способ выращивания монокристаллов кремния

Формула изобретения

1 Способ выращивания монокристаллов кремния вытягиванием на вращающуюся затравку из расплава в тигле, поверхность которого состоит последовательно из цилиндрической и сферической частей, включающий изменение частоты вращения тигля и поддержание постоянной частоты вращения кристалла, отличающийся тем, что частоту вращения тигля при выращивании кристалла из цилиндрической части тигля увеличивают на 0,2 0,5 об/мин, при выращивании из сферической части тигля уменьшают на 0,15 0,45 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов, в частности к технологии получения кремния методом Чохральского, и может быть использовано в производстве интегральных схем с высоким уровнем интеграции. Этот метод включает в себя 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. Непрерывное убывание расплава в тигле по мере выращивания кристалла при использовании неизменной частоты вращения тигля (W_т) и кристалла (W_кр) приводит к неоднородному распределению концентрации кислорода (No) по длине кристалла.

Известен способ повышения однородности распределения кислорода по длине кристалла по мере его выращивания [1] В соответствии с [1] W_кр увеличивается по линейному закону в пределах 0,05 0,2 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла. Однако этот метод не обеспечивает однородного распределения кислорода по всей длине кристалла, поскольку не учитывает сложный характер изменения N_o, обусловленный в большей мере конструкцией применяемых в настоящее время кварцевых тиглей.

Известен также способ повышения однородности распределения кислорода по длине монокристалла кремния [2] в соответствии с которым в расплав кремния опускают кварцевую трубку, через которую по мере убывания расплава вводят расчетные количества кварцевой крошки. Недостатками способа являются конструктивные проблемы, связанные с введением кварцевой трубки в рабочую зону установки выращивания, а также высокая вероятность срыва бездислокационного роста кристалла из-за возможного попадания кварцевой крошки на фронт кристаллизации расплава.

Известны способы повышения однородности распределения кислорода по длине кристалла путем изменения частоты вращения тигля по мере выращивания кристалла при неизменной величине W_кр.. Так, в [3] предлагается изменять частоту вращения тигля по следующему закону:

grad W_т K grad No,

где К положительная (или отрицательная) величина в зависимости от градиента температуры между периферией и центром расплава.

Однако этот метод очень трудоемок, поскольку для каждого конкретного варианта выращивания необходимо проводить измерение концентрации кислорода по длине кристалла при постоянной W_т и измерение градиента температуры в расплаве.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ, описанный в [4] В нем для повышения однородности распределения Nо частоту вращения тигля непрерывно увеличивают по мере выращивания кристалла. При этом кристалл и тигель вращаются в противоположные стороны и в процессе всего выращивания сохраняется условие W_кр>W_т. Однако этот метод не может обеспечить высокую однородность распределения Nо по всей длине кристалла. Установлено, что по мере выращивания монокристалла концентрация кислорода может уменьшаться или возрастать в зависимости от того, в какой части тигля находится расплав (в цилиндрической или сферической). Применение же предложенного в [4] метода с постоянной W^_крнепрерывно возрастающей по мере выращивания W_т, не обеспечивает выравнивания No по всей длине кристалла. Еще одним недостатком предложенного в [4] метода является трудность реализации рекомендованных для обеспечения W_кр>W_т частот вращения кристалла на установках с "гибким" верхним штоком (во всех приведенных в [4] примерах W_кр 28 об/мин). При достижении W_кр 28 об/мин и более велика вероятность появления раскачки кристалла, что может привести к искажению его формы и срыву бездислокационного роста.

Цель изобретения повышение однородности распределения кислорода по всей длине кристалла при обеспечении его бездислокационной структуры.

