СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C30B15/04 C30B29/06 

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов, в частности к технологии выращивания кремния по методу Чохральского. Монокристаллы кремния, выращенные по предлагаемому способу, могут быть использованы в производстве приборов электронной и силовой полупроводниковой техники.

Метод Чохральского включает выращивание монокристаллов на монокристаллическую затравку из расплава кремния, помещенного в кварцевый тигель. В результате реакции взаимодействия расплава со стенками кварцевого тигля растущий кристалл обогащается кислородом. Уровень концентрации кислорода в кристаллах Si в зависимости от типа полупроводниковых приборов и конкретной технологии их изготовления должен существенно различаться. Так, в современном производстве интегральных схем (особенно СБИС) концентрация кислорода (N_о) должна быть достаточно высокой для реализации эффекта внутреннего геттерирования. В кремнии, предназначенном для производства мощных транзисторов и приборов силовой полупроводниковой техники, N_о, напротив, должна быть минимально возможной для обеспечения высокой термостабильности электрофизических и структурных свойств кремния. В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки технологических методов управления (получения заданной величины) концентрацией кислорода в выращиваемых монокристаллах кремния.

Известен способ получения монокристаллов Si с пониженным содержанием кислорода [1] в соответствии с которым в расплав Si вводятся добавки некоторых примесей, таких как германий, олово, свинец и другие, которые связывают растворенный в кристаллической решетке выращиваемого кремния кислород с образованием новых соединений. В приведенном в [1] примере при добавке в расплав Si германия в количестве 6% весовых N_o в кристаллах снижается почти в 2 раза. К недостаткам предложенного в [1] способа можно отнести возможность нарушения бездислокационного роста или появления некоторых других дефектов структуры, связанных с вводимыми примесями, особенно при выращивании монокристаллов Si большого диаметра и большой длины.

Известен способ получения монокристаллов Si c повышенным содержанием кислорода [2] в соответствии с которым для предотвращения испарения SiO (а следовательно, увеличения N_o в растущем кристалле) на открытой поверхности расплава размещается вращающееся кварцевое кольцо с внутренним диаметром, превышающим в 1,2 раза диаметр растущего кристалла.

Недостатками описанного в [2] способа являются трудности обеспечения бездислокационного роста кристалла из-за близкого расположения инородного тела, а также некоторые проблемы, связанные с получением хорошей формы выращиваемого кристалла из-за сложности автоматического поддержания диаметра.

Общим недостатком описанных в [1] и [2] методов является факт одностороннего воздействия на концентрацию кислорода, т.е. ее уменьшение [1] или увеличение [2] при этом не решается задача управления N_o в широком диапазоне величин.

Известен способ управления концентрацией кислорода в выращенных по методу Чохральского монокристаллах Si путем изменения факторов, влияющих на гидродинамику потоков в расплаве Si частот вращения кристалла (W_кр) и тигля (W_т, а также отношения W_кр/W_т [3] Так, в соответствии с [3] концентрация кислорода в верхней части монокристаллов Si диаметром 75 80 мм, выращенных в условиях W_кр 20 об/мин и W_т 2 об/мин, была более чем в 1,5 раза выше, чем в условиях W_кр 0,5 об/мин и W_т 15 об/мин, однако описанный в [3] метод лишь констатирует факт влияния W_т, W_кр и W_кр/W_т, но не дает необходимых рекомендаций по управлению концентрацией кислорода в желаемом интервале величин N_о.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является способ, описанный в [4] Предложенный в [4] способ позволяет управлять концентрацией кислорода в верхних частях (в месте выхода на постоянный диаметр) монокристаллов Si в достаточно широких пределах путем выбора соответствующего отношения площади поверхности контакта расплава с тиглем (S_к) к площади открытой поверхности расплава (S_и) в пределах 1,5 4,0 и последующего формулирования условий выращивания для реализации этого отношения: диаметра тигля, массы загрузки в тигель и режима перемешивания расплава. Так, для получения N_о в верхней части монокристаллов Si диаметром 80 мм на уровне ≈ 1,2•10¹⁸ см^-3 (≈ 9,0•10¹⁷ cм^-3 при калибровочном коэффициенте 2,45•10¹⁷ cм^-2) необходимо реализовать отношение S_к/S_и ≈ 2,8 путем использования, например, тигля диаметром 270 мм и загрузки в тигель 16 кг (рекомендуемые величины W_кр и W_т для обеспечения указанной величины N_о в [4] не приводятся).

