способ получения монокристаллов кремния

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯ, включающий вытягивание монокристаллов на затравку из кварцевого тигля цилиндрической формы со сферическим дном с одновременным вращением кристалла и тигля и воздействием на расплав осесимметричного постоянного магнитного поля с индукцией 0,03 0,06 Тл, отличающийся тем, что вытягивание кристалла из цилиндрической части тигля ведут при постоянной частоте вращения тигля не более 3 мин^-1, при достижении уровня расплава сферической части тигля значение частоты вращения тигля увеличивают на 0,4 0,5 мин^-1 на каждый 1 см длины кристалла до величины 10 15 мин^-1, а внутренний диаметр цилиндрической части тигля d_т выбирают из соотношения d_т 3,15 d_кр, где d_кр диаметр растущего кристалла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полупроводниковой металлургии, в частности к методам выращивания монокристаллов кремния по Чохральскому. Метод Чохральского включает выращивание кристаллов на монокристаллическую затравку из расплава кремния, помещенного в кварцевый тигель.

Непрерывное растворение кварцевого тигля в расплаве кремния и поставка обогащенного кислородом расплава от стенок тигля к фpонту кристаллизации является главной причиной высоких концентраций кислорода N₀ в выращиваемых по методу Чохральского кристаллах кремния. Кристаллы кремния с высоким N₀ обладают низкой термостабильностью электрофизических и структурных параметров, что сдерживает применение такого материала в производстве высоковольтных полупроводниковых приборов (силовых диодов, тиристоров, мощных транзисторов), а также в производстве некоторых типов интегральных схем на основе кремния.

Наиболее близким к изобpетению является способ снижения концентрации кислорода в монокристаллах кремния, в котором достигнутая концентрация кислорода в кристаллах, выращенных при воздействии СИ Р-магнитного поля с параметрами В_Z 0,32 Тл и В_R 0,2 Тл, составляет примерно 2,5^.10¹⁷ см^-3.

Недостатками данного способа являются необходимость применения высоких индукций магнитных полей для получения низких концентраций кислорода в кристаллах, а также трудность практической реализации магнитных полей такой конфигурации.

Известны способы выращивания монокристаллов кремния с пониженным содержанием кислорода путем воздействия на расплав осесимметричного постоянного магнитного поля и одновременно выбором соответствующих частот вращения кристалла и тигля.

В соответствии с прототипом монокристаллы кремния диаметром 105 и 155 мм выращивали при воздействии на расплав осесимметричного постоянного магнитного поля с индукцией 0,13-0,06 Тл. Достигнутые величины n₀ в кристаллах диаметром 105 и 155 мм находились в пределах (2,5-6,0)^.10¹⁷ см^-3 и (5,5-8,0)^.10¹⁷ см^-3 соответственно.

Недостатком данного метода является высокая осевая неоднородность распределения кислорода. В концевой части кристаллов, выращивание которых происходило из сферической части тигля, наблюдается резкое возрастание концентрации кислорода. Кроме того, достигнутый минимальный уровень N₀ в кристаллах достаточно высок.

Целью изобретения является снижение концентрации кислорода при обеспечении высокой однородности его распределения.

Для этого в способе получения монокристаллов кремния, включающем вытягивание из кварцевого тигля цилиндрической формы со сферическим дном с одновременным вращением кристалла и воздействием на расплав осесимметричного постоянного магнитного поля с индукцией 0,03-0,06 Тл, вытягивание кристалла из цилиндрической части тигля ведут при неизменной частоте вращения тигля не более 3 об/мин, а при достижении уровня расплава сферической части тигля значение частоты вращения тигля увеличивают на (0,4-0,5) об/мин на каждый сантиметр длины кристалла до величины 10-15 об/мин, причем внутренний диаметр цилиндрической части тигля d_т выбирают из соотношения

d_т 3,15d_кр, где d_кр диаметр растущего кристалла.

Реализация предложенного способа осуществляется на установках выращивания монокристаллов по Чохральскому, оборудованных расположенной коаксиально с тиглем и выращиваемым монокристаллом соленоидной системой постоянного тока, создающей в зоне расплава вертикальное симметричное относительно оси роста постоянное магнитное поле в индукцией до 0,1 Тл.