Поставленная цель достигается тем, что в способе выращивания монокристаллов кремния вытягиванием на вращающуюся затравку из расплава в тигле, поверхность которого последовательно состоит из цилиндрической и сферической частей, включающем изменение частоты вращения тигля и поддержание постоянной частоты вращения кристалла по мере выращивания монокристалла при выполнении условия W_кр>W_т, частоту вращения тигля при выращивании кристалла из цилиндрической части тигля увеличивают на (0,2-0,5) об/мин, а при выращивании из сферической части тигля уменьшают на (0,15-0,45) об/мин на каждый сантиметр длины кристалла [1]

Определение места изменения величины и знака осуществляют по методу предварительного расчета длины кристалла, выращенной из различных частей тигля. Для индикации точек изменения величины возможно использование и других методов, например специальных меток на поверхности тигля при ручном управлении процессом и т.д. Выбор указанных выше диапазонов изменения W_т обусловлен достижением максимально положительного эффекта: при больших и меньших величинах не обеспечивается требуемая степень однородности распределения Nо. Кроме того, при увеличении W_т более чем на 0,5 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла из-за высоких W_кр, необходимых для реализации условия W_кр>W_т, возможно появление раскачки кристалла, искажение его формы, что приводит к нарушению бездислокационного роста.

Пример.

Монокристалл кремния диаметром 155 мм марки КДБ 7,5, [100] был выращен на установке "Редмет-30" в протоке аргона из тигля диаметром 330 мм с графитовым элементом под тигель в виде "сетки" при загрузке в тигель 25 кг. Расход газа составил 1500 л/час при остаточном давлении 9,0 мм рт.ст. Скорость выращивания изменяли от 0,7 до 0,4 мм/мин по программе. Кристалл и тигель вращали в противоположные стороны. Частота вращения кристалла 20 об/мин оставалась постоянной в течение всего процесса выращивания. Начальная частота вращения тигля выбиралась равной 5 об/мин и далее изменялась по программе, которая реализовывалась микропроцессорным комплексом КМ3111 (на базе КТС ЛИУС-2) с учетом рассчитанных ранее длин кристалла, выращиваемых из различных частей тигля. При выращивании из цилиндрической части тигля (длина кристалла от 0 до 300 мм) W_т увеличивали на 0,35 об/мин на каждый сантиметр длины, при выращивании из сферической части тигля (длина кристалла от 300 до 450 мм) W_т и уменьшали на 0,3 об/мин на каждый сантиметр длины кристалла. Далее на той же установке выращивали кристаллы того же диаметра и марки в соответствии с предлагаемым способом при граничных значениях , с параметрами за пределами предложенных диапазонов и в соответствии с прототипом. При этом во всех описанных случаях обеспечивали условие W_кр>W_т в течение всего процесса выращивания. Прочие условия процесса совпадали с описанным выше.

Измерение No проводили в центральной области трех сечений (верх, середина, низ) кристалла методом ИК-поглощения на длине волны 9,1 мкм (К 2,45 х 10¹⁷ cм^-2). Результаты изменения Nо, а также данные по длине бездислокационной части кристалла приведены в таблице. Кроме этого, в кристалле, выращенном в соответствии с режимом 2 таблицы, было проведено более подробное исследование No (через каждые 3 см). Результаты измерения No по длине кристалла, а также программа изменения W_т при вытягивании такого кристалла из расплава, находящегося в различных частях тигля, приведены на чертеже.

Как видно из таблицы и чертежа, кристаллы, выращенные в соответствии с предлагаемым способом (режимы 1 3), характеризуются высокой однородностью распределения кислорода по длине (No6,0%). Цилиндрическая часть всех кристаллов имеет хорошую форму, длина бездислокационной части находится в пределах 420 450 мм. В случае выше верхних границ (режим 4) и ниже нижних границ (режим 5) предлагаемого диапазона степень неоднородности распределения кислорода существенно возрастает и находится в пределах (8,2 - 9,6)% Кристалл, выращенный в соответствии с прототипом (режим 6), обладал низкой однородностью объемного распределения No (10,3%). Кроме того, из-за высоких W_кр cлитки, выращенные в режимах 4 и 6, имели искривленную форму.

Таким образом, в отличие от прототипа, предлагаемый способ обеспечивает высокую объемную однородность распределения кислорода и большую длину бездислокационной части кристалла. Это позволяет существенно повысить выход в годное при выращивании монокристаллов с нормированным на заданном уровне содержанием кислорода, который используется в производстве интегральных схем с высоким уровнем интеграции.