專利名稱：硅單晶頸部內(nèi)消除位錯的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用Czochralski法生長的硅單晶的制備。本發(fā)明具體地涉及在硅單晶體尚未生長之前其頸部內(nèi)位錯的消除。
作為半導體電子元件的大多數(shù)制造過程的起始材料的單晶硅通常是用所謂Czochralski法來制備的。在這個方法中，多晶體的硅(“多晶硅”)被裝入到一個坩堝內(nèi)并被熔化，然后使一個籽晶與熔化的硅接，單晶便可在緩慢抽引下生長起來。隨著晶體的開始生長，由于籽晶與熔液接觸時受到熱震動，晶體內(nèi)的位錯也就產(chǎn)生。位錯在生長的晶體中傳播開來并成倍增加，除非它們在籽晶和晶體主體之間的頸部區(qū)域內(nèi)被消除。
在硅單晶內(nèi)消除位錯的傳統(tǒng)采用的Dash法包括用較高的晶體拉伸速率(高達6mm/分)使具有小直徑(2到4mm)的頸部生長借以在晶體主體開始生長之前完全消除位錯。位錯是在頸部(稱為Dash頸部)生長到長度可達100mm時被消除的。
當位錯在頸部內(nèi)被消除后，晶體就開始擴大一直到達晶體主體所需的尺寸為止。然后將晶體從熔液中拉出一直到大多數(shù)熔液被耗盡而形成晶體的漸尖的尾端為止，于是將晶體從晶體拉拔設(shè)備中取出。
頸部是晶體的最薄弱之點，它能在晶體生長時斷裂，使晶體掉落到坩堝內(nèi)。晶體錠的沖擊和飛濺的熔化多晶硅能夠損壞坩堝、基座和加熱器，使多晶硅熔液成為不可搶救，并嚴重地危及安全。具有Dash頸部的傳統(tǒng)的200mm直徑的晶體通常只生長到重量為100kg或以下以便不使頸部由于應力而斷裂。
曾經(jīng)嘗試用增大頸部直徑的辦法來減少由于頸部斷裂而招致的設(shè)備和原材料的損失及對安全的危害。日本專利公報05-43379號曾描述過一種消除位錯的方法，其時所形成的頸部具有比Dash頸部更大的直徑。消除位錯時頸部是以從4mm/分到6mm/分范圍內(nèi)的速率被拉伸著，其時在4.5mm到10mm的范圍內(nèi)維持一個恒定的直徑。當頸部直徑超過10mm時，據(jù)說位錯就難以消除。
在本行業(yè)中普遍接受的觀點是，當頸部直徑超過10mm時位錯就不能始終如一地被消除掉。而按照Dash的技術(shù)，即使限制晶體的重量使它能被Dash頸部所支承，大多數(shù)硅單晶的頸部是會不斷生長的。
還有些人曾嘗試用給晶體增加支承的辦法來減少頸部斷裂。美國專利5,126,113號曾描述過一種在單晶錠生長時間來支承的設(shè)備。晶體內(nèi)的位錯是用Dash法生長的小直徑頸部來消除的。于是在晶體的錐形部尚未開始形成之前，在Dash頸部下面就生長出一個大直徑的鼓起。采用機械的夾鉗夾持鼓起部下面的凹進部分就可支承生長中的晶體。但當夾鉗夾持晶體時，夾鉗會擾亂晶體穩(wěn)定生長的操作條件，并會使Dash頸部破裂。
因此需要有一種改進的方法，以便用來消除單晶體頸部內(nèi)的位錯，使大直徑、零位錯(即沒有位錯)的單晶體能夠生長出來，而不會發(fā)生重大的設(shè)備損壞、原材料損失、對安全的危害及生產(chǎn)能力和生產(chǎn)量的減少。
因此，在本發(fā)明的眾多目的中可以提出的是提供一種具有大直徑的頸部而沒有位錯的單晶體；提供一種單晶體，其頸部能在晶體生長或搬運時支承較重的晶體而不會斷裂；提供一種單晶體，其頸部能夠支承傳統(tǒng)的頸部所不能支承的較大直徑的晶體；以及提高用Czochralski法生成的零位錯單晶體的產(chǎn)量和生產(chǎn)能力。
本發(fā)明的其他一些目的和優(yōu)點可從下面的詳細說明中清楚地看出。
本發(fā)明的一個具體目標是一種用Czochralski法制備的硅單晶，其頸部可分為上部、中部和下部。上部含有位錯。中部介在上部與下部之間。大部分中部和下部具有的直徑大于10mm，而下部沒有位錯。該晶體還有一向外張開的區(qū)段鄰接頸部的下部以及一個主體鄰接向外張開的區(qū)段。
本發(fā)明還有一個具體目標是一種用Czochralski法制備的硅單晶，其頸部可分為上部、中部和下部。下部含有位錯。中部介在上部和下部之間。中、下部都沒有一個部分的直徑小于約10mm。下部沒有位錯。該晶體也具有一個向外張開的區(qū)段鄰接頸部的下部，以及一個主體鄰接向外張開的區(qū)段。主體的重量至少有200kg并且當主體從硅熔液中生長出來時完全是由頸部支承的。