Сущность предложенного способа состоит в следующем. При выращивании монокристаллов заданного диаметра с низким содержанием кислорода первоначально выбирают диаметр кварцевого тигля из указанного соотношения. Далее в тигель загружают кремний-сырец (или смесь сырца и оборотного материала) и расплавляют его с помощью нагревательных элементов. Затем на расплав воздействуют симметричным относительно оси роста постоянным магнитным полем с индукцией 0,03-0,06 Тл и производят затравление кристалла при изо- или противовращении кристалла и тигля с частотой не выше 3 об/мин, разращивают кристалл до необходимого диаметра и ведут его выращивание при указанных значениях индукции поля и частот вращения кристалла и тигля до момента достижения расплавом сферической части тигля. Далее для сохранения высокой осевой однородности распределения кислорода величину частоты вращения тигля увеличивают на (0,4-0,5) об/мин на каждый сантиметр длины кристалла до величины (10-15) об/мин и на этом уровне частоту вращения тигля сохраняют постоянной до завершения процесса выращивания.

Физическая сущность происходящих при реализации предлагаемого способа явлений заключается в следующем. В предложенных условиях выращивания в расплаве кремния существуют гидродинамические потоки, обусловленные вращением кристалла, тигля и тепловой конвекцией. Потоки расплава, обусловленные вращением тигля и тепловой конвекцией, поднимаются у стенок тигля, проходят вдоль открытой поверхности расплава (где кислород частично испаряется в виде SiO) и далее достигают фронта кристаллизации. При воздействии слабого магнитного поля подвижность этого потока еще сохраняется достаточно высокой, в то время как доля испаряющегося SiO заметно возрастает, что способствует снижению N₀ в растущем кристалле. Причем с увеличением длины открытой области расплава степень снижения N₀ возрастает. Этим и обусловлен выбор экспериментально установленного оптимального соотношения диаметров.

При переходе расплава из цилиндрической части тигля в сферическую резко возрастает влияние потока, стимулированного вращением кристалла (опускание потока у стенок тигля и подъем накислороженного расплава к фронту кристаллизации под кристаллом), что является причиной резкого возрастания концентрации кислорода в концевой части кристалла. Для подавления усиливающегося вклада кристалла в движение потоков расплава в предлагаемом способе рекомендовано при переходе расплава из цилиндрической в сферическую часть тигля увеличить частоту вращения тигля. Выбор указанного выше диапазона скоростей увеличения частоты вращения тигля при достижении расплавом сферической части тигля (0,4-0,5) об/мин на 1 см длины кристалла и максимальных величин d_т, до которых это увеличение будет проведено (10-15) об/мин, а также соотношения внутреннего диаметра тигля к диаметру кристалла обусловлен экспериментально найденными условиями достижения максимального положительного эффекта. Пи изменении частоты менее 0,4 об/мин.см не удается подавить резкое возрастание в концевой части кристалла, что не обеспечивает низкую концентрацию кислорода по всей длине кристалла (а следовательно, требуемую степень осевой однородности распределения кислорода).

При изменении частоты более 0,5 об/мин^.см может произойти срыв бездислокационного роста кристалла.

При величинах максимальных частот вращения тигля при выращивании концевой части кристалла менее 10 об/мин потоки расплава, обусловленные вращением тигля, не могут в полной мере нейтрализовать потоки, обусловленные вращением кристалла, что приводит к повышенным значениям концентрации кислорода в нижних частях кристаллов. Увеличение максимальной величины d_т выше 15 об/мин нецелесообразно, так как это оказывает слабое влияние на однородность распределения кислорода, а техническое обеспечение высоких частот сопряжено с трудностями.

Использование малых значений индукции поля, не возрастающих в процессе выращивания монокристалла, приводит к дополнительному эффекту снижению энергоемкости процесса, поскольку индукция магнитного поля определяется при прочих равных условиях силой тока в обмотках магнитной системы, а ее энергоемкость квадратично зависит от силы тока.

