单晶硅生长氧含量控制技术的制作方法
【技术领域】 [0001] 本发明设及一种低氧含量单晶娃的生长技术，具体设及娃烙融液中氧含量的控制，特 别设及采用高频振荡技术，对娃烙融液进行振荡，降低氧在娃烙融液中的溶解度。
【背景技术】 [0002] 在单晶娃的制造工艺中，最常使用的是直拉法(Czoc虹alski，缩与CZ)，在直拉法中，多 晶娃是填充在石英玻璃相蜗(也称石英相蜗）中，然后加热烙融形成娃烙液，在娃烙液中浸 入巧晶后向上旋转提拉，娃在巧晶与烙溶液的界面处凝固结晶，形成单晶娃棒(锭）。
[0003] 氧是CZ法娃单晶中含量最高，行为最复杂的一种杂质，其含量可高达3 X l〇w/cm3。 氧是娃单晶研究最多的元素，对其含量的控制，一直是娃材料领域中重要的研究课题之一。 在娃单晶生长过程中娃与盛娃的石英相蜗发生反应，生成一氧化娃进入烙体，是娃中氧的 主要来源。石英相蜗的溶解速度主要与溫度，炉室内压力，石英相蜗表面状态，相蜗/烙体界 面上的边界层厚度等因素有关。溫度越高，压力越低、表面粗糖越大，相蜗的溶解速度越快。 根据CHA肥L和YARK邸给出的测试数据，石英相蜗的溶解速度为1.5mg/cm 2h。溶解于娃烙融 液中的氧在石英相蜗中存在Ξ个浓度梯度分布，即Ξ个边界层:分别为石英相蜗与烙体界 面的边界层，是高氧区。氧通过烙体的自然热对流进入烙体内部。二是晶体与烙体界面的边 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。Ξ是烙体与气体 界面边界层，是贫氧区。氧通过边界层挥发。约99%W上的氧从烙体表面挥发到炉室内，仅小 部分的氧进入晶体中。可见，氧渗入晶体的浓度，取决于Ξ个扩散边界层和Ξ个界面的面 积。边界层厚度取决于烙体热对流，而界面面积取决于装料量和相蜗尺寸与形状W及晶体 的直径。等。其中相蜗和烙体的界面面积与烙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，重量不断增加，而相蜗内的烙体重量随 之减少。所W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 屯、部位含量高，边缘部位含量低。
[0004] 氧在娃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，避免娃片 在器件热处理工艺过程中发生形变。娃单晶中高含量的氧处于过饱和状态，在适当的溫度 下会脱溶并W氧与娃形成络合体的形式发生沉淀。氧与娃形成的络合物十分复杂，在不同 溫度下形式各异，对娃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°C溫度下形成热施主，其浓度最高可达达5Xl〇i 5/cm3。影响轻渗娃单晶电 阻的真实性，使P型电阻率升高，N型电阻率降低，故轻渗娃单晶片需要在650°C溫度下进行 热处理，W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，运种影响更为突出。
[0005] 传统的控制氧含量，主要是在单晶生长工艺中进行控制。包括小的加料量，对于已 给定尺寸的相蜗，小的加料量将得到氧含量低，小的加料量需要的加热功率低，且容积比变 小，与相蜗的接触面积小，烙体中氧的溶解量相对小。小的加料量烙体的热对流减弱。运使 氧浓度向烙体中屯、部位的传递将发生改变，即由对流机制向扩散机制转变。氧的传递速度 降低，氧可W得到充分的挥发，使烙体中的氧浓度降低，从而晶体中氧浓度降低。控制多晶 娃烙化溫度，降低娃烙化时的溫度，可W降低石英相蜗的溶解速度，从而降低娃烙液中的氧 含量。增加烙体稳定时间，长时间的稳定可W使近95%的氧W-氧化娃的形式从烙体自由表 面挥发出来，形成一个平衡点。