I區(qū)域的邊界中的提拉速度則是0.49mm/min。
從樣品晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部中的Fe濃度，如圖6所示，是4.5～8.1×109atoms/cm3。
又，平均Cu濃度為1×1011atoms/cm3以下。
比較例1除了采用一種氣體整流筒，其在設(shè)置于單結(jié)晶制造裝置中的氣體整流筒下端的內(nèi)側(cè)，設(shè)置相對于內(nèi)側(cè)表面積的占有率為90％、厚度為10mm、高度為100mm的碳纖維制的絕熱材料以外，采用和實(shí)施例1相同的單結(jié)晶制造裝置，并通過CZ法提拉直徑8英寸(200mm)、方位<100>、氧濃度22～23ppma(ATSM’79)的硅單結(jié)晶。再者，作為提拉單結(jié)晶時(shí)的提拉速度條件，與實(shí)施例1相同，從單結(jié)晶晶身部10cm至110cm之間的提拉速度，是在0.7mm/min至0.3mm/min的范圍內(nèi)，控制成從結(jié)晶頭部至尾部，逐漸地降低提拉速度。
關(guān)于利用比較例1制造出來的硅單結(jié)晶，進(jìn)行上述檢查的結(jié)果，得到第5圖(a)所示的結(jié)晶缺陷分布圖，Cu沉積缺陷N區(qū)域/無Cu沉積缺陷N區(qū)域的邊界中的提拉速度是0.51mm/min、無Cu沉積缺陷N區(qū)域/I區(qū)域的邊界中的提拉速度則是0.49mm/min。
從樣品晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部中的Fe濃度，如圖6所示，是1.3～3.4×1011atoms/cm3。又，平均Cu濃度為1～2×1012atoms/cm3。
比較例2除了采用一種氣體整流筒，其在設(shè)置于單結(jié)晶制造裝置中的氣體整流筒下端的內(nèi)側(cè)，設(shè)置相對于內(nèi)側(cè)表面積的占有率為90％、厚度為10mm、高度為100mm的碳纖維制的絕熱材料，并將從融液表面至氣體整流筒下端為止的距離設(shè)為70mm以外，采用和實(shí)施例1相同的單結(jié)晶制造裝置，并通過CZ法提拉直徑8英寸(200mm)、方位<100>、氧濃度22～23ppma(ATSM’79)的硅單結(jié)晶。再者，作為提拉單結(jié)晶時(shí)的提拉速度條件，與實(shí)施例1相同，從單結(jié)晶晶身部10cm至110cm之間的提拉速度，是在0.7mm/min至0.3mm/min的范圍內(nèi)，控制成從結(jié)晶頭部至尾部，逐漸地降低提拉速度。
關(guān)于利用比較例12制造出來的硅單結(jié)晶，進(jìn)行上述檢查的結(jié)果，得到圖5(b)所示的結(jié)晶缺陷分布圖，Cu沉積缺陷N區(qū)域/無Cu沉積缺陷N區(qū)域的邊界中的提拉速度是0.47mm/min、無Cu沉積缺陷N區(qū)域/I區(qū)域的邊界中的提拉速度則是0.44mm/min。
從樣品晶片最外周至直徑方向20mm以內(nèi)的晶片外周部中的Fe濃度，如第6圖所示，是2.1～5.2×1011atoms/cm3。又，平均Cu濃度為1～2×1012atoms/cm3。
實(shí)施例1與實(shí)施例2的硅單結(jié)晶，是通過一種單結(jié)晶制造裝置，其采用將含有氣泡的石英材料配置在其內(nèi)側(cè)的氣體整流筒，而制造出來；由于能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，并能夠?qū)⒐桃航缑娓浇奶崂S方向的溫度梯度控制成在直徑方向成為均勻，所以在面內(nèi)可以得到均勻的缺陷分布。又，利用采用石英材料，能夠防止來自氣體整流筒的Fe與Cu的污染，包含在單結(jié)晶中的Fe與Cu濃度會(huì)變低。特別是實(shí)施例1的硅單結(jié)晶，通過采用氣泡密度更高的石英材料，由于進(jìn)一步地提高氣體整流筒的保溫性，所以可以得到無Cu沉積缺陷N區(qū)域的提拉速度的控制幅度擴(kuò)展至低速側(cè)。
另一方面，比較例1的硅單結(jié)晶，是通過一種單結(jié)晶制造裝置，其采用將碳纖維制的絕熱材料配置在其內(nèi)側(cè)的氣體整流筒，而制造出來；由于能夠提高氣體整流筒內(nèi)的保溫性，可以得到無Cu沉積缺陷N區(qū)域的提拉速度變快，但是由于無法將固液界面附近的提拉軸方向的溫度梯度控制成在直徑方向變得均勻，所以在面內(nèi)無法得到均勻的缺陷分布。因此，相較于實(shí)施例，提拉速度的控制幅度變狹窄。又，會(huì)發(fā)生由碳纖維產(chǎn)生的Fe與Cu的雜質(zhì)污染，結(jié)晶中的Fe與Cu濃度變高。比較例2的硅單結(jié)晶，利用擴(kuò)大融液和氣體整流筒下端的距離，雖然在面內(nèi)可以得到均勻的缺陷分布，可以得到無Cu沉積缺陷N區(qū)域的提拉速度的控制幅度變廣，但是可以得到無Cu沉積缺陷N區(qū)域的提拉速度變慢。又，由于使用碳纖維制絕熱材料，所以結(jié)晶中的Fe與Cu濃度變高。
