通过水平式磁场柴式法生产硅锭的方法

相关申请的交叉参考

本申请主张2021年4月28日申请的第63/180,993号美国临时专利申请的权利，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开的领域涉及用于以水平式磁场柴式法(Czochralski)工艺生产单晶硅锭的方法，且特定来说，涉及用于生产具有减小氧含量的单晶硅锭的方法。

背景技术

单晶硅是制造半导体电子组件及太阳能材料的许多工艺中的起始材料。例如，由硅锭生产的半导体晶片通常用于生产其上印刷电路系统的集成电路芯片。在太阳能行业中，归因于不存在晶界及错位，可使用单晶硅而非多晶硅。

为了生产半导体或太阳能晶片，可通过将种晶浸入坩埚内固持的熔融硅中而以柴式法工艺生产单晶硅锭。以足以实现锭所要的直径的方式提取种晶且使锭以所述直径生长。对于连续单晶硅工艺，除与晶体生长同时馈送及熔化多晶硅外，所述方法类似于批量工艺。接着，将硅锭加工成半导体或太阳能晶片可由其生产的所要形状。

在工艺期间，氧气(Oi)通过熔体-晶体界面引入硅晶锭中。氧可在由锭生产的晶片中引起各种缺陷，从而降低使用锭制造的半导体装置的良率。例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高质量射频(RF)、高电阻率绝缘体上硅(HR-SOI)及电荷捕捉层SOI(CTL-SOI)应用通常需要相对较低氧浓度以实现高电阻率且避免形成P-N结。

至少一些已知的方法使用浮动区材料来实现低氧浓度及高电阻率。然而，浮动区材料相对昂贵且受限于用于生产具有小于约200mm的直径的锭。因此，这些已知方法不能生产具有相对较低氧浓度的较高直径硅晶锭。

需要用于生产具有相对较低氧浓度的单晶硅锭的方法。

本节希望向读者介绍可与下文中描述及/或要求的本公开的各种方面有关的技术的各种方面。据信此讨论有助于向读者提供背景信息以促进更好地理解本公开的各种方面。因此，应了解据此阅读这些陈述，而非作为对背景技术的承认。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种生产硅锭的方法。所述方法包含熔化围封于真空室中的坩埚中的多晶硅以形成熔体。所述熔体具有熔体自由表面。在所述真空室内产生水平式磁场。将种晶浸入所述熔体中。将所述种晶从所述熔体提取以形成所述硅锭。同时调节多个工艺参数以降低所述硅锭中的氧浓度。所述多个工艺参数包含所述坩埚的壁温、一氧化硅(SiO)从所述坩埚到所述硅锭的运输，及SiO从所述熔体的蒸发速率。

关于本公开的上述方面所提及的特征存在各种改进。进一步特征也可并入本公开的上述方面中。这些改进及额外特征可个别或以任何组合存在。例如，下文所讨论的关于本公开的所说明的实施例的任何者的各种特征可单独或以任何组合并入本公开的上述方面的任何者中。

附图说明

图1是坩埚及圆柱坐标系的实施例的俯视图；

图2是坩埚及圆柱坐标系的侧视图；

图3是说明施加于晶体生长设备中含有熔体的坩埚的尖磁场的示意图；

图4是晶体生长系统的实施例的框图；

图5是展示最大高斯平面(MGP)的熔体及晶畴中的水平式磁场的水平及垂直分量的量值的图；

图6说明展示对于熔体自由表面上方80mm(+80mm)的MGP及熔体自由表面下方80mm(-80mm)的MGP的情况，沿垂直于水平式磁场的平面的平面内串流迹线的流场图，其中X＝0(中心平面)，X＝-32m，X＝+32m；

图7是在熔体自由表面上方80mm(+80mm)的MGP与熔体自由表面下方80mm(-80mm)的MGP的情况之间比较沿平行中心平面中的熔体自由表面的径向速度的图表；

图8说明展示对于熔体自由表面上方80mm(+80mm)的MGP及熔体自由表面下方80mm(-80mm)的MGP的情况，沿平行于水平式磁场的平面的平面内串流迹线的流场图，其中Y＝0(中心平面)，Y＝-32m，Y＝+32m；

图9是在熔体自由表面上方80mm(+80mm)的MGP与熔体自由表面下方80mm(-80mm)的MGP的情况之间比较沿垂直中心平面中的熔体自由表面的径向速度的图表；

