单晶硅锭生产期间的样品棒生长及电阻率测量

本申请案要求2018年6月27日申请的第16/020,698号美国专利申请案的优先权，所述案的全部揭示内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明的领域涉及具有经改进电阻率控制的用于形成单晶硅锭的方法，且特定来说，涉及样品棒的生长及电阻率测量的方法。在一些实施例中，样品棒具有小于产品锭的直径的直径。

背景技术

单晶硅(其是用于制造半导体电子组件的大多数工艺的起始材料)通常由所谓的丘克拉斯基(Czochralski)(Cz)工艺制备，其中将单一晶种浸入到熔融硅中且接着通过缓慢抽出而生长。熔融硅在其容纳于石英坩埚中的过程中由各种杂质污染，所述杂质当中主要为氧。一些应用(例如先进无线通信应用、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)及低功率、低泄漏装置)需要具有相对高电阻率(例如1500ohm-cm(Ω-cm)或更多)的晶片。

高纯度多晶硅用于高电阻率锭生产。高纯度多晶硅的特征在于杂质轮廓的扩展，此引起未掺杂材料的本征电阻率范围及其类型的广泛扩展。归因于起始材料中的硼及磷(包括多晶硅材料中的表面硼及磷)的可变性且归因于坩埚中的杂质及/或在热供体消除循环之后更改电阻率的氧水平，此类高或超高电阻率材料中的晶种端电阻率的标定是困难的。此外，此类高电阻率应用可易受电阻率测量中增加的误差影响。

需要允许相对快速地对多晶硅起始材料的杂质浓度及/或电阻率进行取样及/或允许在消耗相对少量的硅用于电阻率测量的情况下相对快速地测量电阻率及/或允许更好地进行电阻率控制及/或简化非本征掺杂工艺的用于制备高电阻率硅锭的方法。

本节希望向读者介绍可与在下文中描述及/或要求的本发明的各种方面有关的本领域的各种方面。相信此论述有助于向读者提供背景信息以促成本发明的各种方面的更好理解。因此，应理解，这些陈述应在此意义上阅读且不作为现有技术的认可。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于从固持在坩埚内的硅熔体生产单晶硅锭的方法。将多晶硅添加到所述坩埚。加热所述多晶硅以引起硅熔体在所述坩埚中形成。从所述熔体提拉样品棒。所述样品棒具有直径。使所述样品棒退火以消灭热供体。在消灭热供体之后测量所述样品棒的电阻率。从所述熔体提拉产品锭。所述产品锭具有直径。所述样品棒的所述直径小于所述产品锭的所述直径。

本发明的另一方面涉及一种用于确定固持在坩埚内的多晶硅熔体的电阻率的方法。从所述熔体提拉样品棒。在热供体消除循环中使所述样品棒退火。将电流施加到所述样品棒。在将电流施加到所述样品时使所述样品棒与电阻率探针接触以测量所述棒的所述电阻率。对于关于本发明的上文提及的方面阐述的特征存在各种精进。同样，进一步特征还可被并入本发明的上文提及的方面中。这些精进及额外特征可个别或以任何组合存在。例如，下文关于本发明的任何所说明实施例论述的各种特征可单独或以任何组合并入本发明的任何上述方面中。

附图说明

图1是用于形成单晶硅锭的提拉设备的示意侧视图；

图2是从硅熔体生长的样品棒；

图3是在其表面上形成有平坦片段的样品棒；

图4是用于测量样品棒的电阻率的测量设备；

图5是用于测量样品棒的电阻率的I-V曲线；及

图6是在距晶种端的各个位置处的样品棒的电阻率的散点图。

贯穿附图，对应参考符号指示对应部件。

具体实施方式

本发明的布建涉及用于通过丘克拉斯基方法生产单晶硅锭的方法，其中生长样品棒以确定熔体的电阻率。样品棒具有小于产品锭的直径。

根据本发明的实施例且参考图1，通过所谓的丘克拉斯基工艺生长产品锭，其中从固持在拉锭器23的坩埚22内的硅熔体44撤出锭。拉锭器23包括外壳26，所述外壳26界定晶体生长腔室16及具有小于生长腔室的横向尺寸的提拉腔室20。生长腔室16具有从生长腔室16过渡到变窄的提拉腔室20的大体上圆顶形状的上壁45。拉锭器23包括入口端口7及出口端口12，它们可用于在晶体生长过程中将工艺气体引入到外壳26及从外壳26移除工艺气体。