再者，本發(fā)明并未限定于上述實(shí)施方式。上述實(shí)施方式僅是例示，只要是具有與被記載于本發(fā)明的權(quán)利要求書中的技術(shù)思想實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成，能得到同樣的作用效果者，不論為何者，皆被包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單結(jié)晶制造裝置，是通過切克勞斯基法來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造裝置，其特征為至少在要進(jìn)行前述單結(jié)晶的培養(yǎng)的室內(nèi)，具備氣體整流筒，其被配置成可以圍繞硅單結(jié)晶，用以調(diào)整被導(dǎo)入該室內(nèi)的氣流；在該氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料。
2.如權(quán)利要求1所述的單結(jié)晶制造裝置，其中設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料中的氣泡密度，為5×104個(gè)/cm3以上、1×106個(gè)/cm3以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的單結(jié)晶制造裝置，其中設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，相對于前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的表面積，其占有率為20％以上，且其厚度為3mm以上、50mm以下。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項(xiàng)所述的單結(jié)晶制造裝置，其中設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，在1250℃中的對數(shù)黏度值為10poise以上14poise以下。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的單結(jié)晶制造裝置，其中設(shè)在前述氣體整流筒的內(nèi)側(cè)的含有氣泡的石英材料，從該石英材料表面至深度10μm為止的表面層區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度為不到1ppm，且從石英材料表面算起的深度超過10μm的區(qū)域中的Fe與Cu的平均雜質(zhì)濃度，比前述表面層區(qū)域低。
6.一種單結(jié)晶制造方法，是采用權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的單結(jié)晶制造裝置，來培養(yǎng)硅單結(jié)晶。
全文摘要
一種單結(jié)晶制造裝置，是通過切克勞斯基法來培養(yǎng)硅單結(jié)晶的單結(jié)晶制造裝置，其特征為至少在要進(jìn)行前述單結(jié)晶的培養(yǎng)的室(chamber)內(nèi)，具備氣體整流筒，其被配置成可以圍繞硅單結(jié)晶，用以調(diào)整被導(dǎo)入該室內(nèi)的氣流；在該氣體整流筒的內(nèi)側(cè)，設(shè)置含有氣泡的石英材料。由此，可以提供一種單結(jié)晶制造裝置，當(dāng)培養(yǎng)CZ硅單結(jié)晶的時(shí)候，能夠?qū)谓Y(jié)晶面內(nèi)直徑方向的F/G控制成一定而成為規(guī)定的值，而能夠有效率地制造出在面內(nèi)具有均勻且是所希望的缺陷區(qū)域的硅單結(jié)晶，進(jìn)而防止Fe與Cu的雜質(zhì)污染，而可以制造出高質(zhì)量的硅單結(jié)晶。
文檔編號(hào)C30B15/00GK101040068SQ20058003514
公開日2007年9月19日 申請日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者櫻田昌弘 申請人:信越半導(dǎo)體股份有限公司