[发明专利]硅单晶的生长装置

说明书

本案是申请号200510123870.9，申请日为2005年11月23日，名称为“硅单晶的生长方法、生长装置及由其制造的硅片”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及使高质量的硅单晶生长的方法，更具体地说，涉及通过切克劳斯基单晶生长法使硅单晶生长时，控制硅熔体的温度分布使高质量的硅单晶结晶块生长的方法和生长装置及由其制造的硅片。

背景技术

现在为了能够增大半导体元件的成品率，使高质量的硅单晶结晶块生长，主要是控制结晶后的单晶结晶块的高温区域的温度分布。这是为了控制结晶后因冷却所导致的收缩等引起的应力等，或者在凝固时产生点缺陷的行为。

一般地，在通过切克劳斯基单晶生长法使硅单晶结晶块生长的方法中，在石英坩埚的内部装载着多晶体硅，用由加热器辐射的热量使多晶体硅熔融，制成硅熔体后，使硅单晶结晶块从硅熔体的表面生长。

使硅单晶结晶块生长时，使支撑坩埚的轴一边旋转一边使坩埚上升，以使固-液界面保持在同一高度，硅单晶结晶块以和坩埚的旋转轴同一个轴为中心，以与坩埚的旋转方向相反的方向边旋转边提升。

此外，为了使硅单晶结晶块平稳地生长，大多采用把象氩(Ar)气这样的非活性气体通入结晶块生长装置的上部后，使其从结晶块生长装置的下部排出的方法。

像这样在现有的硅单晶结晶块的制造方法中，为了调节生长中的硅单晶结晶块的温度梯度，设置了热屏蔽和水冷管等。利用热屏蔽等调节硅单晶结晶块的温度梯度的现有技术，有韩国专利注册号第374703号、韩国专利注册号第0411571号、美国专利注册号6,527,859等。

但像这样只调节硅单晶结晶块的温度梯度，生产出点缺陷浓度低的高质量的硅单晶结晶块及硅片是有限度的。

特别是，如果使用通过现有的方法制造的硅片来制造半导体器件，由于在器件制造工序中要经过多次热处理，由点缺陷形成微析出缺陷(micro precipitates)产生废品，其结果产生器件成品率降低的问题。

另一方面，如美国专利5,919,302、6,287,380、6,409,826所记载的，因为现在晶体的垂直温度梯度(G₀)存在G₀＝c+ax²的形式，所以存在从晶片的周边向中心方向空位浓度增加，间隙浓度减小的倾向。在晶片的周边附近，如果没有发生充分的外部扩散(out-diffusion)，显示出LDP等的间隙特征的晶体缺陷，所以通常以中心部分高空位浓度的状态进行晶体生长。因此，由于空位浓度远远高于平衡浓度，从晶片中心部分容易产生空位特征的晶体缺陷(例如，空穴(void)、氧化堆垛层错(OiSF：oxidation induced stacking fault))，即使控制住空穴和氧化堆垛层错区域，由半导体工序的多次热处理也能够产生潜在的微析出缺陷。

为了制造高品质的硅单晶，控制硅单晶结晶块的温度分布的其他现有技术有如下一些。在日本专利申请平2-119891中通过在单晶冷却过程中采用高温区域的热区控制硅单晶结晶块的中心和周边的温度分布，通过凝固应变(strain of solidification)使硅单晶的晶格缺陷减少，特别是，这里用冷却套管(sleeve)增大单晶生长方向的固化率(solidification rate)，减少了晶格缺陷。此外，在日本专利申请平7-158458中是控制晶体内温度分布和晶体的拉拔速度，在日本专利申请平7-66074中是通过改善热区，控制冷却速度，来控制缺陷密度的。在日本专利申请平4-17542和美国专利6,287,380中通过改变热区，控制冷却速度，利用点缺陷的扩散来抑制晶体缺陷形成。在韩国专利申请2002-0021524中主张通过改善热屏蔽和水冷管，提高高质量单晶的生产率。在日本专利申请平5-61924中通过增加晶体的生长速度的周期性变化，有效利用氧致堆垛层错(OSF)和氧析出缺陷等晶体缺陷发生区域的滞后，使在硅单晶结晶块内不产生晶体缺陷。

但是，由于这样的现有技术以固相反应为基础，所以存在如下问题。第一是为达到高质量硅单晶的目的伴随有很多限制。例如，在美国专利6,287,380中通过使过饱和点缺陷在晶体缺陷生长之前在高温区域进行充分扩散反应，来降低点缺陷的浓度，但由于其花费的温度保持时间长达16小时以上，所以存在着只在理论上有可能，而不能实际应用的问题。