Однако в [4] не рассмотрено влияние факторов, определяющих температуру стенки кварцевого тигля, а именно конструкции экранировки теплового узла и положения расплава внутри горячей зоны установки выращивания. Вместе с тем известно, что изменение температуры стенки тигля приводит к существенному изменению скорости растворения кварцевого тигля в расплаве Si, а следовательно, к изменению количества поступающего в расплав (и кристалл) кислорода, даже при обеспечении одинакового отношения S_к/S_и.

Цель изобретения управление концентрацией кислорода (получение заданной величины N_о) в бездислокационных монокристаллах Si, выращиваемых по методу Чохральского.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристалла кремния по Чохральскому с использованием установленного внутри нагревателя кварцевого тигля диаметром 300 ± 30 мм при отношении площади поверхности контакта расплава с тиглем к площади открытой поверхности расплава 1,5-4,0 расстояние (h) от начального уровня расплава в тигле до верхнего края нагревателя поддерживают равным 2 9 cм, а увеличение (уменьшение) концентрации кислорода в верхней части растущего монокристалла на каждые 0,4 ± 0,2•10¹⁷ см^-3 проводят путем повышения (понижения) уровня расплава на 1 см в пределах указанного интервала h.

Выбор указанного интервала величин h обусловлен тем, что при h менее 2 см и более 9 см крайне затруднен бездислокационный рост кристалла. Кроме того, при h > 9 cм вследствие низкого радиального градиента температур в расплаве возникают трудности с обеспечением хорошей формы растущего кристалла. Для устранения этого недостатка потребуется применение чрезвычайно низких скоростей выращивания, что экономически нецелесообразно.

С другой стороны, при выращивании в условиях h < 2 cм увеличивается вероятность спонтанной кристаллизации расплава у стенок кварцевого тигля (так называемые "подморозки").

Величина изменения концентрации кислорода в кристалле при изменении начального положения расплава на 1 см находится в пределах (0,2-0,6)•10¹⁷ см^-3 и определяется типом установки выращивания (конструкцией ее теплового узла), а также размерами, формой и материалом элементов под тигель и экранировки теплового узла. Так, в частности, экспериментально установлено, что замена цельного графитового элемента под тигель на сетчатый (деталь 4 на чертеже) приводит к увеличению ΔN_o/h более чем в 1,5 раза. В колебание величины ΔN_o/h ± 0,2•10¹⁷ cм^-3/см включена также погрешность метода измерения концентрации кислорода.

На чертеже изображены основные элементы теплового узла установки выращивания, а также заявляемый в изобретении параметр, h. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 графитовый нагреватель; 2 кварцевый тигель; 3 - расплав Si; 4 цилиндрический графитовый элемент под тигель.

Пример. Монокристаллы Si диаметром 80, 105 и 155 мм марки КДБ 12 кристаллографической ориентации <100> были выращены на установке "Редмет-30" в протоке аргона из тигля диаметром 330 мм. Цилиндрический элемент под тигель (деталь 4 на чертеже) был выполнен в виде графитовой сетки. Расход газа составлял: при выращивании монокристалла диаметром 80 мм 800 л/ч, диаметром 105 мм 1200 л/ч и диаметром 155 мм 1500 л/ч. Скорость выращивания изменяли от 1,5 до 0,5 мм/мин по программе. Частоты вращения кристалла и тигля поддерживали постоянными соответственно 20 и 3 об./мин.

Выращивание кристалла осуществляли при различном положении начального уровня расплава в тигле по отношению к нагревателю, для чего тигель перемещали на заданное расстояние.