采用热反射罩，或称热屏，降低实际的热功率，同时由于热屏 可W帮助冷却晶体，可使相蜗设定在较高的起始位置，加快烙体表面的Ar气流速，加速一氧 化娃从烙体表面挥发，降低晶体中的氧含量。控制晶体的生长速度，氧浓度与生长速度的变 化不是一个线性关系。在小直径晶体(3英寸或4英寸)情况下，拉速在3.54英寸至4.72英寸/ 小时范围内生长的娃单晶是高氧的。因此生长大直径单晶娃棒是的速度一般低于3.54英 寸/小时。降低炉内气体压力，低压有利于使一氧化娃有效地从烙体自由表面挥发，从而使 烙体中的氧浓度降低，因此晶体中的氧浓度也随着降低。相蜗转速对晶体中氧含量有较大 的影响，增加相蜗转速会加快相蜗的溶解速度，从而使烙体中的氧含量增加。值得注意的 是，晶锭尾部的氧含量通常较高，运是由于相蜗中剩余的烙料不断减少，相蜗处于很高的位 置且加热功率很高，相蜗具有很高的溶解速度。当晶体生长逐渐盖住烙体大部分表面，自由 表面的减少引起氧从烙体表面挥发速度降低，从而增加了烙体中氧浓度。但是同时相蜗中 烙体量很少，相蜗也烙体的接触面积小，溶解的量也减少，运些因素合在一起引起的效果是 氧含量很高，传统技术尚示彻底解决的办法。增加相蜗直径尺寸，对于给定的加料量和晶体 尺寸，大的相蜗尺寸具有较大的有效挥发自身表面，同时由于容积比小，热对流也小，氧的 传递速度也较低。理想的情况是，相蜗直径和晶体直径比为3:1或者更大。晶体转速，晶体转 速不能有效的影响晶体的氧含量，但是对于晶体中氧的分布均匀性有着重要的影响。晶体 的转动驱动烙体从中心流向生长界面，其径向均匀增加。通常用ORG表示，要求ORG< 5%，但 是晶转受到相蜗尺寸、晶体尺寸、晶向，液面位置，生长速度等多种因素的影响，但是晶转加 快将会出现晶转和蜗转的交会点，引起晶体晶面宽度变大，外形不规则，圆度变差，同时烙 体的冷却会加快，严重时烙体会出现摆动，甚至晶体会从烙体中脱离。如上所述，利用改变 单晶生长工艺，对生长单晶中氧含量的控制虽然有一定的效果，但是控制的幅度不大，仅能 控制在几个ppm范围内。另一种控制氧含量的方法为磁场拉晶法，在水平磁场、垂直磁场或 水平和垂直结合的磁场作用下的拉晶技术，抑制烙体的流动速度和波动，从而烙体表面稳 定、溫度波动小，可获得4ppm的氧控制范围。但是磁场拉晶的不足之处是设备投资巨大，电 能消耗大，难W获得高的磁场强度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种单晶娃生长氧含量控制技术，具体设及在拉晶过程中 在相蜗壁附近的娃烙体中引入一个振荡波，通过振荡降低烙体中氧的溶解度，同时促使烙 体在相蜗壁与烙体的界面产生加速流动，促使溶解氧快速扩散到自由表面而挥发。从而达 到控制娃单晶中氧浓度的作用。
[0007] 为了达到W上的目的，本发明工艺技术是通过W下方法来实现:在石英相蜗底部 采用一个与相蜗外径相同的环形振荡源，振荡源产生一个纵向正弦振荡波，从相蜗的底部 传入到烙体中，传播方向为垂直向上的直线传播。振荡波传输到相蜗壁附近娃烙体中，对娃 烙体产生空化作用、揽拌作用和纵向流动作用，在相蜗壁附近区域形成向上的流动，加速高 浓度区的氧向烙体自由表面流动，同时降低烙体中的S i -0气体的溶解度，促进Si -0在烙体 表面的挥发。从而达到控制娃单晶中氧浓度的作用。
[0008] 石英相蜗底部振荡源的特征在于振荡波输入为环形的振荡波输入环，输入环的上 表面形状与相蜗的形状相同，确保振荡波输入环与相蜗紧密接触，振荡波充分输入到烙体 中。环的外径与相蜗的直径相同，其宽度d的特征为： (1)
式中，为相蜗旋转速度，。为相蜗的半径，rsi为单晶娃的半径，Vk是娃烙体的粘度。
[0009] 振荡波主要作用在相蜗壁的外围区域，对相蜗壁周围的烙体产生空化、揽拌和向 上的流动作用。振荡波空化作用促使