晶体的生长装置及生长方法与流程

本发明涉及半导体晶体的生长设备技术领域，具体地涉及晶体的生长装置及生长方法。

背景技术：

为适用现有半导体器件线宽逐渐减小的需求，最好生长出无缺陷晶体。为高产率产出无缺陷晶体，需要控制固液界面处轴向温度梯度g及径向温度梯度g(r)。因晶体的生长设备内热场分布直接影响到固液界面处g及g(r)，但随着晶体直径增加，控制g(r)变得非常困难，特别是12英寸及以上大尺寸的晶体。此外，大尺寸的晶体在拉晶过程中，需要提高固液界面处轴向温度梯度，才能保证顺利地拉制单晶体。

现有技术在拉晶过程中晶体内的热量总是通过其表面的往外散失，会引起轴向中心温度梯度gc小于边缘温度梯度ge，根据v/g理论，晶体的端部形成空位缺陷比较多的v-rich区域、尾部形成间隙缺陷比较多的i-rich区域，具体参考图6所示，其中完美晶体区域(pv、pi)很窄。其中，pv代表完美晶体区域内存在极少量的晶体缺陷，该缺陷以空位缺陷为主，pi代表完美晶体区域内存在极少量的晶体缺陷，该缺陷以间隙缺陷为主。

因此，为生长出晶体的品质接近完美晶体，如参考图7所示虚线框的完美区域，需进一步对热场进行改进。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出晶体的生长装置、生长方法，通过增设由多个钼片组成的热屏和微加热器，提高固液界面处轴向温度梯度，降低径向温度梯度，且缺陷尺寸都低于20nm，使得晶体的品质接近完美晶体。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种晶体的生长装置，包括：外壳，所述外壳限定出腔体，且具有相对设置的第一开口和第二开口，其中，所述第一开口用于晶体的放取，所述第二开口用于坩埚的升降；保温层，所述保温层设置在所述外壳的内壁；所述坩埚，所述坩埚被所述保温层环绕，且用于盛放熔汤；加热器，所述加热器设置在所述坩埚与所述保温层之间；冷却套，所述冷却套设置在所述第一开口的下方；热屏，所述热屏设置在所述冷却套的下方且在所述熔汤的液面上方，且由多个平行排列的钼片组成；第一微加热器，所述第一微加热器设置在所述热屏的下方，并环绕所述晶体，且沿水平方向延伸，所述第一微加热器用于固液界面三相点处提供热能。

本发明通过增设由多层钼片构成的热屏和第一微加热器，不仅可以有效地阻挡晶体表面的热能散失，提高晶体轴向温度梯度，还能降低径向温度梯度，使得晶体内外温度梯度变化不至于太大，从而使晶体生长过程中v/g比值达到临界范围内，进而生长出近似完美的晶体。

另外，根据本发明上述实施例的晶体的生长装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述钼片沿水平方向排列或沿垂直方向排列的。

根据本发明的实施例，进一步包括：第二微加热器，所述第二微加热器设置在所述冷却套的下方，并位于所述晶体和所述热屏之间且沿轴向方向延伸。

根据本发明的实施例，所述热屏与所述熔汤的液面的距离为30mm-60mm，所述热屏与所述晶体的距离为40～70mm。

根据本发明的实施例，所述第一微加热器与所述熔汤的液面的距离为15～30mm。

根据本发明的实施例，所述第二微加热器设置在所述晶体和所述热屏之间的1/3处，且靠近所述热屏。

根据本发明的实施例，每个所述钼片的厚度为0.2～5mm，相邻两层所述钼片的间距为1～10mm。

根据本发明的实施例，所述热屏内所述钼片的层数不小于15。

根据本发明的实施例，所述加热器包括：一个底加热器，所述底加热器设置在所述坩埚的下方；一个侧加热器，所述侧加热器设置在所述坩埚的侧壁与所述保温层之间。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种晶体的生长方法，采用所述的晶体的生长装置来生长晶体。

另外，根据本发明上述实施例的晶体的生长方法，还可以具有如下附加的技术特征：

本发明的实施例，所述的晶体的生长装置包括第一微加热器和第二微加热器，且所述生长方法进一步包括：在引晶和颈缩的步骤中，同时开启底加热器和侧加热器；在扩肩步骤中降低侧加热器功率；在等径生长步骤中，降低底加热器功率，同时开启第一微加热器和第二微加热器。

本发明提出的一种晶体的生长方法通过增设由多层钼片构成的热屏、第一微加热器和第二微加热器，不仅可以有效地阻挡晶体表面的热能散失，提高晶体轴向温度梯度，还能降低晶体径向温度梯度，特别是第二微加热器抑制了1300-1400℃区域的散热，使得给温度范围维持一定的时间，充分地将点缺陷从晶体表面排出，使得拉速与晶体轴向温度梯度(v/g)比值达到临界范围内，获得缺陷尺寸都低于20nm的完美晶体窗口区域。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的方面结合下面附图对实施例的描述进行解释，其中：