Концентрацию кислорода измеряли в центральной части монокристалла в месте выхода на постоянный диаметр ИК-методом по поглощению на длине волны 9,1 мкм при использовании калибровочного коэффициента 2,45•10¹⁷ см^-2.

В таблице приведены некоторые дополнительные данные по режиму выращивания монокристаллов: масса загрузки в тигель, отношение S_к/S_и, величина h, а также результаты измерения N_о в кристаллах и величины ΔN_o/h.
Как видно из представленных данных, в испытанном варианте конструкции теплового узла и отношений S_к/S_и, изменяя начальное положение расплава по отношению к нагревателю, можно управлять концентрацией кислорода в верхних частях монокристаллов Si в достаточно широких пределах: (5-8,5)•10¹⁷ см^-3 для кристаллов диаметром 80 мм, (5,7 - 9,3)•10¹⁷ см^-3 для кристаллов диаметром 105 мм и (7-11)•10¹⁷ cм^-3 для кристаллов диаметром 155 мм.

Таким образом, предложенное решение позволяет выращивать монокристаллы Si для широкого класса полупроводниковых приборов с различными требованиями к величинам N_о. Так, монокристаллы Si диаметром 80 мм с N_о 5•10¹⁷ см-3, выращенные в соответствии с примером 3 таблицы, могут быть использованы в производстве мощных транзисторов, где необходимым условием является чрезвычайно высокая термостабильность удельного электрического сопротивления Si.

В свою очередь, монокристаллы Si того же диаметра с N_o 8,5•10¹⁷ см^-3, выращенные в соответствии с примером 1 таблицы, могут быть применены в производстве интегральных схем с использованием внутреннего геттера.

Приведенные в таблице данные являются также убедительной демонстрацией основного недостатка способа выращивания по прототипу [4] выращивание монокристаллов при одной и той же величине отношения S_к/S_и, но при различном положении расплава внутри теплового узла установки выращивания, приводит к существенно различным величинам N_о в кристаллах. Так, например, для монокристаллов диаметром 80 мм, выращенных в условиях реализации одного и того же отношения S_к/S_и (1,8), но при изменении h в пределах 2 9 см, величины N_о изменяются в пределах (5-8,5)•10¹⁷ см^-3.

Таким образом, указанные в заявке условия выращивания являются оптимальными и целесообразными с точки зрения достижения требуемого положительного эффекта управления концентрацией кислорода в бездислокационных монокристаллах Si в широком интервале величин. Такие кристаллы могут быть успешно использованы в приборах силовой и электронной полупроводниковой техники.

Цель изобретения - управление концентрацией кислорода (получение заданной величины N_о) в бездислокационных монокристаллах кремния, выращиваемых по методу Чохральского. Эта цель достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов кремния по Чохральскому с использованием установленного внутри нагревателя кварцевого тигля диаметром 300 ± 30 мм при отношении площади поверхности контакта расплава с тиглем к площади открытой поверхности контакта расплава 1,5 - 4,0 расстояние (h) от начального уровня расплава в тигле до верхнего края нагревателя поддерживают равным 2 - 9 cм, а увеличение (уменьшение) концентрации кислорода в верхней части растущего монокристалла на каждый 0,4 ± 0,2•10¹⁷ см^-3 проводят путем повышения (понижения) уровня расплава на 1 см в пределах интервала h. Предложенное решение позволяет выращивать монокристаллы кремния для широкого класса полупроводниковых приборов с различными требованиями к концентрации кислорода. 1 ил., 1 табл.

Способ выращивания монокристаллов кремния по Чохральскому с использованием установленного внутри нагревателя кварцевого тигля диаметром (300 ± 30) мм и отношения площади поверхности контакта расплава с тиглем к площади открытой поверхности расплава 1,5 4,0, отличающийся тем, что расстояние h от начального уровня расплава в тигле до верхнего края нагревателя поддерживают равным 2 9 см, а увеличение (уменьшение) концентрации кислорода в верхней части растущего кристалла на каждые (0,4 ± 0,2) • 10^1 7 см^- 3 проводят путем повышения (понижения) уровня расплава на 1 см в пределах указанного интервала h.