[其他]一種微氮低氧化碳直拉硅單晶的制備方法

無效

• 申請號: 88100307
• 申請日: 1988-01-20
• 公開（公告）號: CN88100307A
• 公開（公告）日: 1988-07-27
• 發明（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，大規模集成電路常用的CZ-硅單晶，其主要雜質是氧與碳。氧、碳雜質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（大規模集成電路/超大規模集成電路）的迅速發展，人們對硅單晶質量的要求越來越高，尤其對硅單晶中雜質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條紋的產生。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生產。

申請號為CN87105811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。而申請號為CN87105811專利未涉及這方面問題。

本發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，坩堝轉速為5～20轉/分，坩堝內多晶投料量為20～60kg，晶體轉速為10～30轉/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，適當調整籽晶轉速、坩堝轉速和拉速，三者協調配合，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。