拉锭器23内的坩埚22容纳从其撤出硅锭的硅熔体44。通过熔化经装填到坩埚22的多晶硅而获得硅熔体44。坩埚22安装在转盘31上，所述转盘31用于绕拉锭器23的中心纵向轴线X旋转坩埚22。

加热系统39(例如，电阻加热器)包围坩埚22用于熔化硅装料以生产熔体44。加热器39还可在坩埚下方延伸，如第8,317,919号美国专利中展示。加热器39由控制系统(未展示)控制，使得在整个提拉工艺中精确地控制熔体44的温度。包围加热器39的绝热体(未展示)可减少通过外壳26损失的热的量。拉锭器23还可包括在熔体表面上方的用于对锭屏蔽坩埚22的热以增大固体-熔体界面处的轴向温度梯度的热屏蔽组合件(未展示)。

提拉机构(未展示)附接到从所述机构向下延伸的提拉线24。机构能够将提拉线24升高及降低。取决于提拉器的类型，拉锭器23可具有提拉轴件而非线。提拉线24在提拉组合件58中终止，所述提拉组合件58包括固持用于生长硅锭的晶种6的晶种卡盘32。在生长锭时，提拉机构将晶种6降低，直到其接触硅熔体44的表面。一旦晶种6开始融化，提拉机构便将晶种向上缓慢升高通过生长腔室16及提拉腔室20以生长单晶硅锭。提拉机构旋转晶种6的速度及提拉机构将晶种升高的速度(即，提拉速率v)由控制系统控制。

工艺气体通过入口端口7引入到外壳26中且从出口端口12撤出。工艺气体在外壳26内产生氛围且熔体及氛围形成熔体-气体界面。出口端口12与拉锭器的排放系统(未展示)流体连通。

在这点上，图1中展示且本文中描述的拉锭器23为示范性的且可使用其它拉晶器配置及布置以从熔体提拉单晶硅锭，除非另有说明。

根据本发明的实施例，在将多晶硅添加到坩埚22且操作加热系统39以熔掉多晶硅之后，从熔体提拉样品锭或棒。在图2中展示实例性样品棒5。棒5包括其中棒从晶种向外过渡并渐缩以达到目标直径的冠部部分21。棒5包括通过增加提拉速率而生长的晶体的恒定直径部分25或圆柱形主体或简称“本体”。样品棒5的主体25具有相对恒定直径。棒5包括其中棒在主体25之后在直径上渐缩的尾部或端锥29。当直径变得足够小时，棒接着与熔体分开。棒5具有延伸通过锭的冠部21及末端33的中心纵向轴线A。

样品棒5的生长条件可通常选自所属领域的技术人员可用的任何适合的生长条件。样品棒5可使用锁定晶种提升(即，固定提拉速度，其中直径变动例如+/-约5mm)或主动晶种提升(变动提拉速度以维持目标直径)生长。

样品棒5具有小于在样品棒之后生长的产品锭的直径。例如，样品棒的直径可为小于产品锭的直径的0.75倍、小于产品锭的直径的0.5倍、小于约0.25倍或小于0.1倍。在一些实施例中，样品棒的直径为小于约150mm或小于约100mm、小于约50mm、小于约25mm或小于约20mm(例如，从约5mm到约150mm、从约5mm到约100mm、从约5mm到约50mm、从约5mm到约25mm或从约10mm到约25mm)。一般来说，通过沿着若干轴向位置(例如，如果棒具有冠部及/或渐缩端，那么在棒的恒定直径部分内)测量棒且对经测量直径求平均值(例如，跨长度测量2、4、6、10或更多个直径且求平均值)而测量棒5的直径。在一些实施例中，棒的样品的最大直径小于约150mm或小于约100mm、小于约50mm、小于约25mm或小于约20mm(例如，从约5mm到约150mm、从约5mm到约100mm、从约5mm到约50mm、从约5mm到约25mm或从约10mm到约25mm)。

