[发明专利]单晶硅生长超声波控氧技术

说明书

本发明技术是一种单晶硅生长超声波控氧技术；在硅熔体的表面引入一组超声波，超声波振头均匀分布在与硅单棒和坩埚同轴的圆上。超声波振头之间的距离为振头到坩埚壁距离的1.5‑2倍。超声波振头由高纯石英材料制成，伸入到硅熔体表面以下10‑15mm开，并在晶体生长过程中始终保持同一深度。在硅单晶等径生长过程中，引入超声波振荡，抑制坩埚附近的高氧浓度区的热自然对流，加速晶转引起的硅熔体从中心向四周的流动，促进氧在自由表面的挥发，同时降低熔体中的Si‑O气体的溶解度，促进Si‑O在熔体表面的挥发，从而控制晶体中的氧含量。

技术领域

本发明涉及一种单晶硅生长超声波控氧技术，具体涉及硅熔融液中氧含量的控制，特别涉及在硅熔体中引入超声波，对硅熔融液进行振荡，降低氧元素在硅熔融液中的溶解度。

背景技术

在单晶硅的制造工艺中，最常使用的是直拉法（Czochralski，缩写CZ），在直拉法中，多晶硅是填充在石英玻璃坩埚（也称石英坩埚）中，然后加热熔融形成硅熔液，在硅熔液中浸入籽晶后向上旋转提拉，硅在籽晶与熔溶液的界面处凝固结晶，形成单晶硅棒（锭）。

氧是CZ法硅单晶中含量最高，行为最复杂的一种杂质，其含量可高达3×10¹⁸/cm³。氧是硅单晶研究最多的元素，对其含量的控制，一直是硅材料领域中重要的研究课题之一。在硅单晶生长过程中硅与盛硅的石英坩埚发生反应，生成一氧化硅进入熔体，是硅中氧的主要来源。石英坩埚的溶解速度主要与温度，炉室内压力，石英坩埚表面状态，坩埚/熔体界面上的边界层厚度等因素有关。温度越高，压力越低、表面粗糙越大，坩埚的溶解速度越快。根据CHANEL和YARKER给出的测试数据，石英坩埚的溶解速度为1.5mg/cm²h。溶解于硅熔融液中的氧在石英坩埚中存在三个浓度梯度分布区域，即三个边界层：分别为石英坩埚与熔体界面的边界层，是高氧区。氧通过熔体的自然热对流进入熔体内部。二是晶体与熔体界面的边界区，是中氧区。氧通过自然热对流和强迫对流通过边界层进入到晶体中。三是熔体与气体界面边界层，是贫氧区。氧通过边界层挥发。约99%以上的氧从熔体表面挥发到炉室内，仅小部分的氧进入晶体中。可见，氧掺入晶体的浓度，取决于三个扩散边界层和三个界面的面积。边界层厚度取决于熔体热对流，而界面面积取决于装料量和坩埚尺寸与形状以及晶体的直径等。其中坩埚和熔体的界面面积与熔体自由表面积之比是决定进入晶体中氧含量的重要因素。在晶体生长过程中，随着晶体的生长，晶体重量不断增加，而坩埚内的熔体重量随之减少。所以氧在晶体中的分布是不均匀的，一般为晶体头部含量高，尾部含量低。晶体中心部位含量高，边缘部位含量低。

氧在硅晶格中处于间隙位置，对位错起钉扎作用，增加晶体的机械强度，避免硅片在器件热处理工艺过程中发生形变。硅单晶中高含量的氧处于过饱和状态，在适当的温度下会脱溶并以氧与硅形成络合体的形式发生沉淀。氧与硅形成的络合物十分复杂，在不同温度下形式各异，对硅单晶性能影响也不相同。氧的沉淀可被用来形成可控制的晶格缺陷，用来诱生层错和位错环，对金属杂质和过饱点缺陷进行本征吸除，在抛光片表面形成洁净区。氧沉淀在450℃温度下形成热施主，其浓度最高可达达5×10¹⁵/cm³。影响轻掺硅单晶电阻的真实性，使P型电阻率升高，N型电阻率降低，故轻掺硅单晶片需要在650℃温度下进行热处理，以消除热施主的影响。氧沉淀诱生的缺陷对集成电路的成品率产生不利的影响。特别是随着集成电路的发展，集成度不断提高，线宽不断缩小，这种影响更为突出。