П р и м е р 1. Монокристалл кремния диаметром 105 мм марки КДБ 12, <100>, был выращен на установке "Редмет-30" в протоке аргона из тигля диаметром 356 мм (внутренний диаметр 344 мм), поверхность которого состояла из цилиндpической и сферической частей, при массе загрузки в тигель 21 кг. При этом отношение внутреннего диаметра цилиндрической части тигля к диаметру кристалла составляло 3,26.

Установка выращивания была оснащена соленоидной системой постоянного тока, обеспечивающей получение внутри рабочей камеры установки вертикально симметричного относительно оси роста постоянного магнитного поля с индукцией до 0,1 Тл.

Исходное сырье (смесь поликристаллического кремния и оборотного материала) загружали в тигель и расплавляли с помощью нагревательных элементов при вращении тигля с частотой 2 об/мин. После полного расплавления исходного сырья на расплав воздействовали осесимметричным постоянным магнитным полем с индукцией 0,05 Тл. Выращивание кристалла из цилиндрической части тигля осуществляли при постоянных частотах противовращения кристалла и тигля, равных 2 об/мин, а по достижении уровнем расплава сферической части тигля частоту вращения тигля увеличивали на 0,45 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла до 12 об/мин, при этом частоту вращения кристалла оставляли неизменной. После достижения частоты вращения тигля 12 об/мин ее также не изменяли до конца процесса выращивания. Программа изменения частоты вращения тигля реализовалась микропроцессорным комплексом КМ3111 (на базе КТС ЛИУС-2) с учетом рассчитанных ранее длин кристалла, выращенных из цилиндрических сферических частей тигля.

Расход аргона в рабочей камере установки выращивания составлял 1200 л/ч, остаточное давление 10 мм рт.ст. Скорость вытягивания изменялась в процессе роста от 1,2 мм/мин в начальной части кристалла до 0,5 мм/мин в концевой по специальной программе.

В выращенном указанным выше способом монокристалле методом ИК-поглощения на длине волны 9,1 мкм при К 2,45^.10¹⁷ см^-3 была измерена концентрация кислорода в центральной области в 9 сечениях по длине кристалла.

Результаты приведены на фиг. 1.

Как видно на фиг. 1, применение предложенного способа позволило обеспечить низкую концентрацию кислорода (1,5-1,8)^.10¹⁷ см^-3 в кристалле при высокой осевой однородности его распределения.

П р и м е р 2. 5 монокристаллов кремния диаметром 78 мм марки КДБ 12, <100>, были выращены на установке "Редмет-30" (оснащение магнитом аналогично примеру 1) в протоке аргона из стандартного тигля диаметром 330 мм (внутренний диаметр 318 мм) при загрузке в тигель 17 кг. При этом отношение внутреннего диаметра цилиндрической части тигля к диаметру кристалла было равно 4.

Монокристаллы выращивали по режимам, представленным в таблице. Во всех приведенных в таблице случаях кристалл и тигель вращали в противоположные стороны, частота вращения кристалла составляла 2 об/мин. Приведем более подробно пример реализации одного из описанных в таблице режимов (режима 1).

После полного расплавления исходного сырья на расплав воздействовали осесимметричным постоянным магнитным полем с индукцией 0,05 Тл. При вращении из цилиндрической части тигля d_т оставляли постоянным и равным 2 об/мин. При достижении расплавом сферической части тигля (длина выращенного кристалла 60 см) d_т увеличивали на 0,45 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла до 11 об/мин (на длине кристалла 80 см) и далее оставляли неизменным до конца процесса выращивания. Изменение d_т осуществляли автоматически аналогично описанному в примере 1. Прочие условия выращивания, в частности расход газа, остаточное давление и скорость вытягивания, также были аналогичны описанным в примере 1.

В монокристалле, выращенном по режиму 1, была измерена концентрация кислорода в центральной области в 10 сечениях по длине кристалла.

Результаты приведены на фиг. 2.

В других монокристаллах кремния, режимы выращивания которых приведены в таблице, концентрацию кислорода измеряли в 3-х сечениях (верх, середина, половина длины и низ) по длине кристалла. Результаты ее изменения из расчета осевой неоднородности распределения кислорода в монокристаллах, выращенных по предложенному способу, приведены в таблице.