图1是本发明一个实施例的生长装置的示意图；

图2是本发明另一个实施例的生长装置的示意图；

图3是本发明一个实施例的生长装置的局部截面结构示意图(a)和晶体缺陷分布图(b)；

图4是本发明另一个实施例的生长装置的局部截面结构示意图(a)和晶体缺陷分布图(b)；

图5是本发明另一个实施例的生长装置的局部截面结构示意图(a)和晶体缺陷分布图(b)；

图6是现有晶体缺陷区域的示意图；

图7是完美晶体窗口区域的示意图。

附图标记

100外壳

110冷却套

101第一开口

102第二开口

200保温层

300坩埚

301坩埚托

400加热器

410侧加热器

420底加热器

500热屏

600第一微加热器

700第二微加热器

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。

本文中所称“完美晶体”或“无缺陷晶体”并不意指绝对完美的晶体或没有任何缺陷的晶体，而是容许存在极少量的一种或多种晶体缺陷，其不足以使晶体或其结果得到晶圆的某种电学或机械学特性产生大的变化以致使其制成的电子器件的性能恶化。

本文中所称“完美晶体窗口区域”为沿着径向分布的窗口区域，该区域内缺陷尺寸都低于20nm，。该缺陷可以为空位缺陷(vacancydefect)、间隙缺陷(interstitialdefect)。可参考图3-5的(b)图的虚线框所示。

则为了扩大完美晶体窗口区域即缺陷尺寸都低于20nm，即rcl.v-rcl.i属于(-20nm，20nm)，发明人在晶体的生长装置中同时增设由多层钼片构成的热屏和第一微加热器，通过钼片对热量的高反射作用，有效地阻挡晶体表面的热能向外散失，使得晶体内的热能只能通过晶体的轴向流通，提高了晶体轴向温度梯度；同时设置在熔汤表面的第一微加热器，不仅平衡固液界面附近的温度，也维持固液界面靠近三相点处的能量并抑制熔汤温度过低，使得晶体内外温度梯度不至于相差太大。采用本发明的晶体生长装置不仅提高了晶体轴向温度梯度，同时也降低了径向温度梯度。则晶体生长过程中，在固液界面处晶体生长速度与轴向温度梯度的v/g比值易于达到临界范围，可获得间隙缺陷和空位缺陷尺寸都很小，使晶体的品质接近完美晶体。其中(v/g)的临界值为2.1*10^-5cm².s^-1.k^-1。

此外，为更进一步的扩大完美晶体窗口区域，在以上基础上，发明人又增设第二微加热器，因第二微加热器设置在冷却套的下方及熔汤的液面上方，处于晶体和热屏之间，并沿着晶体轴向方向延伸，该第二微加热器抑制1400℃-1300℃区域的散热，使得固液界面处保持该温度范围的时间加以延长，在该时间内空位缺陷和间隙缺陷会充分扩散结合，有利于将点缺陷(v-defect，i-defect)排出晶体表面，降低缺陷的浓度，扩大完美晶体的区域。

因此，发明人采用本发明的生长装置、生产方法，达到扩大完美晶体窗口区域的目的，且在完美晶体窗口区域中间隙缺陷或空位缺陷尺寸都减小。

发明人在下述几个实施例的基础上，通过实验方法来验证确实达到扩大完美晶体窗口区域。

需要说明一下，参考图3-5的(b)图，图中灰色区域为rcl.v-rcl.i在-20nm到20nm范围内，则该灰色区域为缺陷尺寸都低于20nm，为完美晶体窗口区域；图中白色区域为rcl.v-rcl.i大于20nm，则该白色区域为空位缺陷比较多且缺陷尺寸大于20nm的v-rich区域；图中黑色区域为rcl.v-rcl.i小于-20nm，该黑色区域为间隙缺陷比较多且缺陷尺寸大于20nm的i-rich区域。其中，点缺陷包括空位缺陷(vacancydefect)和间隙缺陷(interstitialdefect)。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种晶体的生长装置。

根据本发明的实施例，参考图1和图2，晶体的生长装置包括外壳100、保温层200、坩埚300、加热器400、冷却套110，热屏500和第一微加热器600；其中，外壳100限定出腔体，且外壳100具有相对设置的第一开口101和第二开口102，其中，第一开口101用于晶体a的放取，而第二开口102用于坩埚300的升降；保温层200设置在外壳100的内壁；坩埚300被保温层200环绕，且坩埚300用于盛熔汤b；加热器400设置在坩埚300与保温层200之间；冷却套110设置在第一开口101的下方且在熔汤的液面上方；热屏500设置在冷却套110的下方，且热屏500由多个平行排列的钼片组成；而第一微加热器600设置在热屏500的下方，且沿水平方向延伸，并且用于固液界面三相点处提供热能。