在一些实施例中，棒5具有通常对应于在拉晶器中生长的产品锭的颈部部分的直径的直径。例如，棒可具有小于50mm、小于25mm或小于20mm的直径。

样品棒5可具有任何适合长度。在一些实施例中，棒(例如，在修剪之后)具有小于约300mm、小于约200mm或小于约100mm(例如，约25mm到约300mm)的长度。

在样品棒5生长之后，测量样品棒5的电阻率。从拉锭器23移除棒5且处理棒5以允许测量电阻率。可例如通过使用线锯而移除锭的冠部及尾部。在一些实施例中，研磨棒5的经修剪端以修平端。可蚀刻(例如，混合酸蚀刻)棒端。棒5可经修改以包括欧姆接触件(例如在其第一端15及第二端17处的欧姆接触件)。例如，棒5的经切割端15、17可使用胶体银涂料喷涂且干燥。

在棒5的表面上形成平坦片段11(图3)。平坦片段11可沿着棒5轴向延伸。在一些实施例中，平坦片段11从棒5的第一端15轴向延伸到第二端17。在其它实施例中，平坦片段11仅部分地沿着其长度延伸。

可通过例如凭借使用研磨垫(例如，金刚石粗粒垫)研磨样品棒5的表面而形成平坦片段11。在一些实施例中，平坦片段具有足以允许与电压探针接触的宽度(例如，约2到4mm)。可在电阻率测量之前例如通过使用去离子水清洗并干燥而清洁平坦片段11。

在一些实施例中，在测量电阻率之前，样品棒5经受快速热退火。快速热退火可通过解离填隙氧丛集而用作热供体消除循环(例如，热供体的消灭)。在一些实施例中，退火是在约500℃或更多、约650℃或更多或约800℃或更多(例如，500℃到约1000℃、从约500℃到约900℃或从约650℃到约1100℃)的温度下持续至少约5秒、至少约30秒、至少约1分钟或至少约3分钟或更多(例如，从约5秒至15分钟、从约5秒到约5分钟或从约5秒到约3分钟)。

可从平坦片段11测量棒5的电阻率。在本发明的一些实施例中，驱动电流使其通过棒5且在沿着棒5的长度的一或多个位置处接触电阻率探针。可通过端15、17中的一者将电流施加到棒5。

在一些实施例中，将棒5固定在测量设备(例如图4中展示的设备43)内。测量设备43包括固定棒5的夹具51。夹具51具有朝向棒5的第一端15固定棒5的第一支撑件53及朝向棒5的第二端17固定棒5的第二支撑件55。支撑件53、55经配置以将棒固定在支撑件53、55之间(例如，螺合用于调整及夹紧)。支撑件53、55可接触棒5的经修剪端上的欧姆接触件。引起探针尖端61在棒的扁平平坦片段上接触棒5。使电流通过支撑件53、55，且通过探针尖端61测量电压。沿着棒5的轴线手动移动探针尖端61，其中在每一点处测量所施加电流/电压。在所说明设备43中，手动移动探针尖端61。在其它实施例中，通过致动器移动探针尖端61。

图4的测量设备43为实例性设备且可使用用于固定棒及/或测量棒的电阻率的任何适合设备，除非另有说明。棒(例如，通常窄直径棒(例如小于100mm、50mm或小于25mm))及测量设备43的使用允许在不将棒切成晶片或锭块的情况下测量电阻率。

电阻率探针可为其中两个探针尖端与平坦片段11接触的双点探针。跨两个探针尖端测量电压差。例如，可根据标题为“使用双点探针测定硅棒电阻率的测试方法(TestMethod for Resistivity of Silicon Bars using a Two-Point Probe)”的SEMI标准MF397-0812使用双点探针测量电阻率，所述标准为了全部相关及一致目的以引用的方式并入本文中。可使用2端子或3端子整流方法以确定晶体类型(即，N型或P型)。可根据标题为“非本征半导体材料导电类型的测试方法(Test Method for Conductivity Type ofExtrinsic Semiconducting Materials)”的SEMI标准MF42-0316执行此类型确定，所述标准为了全部相关及一致目的以引用的方式并入本文中。2端子及3端子整流方法两者是用于非常高电阻率硅的稳健方法。