图10是对于熔体自由表面下方80mm的MGP(顶部窗格)及熔体自由表面上方80mm的MGP(底部窗格)的情况，SiO气体从熔体自由表面的蒸发速率的图表；

图11说明对于熔体自由表面下方80mm(-80mm)的MGP及熔体自由表面上方80mm(+80mm)的MGP的情况，单晶硅锭中的Oi径向轮廓；

图12是HMCZ中的Oi对MGP位置且与实验数据相比较的图表；

图13说明展示对于熔体自由表面下方80mm的坩埚逆转-0.6RPM及MGP位置(左窗格)及熔体自由表面上方80mm的MGP位置处的坩埚逆转-1.6RPM(右窗格)的情况，沿垂直于水平式磁场的平面的平面内串流迹线的流场图，其中X＝0(中心平面)，X＝-32m，X＝+32m；

图14是对于坩埚逆转-0.6RPM及坩埚逆转-1.6RPM的情况，单晶硅锭中的Oi径向轮廓的图表；及

图15是对于0.22T的磁场强度及0.44T的磁场强度的情况，单晶硅锭中的Oi径向轮廓的图表。

对应元件符号指示整个附图中的对应部分。

具体实施方式

本公开的规定涉及用于通过水平式磁场柴式法(HMCZ)工艺制备相对较低氧单晶硅锭的方法。最初参考图1及2，与本公开的方法一起使用的实例坩埚整体以10指示。坩埚10的圆柱坐标系包含径向方向R12、角方向θ14及轴向方向Z16。坩埚10含有具有熔体表面36的熔体25。晶体27从熔体25生长。熔体25可含有通过坩埚10的加热及坩埚10及/或晶体27在角方向θ14上的旋转诱发的一或多个对流胞元17、18。这些一或多个对流胞元17、18的结构及交互经由调节一或多个工艺参数及/或施加磁场来调节，如下文所详细描述。

图3是说明施加于晶体生长设备中含有熔体25的坩埚10的水平式磁场的图。如所展示，坩埚10含有硅熔体25，晶体27从硅熔体25生长。熔体与晶体之间的过渡通常称为晶体-熔体界面(替代地熔体-晶体、固体-熔体或熔体-固体界面)且通常非线性(例如相对于熔体表面为凹形、凸形或鸥翼形)。两个磁极29相对放置以产生通常垂直于晶体生长方向且通常平行于熔体表面36的磁场。磁极29可为常规电磁体、超导体电磁体或用于产生所要强度的水平式磁场的任何其它合适磁体。施加水平式磁场沿轴向方向、在与流体运动相反的方向上产生洛伦兹(Lorentz)力，与驱动熔体对流的力相反。因此，熔体中的对流被抑制，且界面附近的晶体中的轴向温度梯度增加。接着，熔体-晶体界面向上移动到晶体侧以适应界面附近的晶体中的增加轴向温度梯度，且坩埚中的熔体对流的贡献减少。水平配置在抑制熔体表面36处的对流流动具有效率优点。

图4是晶体生长系统100的框图。系统100采用柴式晶体生长方法来生产半导体锭。在本实施例中，系统100经配置以生产具有150mm、大于150mm、更具体来说在约150mm到约460mm的范围内的锭直径、甚至更具体来说，约300mm的直径的圆柱形半导体锭。在其它实施例中，系统100经配置以生产具有200mm锭直径或450mm锭直径的半导体锭。另外，在一个实施例中，系统100经配置以生产具有至少900mm的总锭长的半导体锭。在一些实施例中，系统经配置以生产具有1950mm、2250mm、2350mm或大于2350mm的长度的半导体锭。在其它实施例中，系统100经配置以生产具有在从约900mm到约1200mm、约900mm到约2000mm或约900mm到约2500mm的范围内的总锭长的半导体锭。在一些实施例中，系统经配置以生产具有大于2000mm的总锭长的半导体锭。

晶体生长系统100包含围封坩埚10的真空室101。侧加热器105(例如电阻加热器)包围坩埚10。底部加热器106(例如电阻加热器)定位于坩埚10下方。在加热及晶体提拉期间，坩埚驱动单元107(例如电动机)在(例如)由箭头108所指示的顺时针方向上旋转坩埚10。在生长工艺期间，坩埚驱动单元107也可视需要升高/降低坩埚10。坩埚10内是具有熔体层面或熔体表面36的硅熔体25。在操作中，系统100从熔体25拉出单晶27，以附接到拉轴或缆线117的种晶115开始。拉轴或缆线117的一端通过滑轮(图中未展示)连接到圆筒(图中未展示)或任何其它适合类型的提升机构(例如轴)，且另一端连接到固持种晶115的夹头(图中未展示)，且晶体27从种晶115生长。