根据本发明的实施例，本发明所述的晶体的生长装置中，增设由多个水平方向排列的多层钼片(可水平排列或垂直排列)构成的热屏和第一微加热器，其中，钼的反射系数0.3而能将80％以上的热量反射，所以通过热屏500对热量的高反射作用，有效地阻挡晶棒a表面的热能散失或熔汤表面的热能散失，使得固液界面处的热量仅通过晶体轴向方向传递，提高固液界面处的轴向温度梯度；同时，为平衡固液界面附近的温度，通过设置在熔汤b表面上的第一微加热器600以维持固液界面靠近三相点处的热能，使得晶体内外温度梯度不至于有太大落差，降低了径向温度梯度，从而更容易地使v/g比值(生长速度与晶体轴向温度梯度比值)达到临界范围内。通过模拟方法得到如图3的(b)和图4的(b)所示的晶体缺陷分布图，从图中虚线框可看出该晶体的品质可接近完美晶体。

此外，第一，平行排列钼片阻挡了晶体表面热能散失，提高固液界面处轴向温度梯度，大的轴向温度梯度值有利于提高大尺寸晶体的成晶率，提高生产率。第二，第一微加热器补充了三相点处的能量，使得晶体内外温度梯度不至于相差太大，以达到固液界面处温度梯度沿径向分布变化小的目的，解决了12寸及以上大尺寸晶体的径向温度梯度变化大的问题。第三，与现有的技术相比，采用该生长装置扩大了完美晶体窗口区域。

在本发明的一些实施例中，具体参考图3的(a)，热屏500中的多个钼片是可以沿轴向方向放置，即沿垂直方向延伸的，如此，钼片与晶体的轴向平行，由于钼片的反射作用有效地阻挡了晶体表面的热能往外散失，热能只能通过晶体来传递，再与第一微加热器相配合，提高轴向温度梯度也降低了径向温度梯度。并且，通过模拟方法得到图3的(b)所示的缺陷分布图，图中虚线框出完美晶体窗口区域，但是在靠近晶体外围存在v-defect和i-defect区域。

在本发明的另一些实施例中，具体参考图4的(a)，热屏500中的多个钼片也可以是沿着水平方向放置，即垂直于轴向延伸，如此，水平排列在冷却套下方的水平钼片阻挡了熔汤表面的热量往上散失，再与第一微加热器相配合，使得熔汤内温度梯度降低而提高固液界面处轴向温度梯度。并且，通过模拟方法得到图4的(b)所示的缺陷分布图，图中虚线框出完美晶体窗口区域，但是仍存在小面积的v-defect和i-defect区域。

在本发明的另一些实施例中，本发明的生长装置，不仅包括由多个水平排列钼片构成的热屏、第一微加热器，还可以进一步还包括第二微加热器700，而且，第二微加热器700设置在冷却套110的下方，并在热屏500与晶体a之间，且第二微加热器700可以是沿垂直方向延伸的，即沿轴向方向放置。如此，水平设置的第一微加热器600可以维持固液界面靠近三相点处的能量并抑制熔汤温度过低，从而让晶棒与熔汤水平温度梯度不至于有太大落差，而垂直设置的第二微加热器700，可以进一步抑制靠近1300～1400℃区域的散热，从而使此区域的范围维持较佳的时间，而有利于点缺陷从晶体表面排出，进而生长出的质量更高晶体。

进一步优先地实施例，具体参考图5的(a)所示，本发明的生长装置，包括多个钼片组成的热屏500、第一微加热器600和第二微加热器700，其中该钼片为水平方向放置，并沿着轴向方向排列延伸，则排列在冷却套下方的水平钼片阻挡了熔汤表面的热量往上散失，可使熔汤内温度梯度降低，同时与第一微加热器600、第二加热器700相配合。为达到平衡固液界面附近的温度，设置在熔汤b表面上的第一微加热器600持续地维持固液界面靠近三相点处的能量，使得晶体内外温度梯度不至于有太大落差，降低径向温度梯度，从而更容易地使v/g比值(生长速度与晶体轴向温度梯度比值)达到临界范围内。设置在冷却套下方，且设于热屏500与晶体a之间进一步地抑制靠近1300～1400℃区域的散热，从而使此区域处于该温度范围可维持一定的时间，而有利于点缺陷从晶体表面排出，进而生长出质量更高的晶体。而且，通过模拟方法得到图5的(b)所示的缺陷分布图，图中虚线圈出完美晶体窗口区域，且不存在v-defect和i-defect区域。优选地，第二微加热器设置在晶体a和热屏500之间1/3处，并且靠近热屏500，更进一步使得在1300～1400℃范围内维持较佳的时间，更充分地把点缺陷从晶体表面排出，又进一步的扩大完美晶体窗口区域。。

