[其他]一種微氮低氧化碳直拉硅單晶的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 88100307
• 申請日: 1988-01-20
• 公開（公告）號: CN88100307A
• 公開（公告）日: 1988-07-27
• 發(fā)明（設計）人: 李立本;闕端麟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;C30B27/02
• 代理公司: 浙江大學專利代理事務所
• 代理人: 連壽金

本發(fā)明屬于硅單晶生長技術，尤其涉及直拉硅單晶中的氮、氧、碳含量控制技術。

目前，大規(guī)模集成電路常用的CZ-硅單晶，其主要雜質(zhì)是氧與碳。氧、碳雜質(zhì)在硅中的行為比較復雜，一般認為，氧的作用有利有弊，而碳則只有害而無益。當碳含量超過5×10¹⁶cm^-3時，半導體器件的特性退化，反向特性變軟，擊穿電壓下降;碳含量越高，器件的成品率越低。

由于LSI/VLSI（大規(guī)模集成電路/超大規(guī)模集成電路）的迅速發(fā)展，人們對硅單晶質(zhì)量的要求越來越高，尤其對硅單晶中雜質(zhì)氧的均勻分布要求更為嚴格。直拉工藝制備的硅單晶（CZ-Si）含有相當數(shù)量的氧（～10¹⁸cm^-3），由于硅中氧對位錯有釘扎作用，一定含量的氧有利于改善硅片的機械強度，防止硅片在器件工藝中翹曲和破碎。但CZ-Si中氧含量較高時，則產(chǎn)生很多弊端，諸如熱施主、新施主、氧沉淀和各種微缺陷等。人們企圖采用區(qū)熔懸浮工藝制備的硅單晶（FZ-Si）代替CZ-Si，則因含氧量低（～10¹⁶cm^-3），具有更高的電子遷移率而有其優(yōu)越性。但FZ-Si硅片無法克服由低氧含量而引起在器件工藝過程中產(chǎn)生翹曲和破裂的缺點。鑒于氧在硅中這種雙重作用，使得放大半導體器件工作者提出，對不同的器件工藝，應采用不同氧含量的硅片，并且希望硅單晶中縱向和斷面氧含量均勻分布。因此直拉工藝制備的硅單晶（CZ-Si）中氧的控制問題，成為八十年代以來硅單晶生長技術中十分引人注目的重要課題。磁場中直拉硅單晶（MCZ）技術就是在這樣背景中應運而生的，1980年5月在美國第15屆電化學學會上發(fā)表的MCZ法，引起了人們極大的反響。

在CZ法中加了磁場后，硅熔體的熱對流所產(chǎn)生的電導性物體，在磁場中的運動受到新的作用力，抑制了熱對流，從而控制了石英坩堝壁附近的氧輸送到生長固液界面的速率，大大降低了直拉硅單晶（CZ-Si）中的氧含量，使氧含量低于1×10¹⁷cm^-3（2ppma）。同時由于抑制熔體熱對流，也抑制了微缺陷和雜質(zhì)條紋的產(chǎn)生。然而這樣低氧含量的MCZ硅單晶與FZ-Si硅單晶相似，由于屈服應力降低而無法克服硅片在器件工藝過程中易產(chǎn)生翹曲等缺點。隨著硅單晶的大直徑化，直徑大于4″硅單晶這種矛盾尤其突出。加上MCZ-Si電耗增加了二倍，所以MCZ-Si至今未能商品化和成為實用于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的材料。

多年來人們夢寐以求地尋求一種低氧、低碳高強度的硅單晶，以滿足日益發(fā)展VLSI技術的需要。

日本信越公司阿部孝夫等人〔Semiconductor silicon 1981 p54〕提出在FZ-Si硅單晶中摻入氮可以提高硅片的機械強度，但對于直徑大于3″的FZ-Si單晶制備相當困難。于是阿部孝夫等人〔VLSI Sciencend Technology 1985 P543〕又提出在熔硅中加入Si₃N₄粉料制取摻氮直拉硅單晶，以改善硅單晶的機械性能，由于工藝難以掌握，至今未能應用于工業(yè)生產(chǎn)。

申請?zhí)枮镃N87105811專利提出了直拉硅單晶的氣相摻氮方法，能提高大直徑硅片的機械強度，進一步抑制硅單晶中微缺陷，但由于氮、氧和碳在硅中的行為是比較復雜的，相互制約的，合理控制硅中氧、碳和氮的含量仍是十分迫切的任務。而申請?zhí)枮镃N87105811專利未涉及這方面問題。

本發(fā)明的任務在于提供一種適合VLSI需要的微氮低氧低碳的硅單晶的制備方法。

本方法是在常規(guī)的直拉硅單晶工藝條件下，包括外加磁場為1000～5000高斯，坩堝轉(zhuǎn)速為5～20轉(zhuǎn)/分，坩堝內(nèi)多晶投料量為20～60kg，晶體轉(zhuǎn)速為10～30轉(zhuǎn)/分，拉速為0.8～1.5毫米/分。采用下述措施制備直徑2″～6″，適合LSI/VLSI需求的微氮、低氧、低碳直拉硅單晶。

為了降低硅中氧含量，在石英坩堝的表面涂復一層氮化硅薄膜，使熔硅與SiO₂隔絕;同時在外加磁場下，適當調(diào)整籽晶轉(zhuǎn)速、坩堝轉(zhuǎn)速和拉速，三者協(xié)調(diào)配合，便可有效地控制硅單晶中的氧含量，使氧含量達到10ppma以下。氧含量小于10ppma的硅片，其機械強度受到影響，對于直徑大于4″的CZ-Si單晶尤其明顯。摻入微量氮，則可消除這種影響，因為氮對位錯的釘扎作用比氧更強，能顯著地改善低氧濃度硅片的機械性能。