[发明专利]硅单晶颈部内消除位错的方法

说明书

本发明一般地涉及用Czochralski法生长的硅单晶的制备。本发明具体地涉及在硅单晶体尚未生长之前其颈部内位错的消除。

作为半导体电子元件的大多数制造过程的起始材料的单晶硅通常是用所谓Czochralski法来制备的。在这个方法中，多晶体的硅(“多晶硅”)被装入到一个坩埚内并被熔化，然后使一个籽晶与熔化的硅接，单晶便可在缓慢抽引下生长起来。随着晶体的开始生长，由于籽晶与熔液接触时受到热震动，晶体内的位错也就产生。位错在生长的晶体中传播开来并成倍增加，除非它们在籽晶和晶体主体之间的颈部区域内被消除。

在硅单晶内消除位错的传统采用的Dash法包括用较高的晶体拉伸速率(高达6mm/分)使具有小直径(2到4mm)的颈部生长借以在晶体主体开始生长之前完全消除位错。位错是在颈部(称为Dash颈部)生长到长度可达100mm时被消除的。

当位错在颈部内被消除后，晶体就开始扩大一直到达晶体主体所需的尺寸为止。然后将晶体从熔液中拉出一直到大多数熔液被耗尽而形成晶体的渐尖的尾端为止，于是将晶体从晶体拉拔设备中取出。

颈部是晶体的最薄弱之点，它能在晶体生长时断裂，使晶体掉落到坩埚内。晶体锭的冲击和飞溅的熔化多晶硅能够损坏坩埚、基座和加热器，使多晶硅熔液成为不可抢救，并严重地危及安全。具有Dash颈部的传统的200mm直径的晶体通常只生长到重量为100kg或以下以便不使颈部由于应力而断裂。

曾经尝试用增大颈部直径的办法来减少由于颈部断裂而招致的设备和原材料的损失及对安全的危害。日本专利公报05-43379号曾描述过一种消除位错的方法，其时所形成的颈部具有比Dash颈部更大的直径。消除位错时颈部是以从4mm/分到6mm/分范围内的速率被拉伸着，其时在4.5mm到10mm的范围内维持一个恒定的直径。当颈部直径超过10mm时，据说位错就难以消除。

在本行业中普遍接受的观点是，当颈部直径超过10mm时位错就不能始终如一地被消除掉。而按照Dash的技术，即使限制晶体的重量使它能被Dash颈部所支承，大多数硅单晶的颈部是会不断生长的。

还有些人曾尝试用给晶体增加支承的办法来减少颈部断裂。美国专利5,126,113号曾描述过一种在单晶锭生长时间来支承的设备。晶体内的位错是用Dash法生长的小直径颈部来消除的。于是在晶体的锥形部尚未开始形成之前，在Dash颈部下面就生长出一个大直径的鼓起。采用机械的夹钳夹持鼓起部下面的凹进部分就可支承生长中的晶体。但当夹钳夹持晶体时，夹钳会扰乱晶体稳定生长的操作条件，并会使Dash颈部破裂。

因此需要有一种改进的方法，以便用来消除单晶体颈部内的位错，使大直径、零位错(即没有位错)的单晶体能够生长出来，而不会发生重大的设备损坏、原材料损失、对安全的危害及生产能力和生产量的减少。

因此，在本发明的众多目的中可以提出的是：提供一种具有大直径的颈部而没有位错的单晶体；提供一种单晶体，其颈部能在晶体生长或搬运时支承较重的晶体而不会断裂；提供一种单晶体，其颈部能够支承传统的颈部所不能支承的较大直径的晶体；以及提高用Czochralski法生成的零位错单晶体的产量和生产能力。

本发明的其他一些目的和优点可从下面的详细说明中清楚地看出。

本发明的一个具体目标是一种用Czochralski法制备的硅单晶，其颈部可分为上部、中部和下部。上部含有位错。中部介在上部与下部之间。大部分中部和下部具有的直径大于10mm，而下部没有位错。该晶体还有一向外张开的区段邻接颈部的下部以及一个主体邻接向外张开的区段。

本发明还有一个具体目标是一种用Czochralski法制备的硅单晶，其颈部可分为上部、中部和下部。下部含有位错。中部介在上部和下部之间。中、下部都没有一个部分的直径小于约10mm。下部没有位错。该晶体也具有一个向外张开的区段邻接颈部的下部，以及一个主体邻接向外张开的区段。主体的重量至少有200kg并且当主体从硅熔液中生长出来时完全是由颈部支承的。

本发明另一个实施例为用Czochralski法从P⁺型硅中制备的一种硅单晶。其颈部可分为上部、中部和下部，上部含有位错。中部介在上部和下部之间。大部分中部和下部的直径部大于10mm，并且中、下部都没有一个部分的直径小于约8.5mm或大于约17mm。下部没有位错。该晶体具有一个向外张开的区段邻接颈部的下部，以及一个主体邻接向外张开的区段。