В этой же таблице приведены результаты анализа N₀ и N₀ в кристаллах, выращенных в режимах, выходящих за пределы предложенного способа (режимы 1-10 таблицы) и по способу-прототипу (11 и 12).

Условия выращивания кристалла диаметром 78 мм при несоблюдении рекомендованного в предложенном способе отношения d_т/d_кр (режим 10 таблицы) отличались от описанных выше диаметром тигля 200 мм (внутренний диаметр 194 мм) и массой загрузки в тигель 6 кг. При этом d_т/d_кр было равно 2,5.

Анализируя представленные в таблице и на фиг. 2 данные, можно сказать, что применение предложенного способа (режим 1-5) обеспечивает получение монокристаллов с низкой (<1,810¹⁷ см^-3) концентрацией и высокой осевой однородностью распределения кислорода ( N₀ < 15%).

Применение скорости изменения частоты вращения тигля менее 0,4 об/мин.см (режим 6) или более 0,5 об/мин^.см (режим 7) приводит в первом случае к заметному возрастанию осевой неоднородности распределения кислорода, а во втором к срыву бездислокационного роста кристалла. Использование частот вращения тигля при выращивании сферической части тигля менее 10 об/мин (режим 8) или более 15 об/мин (режим 9) также приводит к существенному увеличению осевой неоднородности распределения кислорода.

Уменьшение отношения диаметра тигля к диаметру кристалла (режим 10) приводит к резкому (более чем в 4 раза) увеличению концентрации кислорода по всей длине кристалла.

В соответствии с прототипом были выращены два кристалла:

1. Монокристалл кремния диаметром 158 мм из тигля диаметром 330 мм (внутренний диаметр 318 мм) при загрузке в тигель 30 кг. При этом отношение внутреннего диаметра цилиндрической части тигля к диаметру кристалла составляло 2, что существенно ниже рекомендованного в предложенном способе ( 3,15) (такой режим в настоящее время является типичным при выращивании монокристаллов диаметром 150 мм на отечественном оборудовании). Выращивание осуществляли при неизменных частотах противовращения кристалла и тигля, равных 2 об/мин. Величина индукции магнитного поля при выращивании кристалла из цилиндрической части тигля (длина кристалла 50 см) составляла 0,05 Тл, а при достижении расплавом сферической части тигля ее увеличивали до 0,085 Тл со скоростью 0,002 Тл/мин.

Прочие условия выращивания кристалла (расход аргона, остаточное давление и скорость вытягивания) не отличались от условий выращивания по предложенному способу.

2. Монокристалл кремния диаметром 105 мм из тигля диаметром 270 мм (внутренний диаметр 260 мм) при загрузке в тигель 16 кг. При этом отношение диаметров было равно 2,4, что существенно ниже 3,15 по предложенному способу. Частоты противовращения кристалла и тигля были равны соответственно 2 и 3 об/мин и не изменялись в процессе выращивания. Величина индукции магнитного поля при выращивании из цилиндрической части тигля (длина кристалла 40 см) составляла 0,045 Тл, а при достижении расплавом сферической части тигля увеличивалась до 0,09 Тл. Прочие условия выращивания не отличались от условий выращивания по предложенному способу.

Как видно на фиг. 3, в монокристаллах, выращенных в соответствии с прототипом, наблюдаются достаточно высокие концентрации кислорода. Так, в монокристалле диаметром 158 мм (I случай из описанных выше) она лежит в пределах (6,3-9,5)^.10¹⁷ см^-3 и в монокристалле диаметром 105 мм (II случай) в пределах (3,8-5,5)^.10¹⁷ см^-3, что существенно выше, чем в кристаллах, выращенных по предложенному способу.

Таким образом, указанные режимы, параметры и последовательность ведения процесса являются оптимальными и целесообразным с точки зрения практической реализации и достижения требуемого положительного эффекта снижения концентрация кислорода при сохранении высокой однородности его распределения в кристаллах. Такие кристаллы могут быть успешно использованы в силовых и электронных приборах, где в качестве первоочередного требования выдвигается высокая термостабильность структурных и электрофизических параметров кремния.