坩埚10及单晶27具有共同对称轴线38。坩埚驱动单元107可在熔体25耗尽时沿轴线38升高坩埚10以将熔体表面36维持在所要高度。晶体驱动单元121类似地在与坩埚驱动单元107旋转坩埚10的方向相反的方向110上旋转拉轴或缆线117(例如逆转)。在使用等旋的实施例中，晶体驱动单元121可在坩埚驱动单元107旋转坩埚10的相同方向上(例如在顺时针方向上)旋转拉轴或缆线117。等旋也可称为共旋。另外，晶体驱动单元121在生长工艺期间视需要相对于熔体表面36升高及降低晶体27。

根据柴式法单晶生长工艺，将一定量的多晶硅(polycrystalline silicon或polysilicon)加料到坩埚10中。加热器电源123使电阻加热器105及106通电，且绝缘125连接真空室101的内壁。当真空泵131从真空室101移除气体时，气体供应源127经由气体流量控制器129将惰性气体(例如氩)馈送到真空室101。从储液槽135馈送冷却水的外腔室133包围真空室101。

接着，将冷却水排放到冷却水回流歧管137。通常，温度传感器(例如光电池139(或高温计))测量熔体25在其表面的温度，且直径转换器141测量硅锭27的直径。在此实施例中，系统100不包含上部加热器。上部加热器的存在或上部加热器的缺乏更改晶体27的冷却特性。

磁极29定位于真空室101外部以产生水平式磁场。尽管图中说明大体上居中于熔体表面36上，但磁极29相对于熔体表面36的位置可改变以调整最大高斯平面(MGP)相对于熔体表面36的位置。储液槽153(图4)在经由冷却水回流歧管137排放前将冷却水提供到磁极29。含铁屏蔽155包围磁极29以减少分散磁场且增强所产生的场的强度。

控制单元143用于调节多个工艺参数，包含(但不限于)晶体旋转速率、坩埚旋转速率及磁场强度中的至少一者。在各种实施例中，控制单元143可包含存储器173及处理器144，处理器144处理从系统100的各种传感器(包含(但不限于)光电池139及直径转换器141)接收的信号，并控制系统100的一或多个装置，其包含(但不限于)：坩埚驱动单元107、晶体驱动单元121、加热器电源123、真空泵131、气体流量控制器129(例如氩流量控制器)、磁极电源149，及其任何组合。存储器173可存储指令，所述指令当由处理器144执行时引起处理器执行本文所描述的方法的一或多者。即，指令配置控制单元143以执行本文所描述的一或多个方法、工艺、过程及其类似者。

控制单元143可为计算机系统。如本文所描述，计算机系统是指任何已知计算装置及计算机系统。如本文所描述，所有此类计算机系统包含处理器及存储器。然而，本文指涉的计算机系统中的任何处理器也可指一或多个处理器，其中处理器可位于一个计算装置或并行作用的多个计算装置中。另外，本文指涉的计算机装置中的任何存储器也可指一或多个存储器，其中存储器可位于一个计算装置或并行作用的多个计算装置中。此外，计算机系统可位于系统100附近(例如在同一房间或相邻房间中)，或可远程定位且经由网络(例如以太网络、因特网或类似者)耦合到系统的剩余部分。

本文中所使用的术语处理器是指中央处理单元、微处理器、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、逻辑电路及能够执行本文所描述的功能的任何其它电路或处理器。上文仅是实例，且因此不希望以任何方式限制术语“处理器”的定义及/或意义。存储器可包含(但不限于)随机存取存储器(RAM)(例如动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM))、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)及非易失性RAM(NVRAM)。

在一个实施例中，提供计算机程序以启用控制单元143，且此程序体现在计算机可读媒体上。计算机可读媒体可包含控制单元143的存储器173。在实例实施例中，计算机系统在单个计算机系统上执行。替代地，计算机系统可包括多个计算机系统、到服务器计算机的连接、云计算环境或类似者。在一些实施例中，计算机系统包含分布于多个计算装置之间的多个组件。一或多个组件可呈体现在计算机可读媒体中的计算机可执行指令的形式。

计算机系统及工艺不限于本文所描述的具体实施例。另外，每一计算机系统及每一工艺的组件可独立于本文所描述的其它组件及工艺来实践或与本文所描述的其它组件及工艺分离。每一组件及工艺也可与其它组合件封装及工艺组合使用。