本發(fā)明另一個實施例為用Czochralski法從P+型硅中制備的一種硅單晶。其頸部可分為上部、中部和下部，上部含有位錯。中部介在上部和下部之間。大部分中部和下部的直徑部大于10mm，并且中、下部都沒有一個部分的直徑小于約8.5mm或大于約17mm。下部沒有位錯。該晶體具有一個向外張開的區(qū)段鄰接頸部的下部，以及一個主體鄰接向外張開的區(qū)段。
本發(fā)明還有另一個實施例是一種方法，用來在Czochralski所生的硅單晶頸部內(nèi)消除位錯。多晶硅在坩堝中被加熱成為熔液。使一個籽晶與熔液接觸一直到籽晶開始被熔化，在籽晶中形成位錯。于是從熔液中抽引籽晶以便形成一個具有上部和中部的頸部。上部位在籽晶和中部之間并且含有位錯。大部分中部的直徑大于10mm。頸部是以小于約4.0mm/分的速率生長起來的一直到中部內(nèi)的位錯被消除為止。


圖1為示出實施本發(fā)明的一個單晶體的上部區(qū)域的垂直方向切面圖；圖2示出沿著一個單晶體頸部長度的位錯密度。
按照本發(fā)明，我們曾發(fā)現(xiàn)，在一直徑超過10mm的晶體頸部，當晶體以小于約4.0mm/分的速率拉伸時，位錯能被消除。當頸部在較慢的拉伸速率下生長時，位錯被消滅的速率快于它們產(chǎn)生的速率，這樣在大直徑的晶體頸部內(nèi)，位錯便可完全被消除。這種方法能使直徑超過400mm重量超過200kg的晶體錠的生長成為可能。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，其中所示的單晶體10具有一個籽晶12、一個頸部14、一個錐部16、一個肩部18和一個主體20。晶體10的生長是從沒有位錯的籽晶開始的，而熔化的半導體材料的如硅是用Czochralski法制得的。
頸部14包括一個在籽晶12從硅熔液中被拉引出來時便生成的上部22、一個在上部下面生成的中部24和一個在中部下面生成的下部2b。中、下部是以基本上恒定的直徑生長的。由于本發(fā)明的目的，頸部中、下部的直徑在其長度上基本維持恒定，偏差可保持在所需直徑的15％以內(nèi)。上部22通常是從籽晶12的直徑帶斜度地來到中部24的較小的、基本上恒定的直徑上。但籽晶和上、中、下部的直徑也可基本上都一樣，這樣上部就不必相對于中部而向外張開了。
在鄰接籽晶12的上部22的區(qū)段中所含有的位錯(未示出)首先是由于沒有位錯的籽晶在與硅熔液接觸時受到熱震動而引起的。當頸部以小于約4.0mm/分的拉伸速率生長時，位錯的消失較快于位錯的生成。在頸部的中部位錯的密度便已減小，而在頸部的下部26位錯完全被消除。
一旦頸部的下部26沒有位錯，Czochralsi法的其余部分便可按傳統(tǒng)的方式進行。鄰接著沒有位錯的頸部下部，錐體16的一個向外張開的區(qū)段便生長出來。錐體16是由于晶體直徑不斷增大而生成的。而肩部18是在達到單晶體所需直徑時形成的。接著當主體20按與肩部18相同的直徑生長時拉伸速率維持不變。漸尖的尾端(未示出)是在熔液接近用完時由于拉伸速率和熔液溫度的增加而形成的。在頸部生長后單晶體能保持沒有位錯。在傳統(tǒng)的Czochralski拉伸器中所流行的生長環(huán)境下在硅中產(chǎn)生新的位錯是非常困難的。
這樣，本發(fā)明的方法便可消除頸部內(nèi)的位錯同時頸部又可有一較大的直徑。頸部中大多數(shù)中、下部是在直徑大于10mm時生長的。在較好的情況下，至少大約有50％、60％或70％的中、下部的直徑大于10mm，在更好的情況下，至少有大約80％，而在還要好的情況下，甚至可以至少有大約90％或100％做到這枯。頸部必須在錐體的向外張開的區(qū)段開始生長之前把頸部內(nèi)的位錯消除掉。在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，只要頸部的中、下部中沒有一個部分的直徑超過大約17mm，更適宜一些為大約15mm，位錯便可被消除。另一種適宜的提法是，只要頸部的中、下部中沒有一個部分的直徑小于約8.5mm或大于約17mm，更適宜一些為小于約10mm或大于約15mm，甚至更適宜一些為小于約10mm或大于約13mm，位錯便可被消除。