可在跨长度的各个点处测量电压。可使用经测量电压及样品长度及平均直径来例如通过确定电流-电压曲线的斜率而计算电阻率(例如，下文的实例1)。

在一些实施例中，样品棒5具有相对低氧含量(例如小于约5.5ppma的氧含量)。在其它实施例中，样品棒的氧含量小于5.2ppma、小于5.0ppma、小于3.5ppma、小于约3ppma或甚至小于约2.5ppma。在一些实施例中，样品棒5无位错。

棒5的经测量电阻率提供与坩埚中的多晶硅熔体的电阻率相关的信息(即，起始掺杂剂杂质浓度(即，净供体-受体浓度))。棒5的经测量电阻率可用于调整随后生长的锭的制造条件。例如，可将一定量的掺杂剂添加到多晶体熔体，其中至少部分基于经测量电阻率(例如，通过使用预测产品锭电阻率的模型)调整掺杂剂量。适合掺杂剂包括p型掺杂剂(例如硼、铝、镓及铟)及n型掺杂剂(例如磷、砷及锑)。

在一些实施例中，在生长样品棒及测量棒的电阻率之前将一定量的掺杂剂添加到熔体且在生长样品棒之后添加一定量的掺杂剂(例如，相同掺杂剂或不同掺杂剂)。在其它实施例中，在生长样品棒及测量电阻率之后添加全部掺杂剂(如果有)(例如，硼或磷)。

将掺杂剂添加到其且从其提拉样品锭及产品锭的多晶硅可为半导体级多晶硅。当使用半导体级多晶硅时，在一些实施例中，多晶硅具有大于4,000Ω-cm的电阻率且含有不大于0.02ppba的硼或磷。

在提拉样品棒且可选地将掺杂剂添加到熔体之后，从熔体撤出产品锭。产品锭具有大于样品棒的直径的直径(即，样品棒的恒定直径部分的直径小于锭的恒定直径部分的直径)。产品锭可具有约150mm或如在其它实施例中，约200mm、约300mm或更多(例如，450mm或更多)的直径。

在一些实施例中，在锭的生长过程中(例如，如在批量工艺中)不添加多晶硅。在其它实施例中，随着生长产品锭，将多晶硅添加到熔体(例如，如在连续丘克拉斯基方法中)。

可控制(在样品棒生长之前添加或不添加第一掺杂剂的情况下)添加到熔体的掺杂剂量以在锭的主体的至少一部分(例如，锭的主部分)中实现目标电阻率。在一些实施例中，目标电阻率为最小电阻率。在一些实施例中，锭的整个长度(例如，锭的本体的长度)具有目标电阻率(例如，最小电阻率)。在一些实施例中，产品锭的至少一部分的目标电阻率为至少约1,500Ω-cm或如在其它实施例中，至少约2,000Ω-cm、至少约4,000Ω-cm、至少约6,000Ω-cm、至少约8,000Ω-cm、至少约10,000Ω-cm或从约1,500Ω-cm到约50,000ohm-cm或从约8,000Ω-cm到约50,000Ω-cm的最小电阻率。替代地或另外，样品棒可具有至少约1,500Ω-cm、或至少约2,000Ω-cm、至少约4,000Ω-cm、至少约6,000Ω-cm、至少约8,000Ω-cm、至少约10,000Ω-cm、从约1,500Ω-cm到约50,000ohm-cm或从约8,000Ω-cm到约50,000Ω-cm的电阻率。

