[发明专利]具有氧浓度特性改进的半导体单晶生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体单晶生长方法，该方法使用强水平磁场通过 Czochralski工艺(Czochralski process，柴氏拉晶法)通过在半导体 单晶生长期间控制流入半导体单晶的氧浓度来生长高质量半导体 单晶。

背景技术

在通过Czochralski工艺的硅单晶生长中，需要石英坩埚来容纳 由加热器所熔化的硅熔体。然而，石英坩埚与硅熔体反应并在该熔 体中溶解。因此，氧从坩埚中被洗提并通过固-液界面流入单晶。流 入单晶的氧增加了晶片的强度并在晶片中产生体内微缺陷(BMD)， 其在半导体工艺期间成为金属杂质吸取区(gettering site)并导致多 种晶体缺陷和偏析，因此降低了半导体器件的产量。因此，在通过 Czochralski工艺的硅单晶生长期间，应当适当控制通过固-液界面流 入单晶的氧的浓度。

传统地，对坩埚旋转速度、对氩(Ar)气流量或压力进行控制 用于氧浓度控制。并且，改变勾形磁场(cusp magnetic field)的条 件以变化氧浓度而同时少许降低晶体缺陷水平。此外，已报道在使 用超导水平磁体的强水平磁场条件下氧浓度受到坩埚旋转速度的 影响。

作为涉及氧浓度控制的技术，日本专利公开号9-235192公开了 当通过MCZ(施加磁场Czochralski方法)提升硅单晶时将单晶和 坩埚的旋转速度控制至预定范围从而降低氧浓度以及在径向上的 氧浓度偏差。根据该技术，对于直径大约6英寸的小-直径硅单晶， 在径向上氧浓度偏差水平可以达到±0.5ppma。然而，对于直径大 约12英寸的大-直径硅单晶，在径向上氧浓度偏差水平可能被劣化。

作为另一实例，韩国专利号735902教导一种技术，其根据强 水平磁场条件下单晶的长度来控制坩埚旋转速度并且对氩(Ar)气 流量和压力进行附加地控制从而有效地控制氧浓度。然而，该技术 适合于控制直径大约8英寸的小-直径硅单晶的氧浓度。

通过施加强水平磁场用于控制氧浓度的传统技术主要旨在使 用包含较小体积硅熔体的直径为24英寸以下的坩埚来生长直径为8 英寸以下的单晶。如果使用上述技术来利用直径为32英寸的坩埚 生长直径为12英寸以上的单晶，无法做到氧浓度控制。这是由于 硅熔体的体积增加80％以上，将导致熔体的不稳定流动。即，熔体 体积越大，熔体的流动越不稳定，并因此氧性态(behavior)变得 复杂。因此，根据单晶的长度(熔体的体积)简单地改变氩气流量 或压力不能导致对于氧浓度的适当控制。同时，在强水平磁场的条 件下发生氧性态的无序。方案应当根本上解决无序问题并且改进由 熔体的严重不稳定流动所引起的提拉速度上改变的幅度(width)。

由于锭(ingot)的长度较大，熔体和坩埚之间的接触面积减少。 为了克服该减少影响，传统技术逐渐增加坩埚旋转速度(将坩埚速 度设定在0.1rpm和0.9rpm范围之间或在0.3rmp和0.7rmp范围 之间)。在这种情况下，如图1所示，根据锭的主体(body，晶体) 的中间阶段处的概率，氧浓度降低。图1中，在上部和下部水平参 考线之间的部分(由点链线所表示)意味着优选的氧浓度范围。施 加上述坩埚旋转速度导致对于直径为8英寸以下的单晶的11ppma 以上的氧浓度，但是其导致直径为12英寸以上的单晶的非常不稳 定的氧浓度分布，原因在于大-直径单晶使用较大体积的熔体。

并且，在根据上述技术对氩气流量和压力进行控制的情况下 (氩气流量从160lpm减小至140lpm，并且压力从50Torr增加至 60Torr到70Torr)从而控制氧浓度，如图2所示在锭的主体的中间 阶段氧浓度降低。