頸部就是將其中、下部維持在這樣的直徑而生長的，其時拉伸速率應小于4.0mm/分，較好是小于3.0mm/分。一般地說，拉伸速率的范圍為從約1.0mm/分到約3.00mm/分，較好為從約1.8mm/分到約2.2mm/分，而更好約為2.0mm/分。雖然能用較快的拉伸速率，但迄為止的經(jīng)驗告訴我們在這種情況下，頸部直徑的波動會變得難以控制，而過度的波動又會引起位錯的形成。Dash頸部生長的經(jīng)驗還告訴我們，在拉伸速率低于1.0mm/分的情況下，錯位會變得更難去除。
拉伸速率可根據(jù)晶體整個生長過程中直徑的波動來調(diào)節(jié)。如果頸部中、下部的直徑的偏差能保持在所需直徑的15％以內(nèi)(即基本上是恒定的)，或更好地保持在10％在內(nèi)，那么頸部內(nèi)的位錯便能被消除。拉伸速率和熔液溫度可用來使用直徑維持在可接受的范圍內(nèi)。當直徑變得過窄時可降低拉伸速率，而當直徑變得過寬時則可提高拉伸速率。
使頸部生長到一個位錯全被消除的長度。合適的長度可這樣確定使一晶體頸部按所需的直徑、拉伸速率和長度生長，從整個頸部長度上取下一塊軸向薄片，磨光其表面，研磨并化學腐蝕該表面以便顯示位錯，然后測量位錯被消除時所達到的長度。接下來的按相同直徑和拉伸速率生長的晶體便可生長到大致相同的長度。例如，當所需直徑在10mm和約13mm之間時，適宜使頸部中、下部的長度生長到從約120mm到約180mm的范圍，更適宜是從約150mm到約160mm的范圍。為了消除位錯而生長出比需要長的中、下部會增加晶體拉伸操作的費用并減少產(chǎn)量。
本發(fā)明的方法特別適宜用來消除硅單晶的大直徑頸部內(nèi)的位錯。本方法最好用來消除由P+型硅形成的單晶體內(nèi)的位錯，該晶體在硅內(nèi)摻雜著硼，具有不大于0.1Ω°cm的電阻率。雖然本方法也可用來消除由其他半導體材料或其他型式的硅形成的單晶體內(nèi)的位錯，但經(jīng)驗顯示，比起n+型或P-型硅來，位錯更易從P+型硅中消除。
當采用商業(yè)上有售的晶體拉伸設(shè)備如Hamco 3000刑型CZ拉伸機時，本發(fā)明的方法能夠自動化。操作者能選擇中、下頸部所需的直徑和長度、目標拉伸速率、以及Czochralski拉伸法其余部分的參數(shù)。晶體拉伸設(shè)備將控制直徑、拉伸速率和加熱器功率以便如上所述使中、下部分維持一個基本上恒定的直徑。在晶體生長過程中，在晶體表面上出現(xiàn)的成行的小平面指出在晶體內(nèi)沒有位錯。在晶體被拉成后，晶體錠可分割成薄片以便用來分析位錯，從而確定所生長的晶體是否屬于零位錯。如果在薄片的目視檢驗中就可見到位錯，那么在晶體頸部內(nèi)位錯就可能沒有被消除。
下面兩個例子用來說明本發(fā)明的較優(yōu)實施例和效益，但除了在所附的權(quán)利要求書所說明的以外并不打算用來限定本發(fā)明。例1硅單晶在一自動化的3000型的Czochralski晶體拉伸機中拉制，該機具有熔凝石英坩堝，其中裝有26kg的大塊P+型多晶硅，內(nèi)含1×1019個硼原子/cm3(目標電阻率為0.009Ω°cm)。選定目標拉伸速率為2.4mm/分，頸部直徑為11mm，及頸部長度為200mm。當晶體拉伸機調(diào)節(jié)加熱器功率和拉伸速率以便維持所需的頸部直徑時頸部能自動生長。
然后將單晶的頸部進行化學腐蝕以便顯示位錯。整個頸部的一個軸向切面的(110)面被磨光機械拋光，然后在10∶3∶1的HAC∶HNO3∶HF溶液中浸泡10分鐘進行化學拋光以便去除任何表面損傷。然后將該(110)面用Wright法侵蝕20分鐘以便顯示位錯侵蝕坑。該侵蝕坑在一Nikon Nomarski的干涉對比顯微鏡中進行觀察，放大100倍。沿著晶體的長度在中心(-◆)和在邊上(-■-)的位錯的密度如圖2所示。在頸部的范圍從180mm至200mm的底部上沒有觀察到位錯侵蝕坑，這表明在晶體的頸部內(nèi)，位錯已完全消除。