相较于用于生产单晶硅锭的常规方法，本发明的方法具有若干优点。用于生产相对高电阻率单晶硅的相对高纯度多晶硅具有广泛范围的硼及磷杂质量，此引起广泛范围的本征电阻率。通过生长具有相对小直径(例如，相较于具有与产品锭大体上相同的大小(例如至少200mm)的样品锭，小于产品锭，例如小于100mm、小于50mm、小于25mm或甚至小于10mm)的样品棒，可相对快速地对熔体的电阻率进行取样。经测量电阻率可用于掺杂剂的更精确添加以实现高电阻率或超高电阻率产品(例如，至少约3000ohm-cm、5000ohm-cm或至少7000ohm-cm或更多)的更好标定且特定来说，用于更好晶种端电阻率标定。相对小直径样品棒消耗相对少量的熔体(例如，相较于可消耗15kg、20kg或50kg或更多的熔体的全直径短锭，少于1kg、少于0.5kg或约0.25kg或更少)且减少归因于取样工艺的杂质积累。可相对快速地(例如，相较于可涉及20小时、30小时、40小时或50小时的生长时间的全大小短锭，约12、10或甚至5小时或更少)生长样品棒。样品棒可具有相对低氧含量(例如，例如少于约5ppma或少于4ppma)，此可改进电阻率测量的准确度(例如，在热供体消除循环之后棒的准确度)。

在其中在样品棒的表面上形成平坦片段的实施例中，可通过双点探针测量电阻率。相对于四点探针，此类双点探针可减少样品制备，可对几何校正因子更不敏感且可允许更好的电流接触。双点探针的使用还允许使用用于锭的类型确定的2端子或3端子整流方法。

减少的样品棒生长时间及减少的电阻率测量时间减少提供电阻率测量的处理时间(例如，工艺时间减少20、30或40小时)，此减少由坩埚溶解引起的杂质积累。减少杂质还改进对于未来运行的电阻率可预测性。针对每一批次(即，在产品锭之间)的热小时时间的减少允许在额外循环中重新装填坩埚而无零位错的损耗的增加。

通过以下实例进一步说明本发明的工艺。这些实例不应被视为限制性意义。

(举例来说，例如使用图4的设备)轴向地测量样品棒的电压，其中记录经施加电流及经测量电压。图5展示所产生的I-V曲线。使用样品的几何形状及I-V曲线的斜率，确定样品的电阻率为6139ohm-cm。

在类似于图1的提拉设备中生长具有约产品棒的大小的直径(例如，在200mm提拉设备中约200mm)的单晶短样品锭(“短锭”)。修剪晶体且使其经受混合酸蚀刻(MAE)。在800℃下使晶体锭块快速热退火达3分钟且对其进行研光。使锭块与四点探针接触以测量电阻率，其中在三次测量内对电阻率求平均值。

在生长短锭之后在相同提拉设备中以锁定晶种提升模式生长样品棒(“样品棒(Sample Rod)”)。棒的直径跨其长度变动且在17到23mm的范围内，其中平均值为20mm。修剪并研磨样品棒以形成从棒的一个端延伸到另一端的扁平片段。在800℃下使棒快速热退火达3分钟。通过类似于图4中展示的设备的测量设备且使用双点探针测量锭的电阻率。在下文的表1中展示生长条件之间的差异：

表1：针对直径为200mm的样品锭及直径为约17到23mm的样品棒的生长条件在图6中展示跨样品棒的长度的经测量电阻率及来自样品锭的锭块的电阻率。

短锭的样品制备时间为26小时且涉及修剪、混合酸蚀刻、快速热退火、板片切割、研磨(例如，使用金刚石垫)、研光及使用4点探针的测量。样品棒的样品制备时间为6小时且涉及修剪、混合酸蚀刻、快速热退火、磨平(使用金刚石垫)、研光及使用2点探针的测量。

如本文中使用，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”意指涵盖可存在于性质或特性的范围的上限及/或下限中的变动，包括(例如)源自舍入、测量方法的变动或其它统计变动。

当介绍本发明或本发明的(若干)实施例的元件时，冠词“一”及“所述”希望意指存在一或多个元件。术语“包含”、“包括”、“含有”及“具有”希望为包括性且意指除了所列举的元件之外，可存在额外元件。指示特定定向的术语(例如，“顶部”、“底部”、“侧面”等)的使用是为了方便描述且不需要所描述的项目的任何特定定向。

由于可对上文构造及方法做出各种改变而不脱离本发明的范围，因此希望将上文描述中含有及(若干)附图中展示的全部事项解读为阐释性且非限制性意义。