所以，采用本发明的生长装置，确实达到扩大完美晶体窗口区域的目的，且在窗口区域中间隙缺陷或空位缺陷尺寸都低于20nm。特别是，晶体的生长装置中采用增设平行排列的钼片层组成的热屏及第一微加热器、第二微加热器，不仅扩大了完美晶体窗口区域，且该区域中几乎不存在点缺陷，明显地提高了晶体的品质。

在一些具体示例中，每个钼片的厚度可以为0.2～5mm，相邻两层钼片的间距可以为1～10mm，如此，可以使晶体a在生长过程中晶体a与熔汤b之间的固液界面轴向温度梯度小于10k/cm，从而使生长出的晶体品质接近完美晶体。在一些具体示例中，多个钼片的层数可以不小于15，如此，可以使晶棒a在生长过程中晶体a与熔汤b之间的固液界面轴向温度梯度小于10k/cm，从而使生长出的晶体品质接近完美晶体。在一些具体示例中，由多个钼片构成的热屏距离熔汤液面的距离为30-60mm，可最大程度的反射晶体表面的热量或熔汤液面处的热量，抑制热量损失，提高固液界面处轴向温度梯度，从而生长出的晶体品质接近完美晶体。

在一些具体示例中，参考图1，热屏500的上表面高度可以不超过坩埚300的侧壁的上端高度，且热屏500的下表面和第一微加热器600可以都不超过坩埚300的侧壁的下端深度，如此，通过坩埚的升降，可将热屏500和第一微加热器600相对地移动至坩埚300内，且不接触晶体a和熔汤b的表面，近距离地高效控制晶体轴向温度梯度。优选地，第一微加热器距离熔汤液面的距离为15-30mm，既能持续有效提供给三相点处的热能，也避免熔汤喷溅引起的安全问题。

在一些具体示例中，参考图5，热屏500的内壁直径和第二微加热器700的内壁直径可以都不超过冷却套110的内壁直径，如此，热屏500的内壁直径和第二微加热器700，都不接触晶体a的表面，从而实现近距离地高效控制晶体轴向温度梯度。优选地，第二微加热器设置在冷却套下方，且在晶体a和热屏500之间1/3处，并且靠近热屏500，更进一步使得在1300～1400℃范围内维持较长的时间，更充分地把缺陷从晶体表面排出。

在一些具体示例中，参考图2，加热器可以包括一个侧加热器410和一个底加热器420，其中，底加热器420设置在坩埚300的下方，而侧加热器410设置在坩埚300的侧壁与保温层500之间。如此，在拉伸生长(例如cz法)晶体a的过程中，可以在引晶和缩颈的步骤中同时开启底加热器420和侧加热器410进行加热，在扩肩的步骤中可以降低侧加热器410的温度，而在等径生长的步骤中可以降低底加热器420的温度，同时开启第一微加热器和第二微加热器；并且，坩埚300侧面只设置一个侧加热器410可对熔汤b更均匀地加热。

综上所述，根据本发明的实施例，本发明提出了一种晶体的生长装置，通过增设由多层钼片构成的热屏和微加热器，不仅可以有效地阻挡晶体表面的热能散失，提高晶体轴向温度梯度，还能降低晶体径向温度梯度，同时，也提高12寸及以上大尺寸晶体的成晶率，而且在1300℃-1400℃范围内维持较佳的时间，充分地把缺陷排出晶体之外，进而生长出近似完美的晶体。

在本发明的另一个方面，本发明提出了一种晶体的生长方法。根据本发明的实施例，该晶体的生长方法采用上述的生长装置。其中，在晶体的拉制过程中，可以通过坩埚的升降，使得热屏及第一微加热器接近熔汤表面。

在本发明的一些实施例中，晶体的生长装置可以包括水平设置的第一微加热器和垂直设置的第二微加热器，且晶体的生长方法可以具体包括：在引晶和颈缩的步骤中，同时开启底加热器和侧加热器；在扩肩步骤中降低侧加热器的功率；而在等径生长步骤中，降低底加热器的功率，同时开启第一微加热器和第二微加热器。如此，该生长方法制作出的晶体的尺寸达到8寸甚至12寸以上。

综上所述，根据的实施例，本发明提出了一种晶体的生长方法，通过增设由多层钼片构成的热屏和微加热器，不仅可以有效地阻挡晶体表面的热能散失，提高晶体轴向温度梯度，还能降低晶体径向温度梯度，同时，也提高12寸及以上大尺寸晶体的成晶率，而且在1300-1400℃范围内维持较佳的时间，充分地把缺陷排出晶体之外，进而生长出近似完美的晶体。

总之，本发明的晶体的生长装置及生长方法可广泛地应用于8寸、12寸及以上大尺寸的晶体生长。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。