在一个实施例中，计算机系统可经配置以接收来自一或多个传感器的测量，包含(但不限于)：温度传感器139、直径转换器141及其任何组合，以及控制系统100的一或多个装置，包含(但不限于)：坩埚驱动单元107、晶体驱动单元121、加热器电源123、真空泵131、气体流量控制器129(例如氩流量控制器)、磁极电源149，及在一个实施例中如本文所描述及图4中所说明的其任何组合。如本文所描述，计算机系统执行用于控制系统100的一或多个装置的所有步骤。

根据本公开的实施例，在真空室101内产生水平式磁场时，同时调节多个工艺参数以降低硅锭27中的氧浓度。多个工艺参数包含坩埚的壁温、一氧化硅(SiO)从坩埚到单晶的运输，及SiO从熔体的蒸发速率。

在此实施例中，同时调节三个工艺参数以促进生产具有低氧浓度的硅晶锭。具体来说，坩埚10的壁温、一氧化硅(SiO)从坩埚10到单晶27的流动(即，运输)及SiO从熔体25的蒸发均受到控制。坩埚10的壁温对应于坩埚10的溶解速率。具体来说，坩埚10的壁温越高，坩埚10的部分与熔体25反应且溶解到熔体25中的速度越快，从而产生SiO且增加晶体27的氧浓度。因此，如本文所使用，降低坩埚10的壁温等同于降低坩埚10的溶解速率。

通过降低坩埚10的壁温(即，降低坩埚10的溶解速率)，减少SiO从坩埚10到单晶27的流动(即，运输)，及增加SiO从熔体25的蒸发，可降低锭27的氧浓度。为了调节三个工艺参数，需要控制多个条件。每一条件影响三个工艺参数中的至少一者。在一些实施例中，控制条件是最大高斯平面的位置、磁场强度及坩埚旋转速率。本文详细描述每一条件。

在一些实施例中，调节多个工艺参数包括将水平式磁场的最大高斯平面(“MGP”)的位置维持在熔体自由表面36上方。MGP由磁场的水平分量及沿MGP的零垂直分量的最大量值特性化。磁极29相对于熔体自由表面36的位置可变动以调整最大高斯平面(MGP)相对于熔体表面36的位置。在一些实施例中，最大高斯平面维持在熔体自由表面36上方至少20mm或熔体自由表面36上方至少40mm、熔体自由表面36上方至少60mm、从熔体自由表面36到熔体自由表面上方150mm或从熔体自由表面36到熔体自由表面上方100mm的位置处。在一些实施例中，在整个锭主体(即，锭的恒定直径部分)的生长期间，最大高斯平面维持在此位置(即，相同位置)处。

在一些实施例中，同时调节多个工艺参数包含以小于0.4特斯拉，或如在其它实施例中，以小于0.35特斯拉、小于0.3特斯拉、小于0.25特斯拉或从约0.15特斯拉到约0.4特斯拉的磁通量强度产生水平式磁场。通常，磁场的强度是其在最大高斯平面52的中心处的量值(图5)。

在一些实施例中(例如对于低Oi浓度)，同时调节多个工艺参数包括在坩埚以0.1RPM到5.0RPM(即，-0.1RPM到-5.0RPM)或甚至从0.1RPM到1.6RPM(即，-0.1RPM到-1.6RPM)或从0.1RPM到1.2RPM(即，-0.1RPM到-1.2RPM)范围内的速率旋转时，以与锭旋转相反的方向旋转坩埚。在其它实施例中，同时调节多个工艺参数包括以锭旋转相同的方向旋转坩埚，其中坩埚以从0.1RPM到5.0RPM、从0.7RPM到5RPM或从1.2RPM到5.0RPM范围内的速率旋转。

根据本公开的实施例，用于同时调节上述多个工艺参数的方法中的一或多者可导致具有并入其中的相对较低氧浓度的硅锭。例如，所得硅锭可具有小于约15ppma、小于约8ppma或甚至小于约5ppma的氧浓度。

实例

本公开的工艺由以下实例进一步说明。这些实例不应被视为限制。

实例1：MGP位置对Oi浓度的影响

图6比较当最大高斯平面位于熔体表面下方80mm(“MGP-80mm”)及最大高斯平面位于熔体表面上方80mm(“MGP-80mm”)时，沿垂直于所施加的水平式磁场的平面的流场。图8比较沿平行于磁场的平面的流场。