例2硅單晶在一Leybold 2000的Czochralski的晶體拉伸機中拉制，該機裝有60kg的大塊P+型多晶硅，內(nèi)含1×1019個硼原子/cm3(目標電阻率為0.009Ω°cm)。選定目標拉伸速率為2.0mm/分，頸部直徑為13mm，及頸部長度為165mm。當晶體拉伸機調(diào)節(jié)加熱器功率和拉伸速率以便維持所需的頸部直徑時頸部能自動生長。在頸部生長過程中，頸部直徑在12mm和14mm之間變化，實際拉伸速率在1.0mm/分和3.0mm/分之間變化。
在整個晶體上出現(xiàn)成行的小平面，這表明沒有位錯。另外，在從單晶體切下的薄片上用肉眼沒有觀察到位錯蝕坑，這表明在晶體的頸部內(nèi)位錯已完全消除。
雖然本發(fā)明很容易有各種變型和可替代的形式，這里還是用圖例將其具體實施例詳細說明。應該理解的是，這樣做并不是要將本發(fā)明限制在所公開的具體形式內(nèi)，恰恰相反，我們認為本發(fā)明應包括所有的變型、等同物和可替代物，只要它們是在后面的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的主旨和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用Czochralski法制備的硅單晶，其特征為具有一個可分為上部、中部和下部的頸部，上部含有位錯，中部介在上部和下部之間，大多數(shù)中部和下部的直徑大于10mm，而下部沒有位錯；一個向外張開的區(qū)段鄰接頸部的下部；及一個主體鄰接向外張開的區(qū)段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體，其特征為，中、下頸部中沒有一個部分的直徑大于約17mm。
3.權(quán)利要求1的晶體，其特征為，中、下頸部中沒有一個部分的直徑小于約8.5mm或大于約15mm。
4.權(quán)利要求1的晶體，其特征為，中、下頸部中沒有一個部分的直徑小于約10mm。
5.權(quán)利要求1的晶體，其特征為，主體沒有位錯，并且其直徑至少為200mm。
6.權(quán)利要求1的晶體，其特征在于，所用硅為P+型硅。
7.權(quán)利要求1的晶體，其特征為，相對于中頸部而言，上頸部是向外張開的。
8.權(quán)利要求1的晶體，其特征為，主體的重量至少為200kg并且當主體從硅熔液中生長同來時，其重量完全是由頸部支承的。
9.一種在用Czochralski法生成的硅單晶的頸部內(nèi)消除位錯的方法，該方法的特征為具有下列步驟在坩堝中加熱多晶硅使成為熔液；使一個籽晶與熔液接觸，一直到籽晶開始被熔化，在籽晶中形成位錯；從熔液中抽引籽晶以便形成一個具有上部和中部的頸部，上部位在籽晶和中部之間并且含有位錯，大部分中部的直徑大于10mm；及使頸部以小于約4.0mm/分的速率生長一起到頸部中部的位錯被消除為止。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征為，頸部是以約1.0mm/分到約3.0mm/分的速率生長的。
11.權(quán)利要求9的方法，其特征為，頸部是以約1.8mm/分到約2.2mm/分的速率生長的。
12.權(quán)利要求9的方法，其特征為，在頸部的中部中沒有一個部分的直徑大于約17mm。
13.權(quán)利要求9的方法，其特征為，在頸部的中部中沒有一個部分的直徑小于約8.5mm或大于約15mm。
14.權(quán)利要求9的方法，其特征為，所用硅為P+型硅。
15.權(quán)利要求9的方法，其特征為，在頸部內(nèi)的位錯被消除后，還包括一個步驟，即在頸部下面生成一個向外張開的區(qū)段，及鄰接該向外張開的區(qū)段形成一個主體。
全文摘要
一種用Czochralski方法制備的硅單晶，其特征為包括一個可分為上部、中部和下部的頸部。上部含有位錯。中部介在上部和下部之間。大部分中、下部的直徑大于10mm，而下部沒有位錯。該晶體還包括一個鄰接頸部下部的向外張開的區(qū)段，以及一個鄰接向外張開區(qū)段的主體。
文檔編號C30B15/20GK1148103SQ9610227
公開日1997年4月23日 申請日期1996年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月7日
發(fā)明者薩達西萬·錢德拉賽卡爾, 金永民 申請人:Memc電子材料有限公司