两个位置之间的流动特征中存在一些相似性—再循环流动胞元仅在垂直平面中建立且在平行平面中不存在。另外，MGP的两个位置在大部分熔体中形成浮力胞元且在旋转晶体下面形成泰卜(Taylor-Proudman)胞元。

图7及9各比较平行及垂直中心平面两种情况(图7是垂直于所施加的水平式磁场的平面且图9是平行于所施加的水平式磁场的平面)之间沿熔体表面的径向速度。我们发现与位于熔体表面下方的MGP的情况相比，对于定位于熔体表面上方的MGP的情况，在两个平面中的熔体表面速度总体较高。为了可比坩埚溶解速率，更高熔体表面速度提高SiO气体的蒸发速率以降低熔体中的氧浓度。

图10展示相对于MGP在熔体自由表面下方80mm(上图)的情况，对于MGP在熔体自由表面上方80mm(下图)的情况，从熔体表面的净SiO气体蒸发率更高，与流场一致，因为更高的熔体表面速度提高蒸发速率。为了可比的坩埚溶解速率，此导致熔体中的较低氧浓度及Oi并入晶体中，如图11中所展示，其中比较两种情况下晶体中的Oi径向轮廓。

对各种其它MGP位置重复模型计算以揭示Oi及MGP位置关系。如图12中所展示，发现关系是非单调，在MGP位于熔体自由表面上方80mm的位置周围具有最小Oi值。另外，将模型结果与在MGP位于熔体自由表面下方80mm及熔体自由表面上方80mm的条件下生长的锭的实验Oi测量进行比较(其它工艺条件在模型与实验之间维持相似)。尽管绝对Oi值不同，但模型遵循Oi相对于实验观察到的MGP位置的方向趋势。

实例2：坩埚逆转速率对Oi浓度的影响

坩埚逆转速率从0.6RPM增加到1.6RPM。模型预测到垂直中心平面中的流动结构经历明显变换。如图13中所展示，在后一情况中，浮力胞元被挤压且由晶体旋转驱动的泰卜胞元占据大部分熔体。流动主要在中心向上以增强氧从坩埚底部到锭中的运输。另外，浮力胞元未暴露于熔体表面，导致SiO蒸发速率受阻。如图14中所展示，在后一情况中，这些效应导致更高氧浓度，这与下文所展示的实验观察一致。

表1：模型值及实验值的比较

实例3：磁场强度对Oi浓度的影响

现参考图15，模型预测随着磁场强度增加，Oi的非单调行为。增加磁场用于抑制熔体对流及乱流影响坩埚/熔体界面(降低溶解速率)及熔体/气体界面(降低蒸发速率)两者处的边界层厚度。在最优场强下，所得熔体流动延迟坩埚溶解速率，同时相对不影响蒸发速率，以产生较低Oi。如图15中所展示，将磁场强度降低到0.22T降低了锭中的氧浓度。

实例4：MGP位置及坩埚旋转速率对Oi浓度的影响

两个300mm锭在约3000高斯的恒定磁场强度下生长。两个锭的坩埚旋转速率均维持在-2RPM(即，逆转)。“锭1”是在MPG处于熔体自由表面下方130mm(-130mm MGP)的情况下生长，而“锭2”是在MPG处于熔体自由表面上方80mm(+80mm MGP)的情况下生长。如下表2中所展示，在+80mm的较高MGP的情况中，实现较低氧。

“锭3”是也在约3000高斯的恒定磁场强度下生长的300mm锭。锭3在+80mm的MGP下生长且坩埚旋转速率减小到-0.1RPM。如比较锭2及锭3时所展示，当坩埚旋转速率降低到-0.1RPM时，实现较低氧。

表2：Oi与不同MGP及坩埚旋转的比较

如本文所使用，当结合尺寸、浓度、温度或其它物理或化学性质或特性的范围使用时，术语“约”、“大体上”、“基本上”及“近似”希望涵盖可存在于性质或特性范围的上限及/或下限的变动，包含(例如)源自四舍五入、测量方法或其它统计的变动。

在引入本公开或其(若干)实施例的元件时，冠词“一(a,an)”及“所述(the,said)”希望意味着存在元件中的一或多者。术语“包括”、“包含”、“含有”及“具有”希望包含且意味着除所列元件外，可存在额外元件。使用指示特定定向的术语(例如“顶部”、“底部”、“侧”等)是为了便于描述且不要求所描述的术语的任何特定定向。

由于可在不背离本公开的范围的情况下在以上结构及方法中进行各种改变，希望含于上述描述中及展示于(若干)附图中的所有内容均应解译为说明而非限制。