способ выращивания монокристаллов кремния

Формула изобретения

Способ выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского с вращением тигля 0,2-2,0 об/мин и с вращением кристалла ему навстречу со скоростью 0,2-20 об/мин и со стрелой прогиба фронта кристаллизации в сторону затравки не более 0,2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов для электронной техники, в частности кремния, получаемого для этих целей методом Чохральского.

Современные исследования в области кристаллографии показывают, что отсутствие в бездислокационных монокристаллах таких эффективных стоков для различных точечных дефектов, какими являются дислокации, приводит в монокристаллах кремния к возникновению специфических дефектов структуры. Из-за своего размера они получили наименование микродефектов. Нарушая структуру монокристалла, они создают в кристаллической решетке упругие напряжения и влияют на электропроводность кремния. Некоторые виды микродефектов вызывают коррозию металлических слоев, входящих в приборные структуры, что вызывает деградацию их рабочих характеристик. Поэтому проблема снижения числа микродефектов в кристаллах, идущих на нужды микроэлектроники, является весьма актуальной.

Известен способ получения монокристаллов кремния методом Чохральского с использованием тепловых экранов и регулированием скоростей вращения растущего кристалла и тигля с расплавом (см. описание к заявке Японии P N 4059691, С 30 В 15/20, 1992 /1/).

Известный способ направлен на управление концентрацией кислорода в растущем кристалле. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает снижения количества микродефектов в выращенных кристаллах.

Известен способ получения монокристаллов кремния методом Чохральского, включающий регулирование скорости вращения кварцевого тигля в пределах 0,5 - 50 об/мин (см. описание к заявке Японии PN 03137090, С 30 В 15/20, 1991 /2/). Известный способ направлен на обеспечение равномерного распределения кислорода как по длине растущего кристалла, так и по его поперечному сечению. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает снижения количества микродефектов в кристаллах.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является известный способ выращивания монокристаллов кремния методом Чохральского с вращением кристалла 0,2 - 1,05 об/мин и вращением тигля с расплавом 0,1 - 0,6 об/мин (см. описание к заявке Японии P N 05155682, С 30 В 15/00, 1993 /3/). Известный способ обеспечивает снижение концентрации кислорода в выращенных кристаллах до 2-610¹⁷ атом/см³ при использовании тиглей размером около 16 дюймов.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает снижения количества микродефектов в выращенных кристаллах.

Заявляемый в качестве изобретения способ выращивания монокристаллов кремния направлен на обеспечение снижения количества микродефектов в выращенных кристаллах.

Указанный результат достигается тем, что способ выращивания монокристаллов кремния осуществляют методом Чохральского с вращением тигля 0,2 - 2,0 об/мин и с вращением кристалла ему навстречу со скоростью 0,2 - 20 об/мин и со стрелой прогиба фронта кристаллизации в сторону затравки не более 0,2.

Экспериментально было установлено, что если осуществлять рост монокристаллов кремния методом Чохральского при указанных выше параметрах, то количество микродефектов в выращенных кристаллах снижалось на несколько порядков. При этом указанный результат достигается только при скоростях вращения тигля (расплава) 0,2-2,0 об/мин и вращении кристалла ему навстречу со скоростью 0,2-20 об/мин. Идеальным случаем реализации способа является вариант с прогибом фронта кристаллизации, равным нулю, т.е. абсолютно плоский фронт. Однако идеальный случай труднодостижим, поэтому исследовались возможные отклонения формы фронта кристаллизации от плоской в обе стороны. В результате было установлено, что при указанном диапазоне скоростей вращения кристалла и расплава заметное снижение числа микродефектов достигается при стреле прогиба фронта кристаллизации в сторону затравки не более 0,2. (Под стрелой прогиба фронта кристаллизации понимается отношение h/d, где h - расстояние от мнимого идеально плоского фронта кристаллизации до верхней точки реального, вогнутого внутрь кристалла (см. чертеж), a d - диаметр растущего кристалла). Если же приведенное выше значение прогиба фронта кристаллизации достигается при иных скоростях вращения, чем оговоренные (0,2-2,0 об/мин и 0,2-20 об/мин), то заметного снижения числа микродефектов не наблюдается.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором схематично представлен продольный разрез растущего кристалла.

На чертеже обозначены: 1 - растущий кристалл; 2 - тигель; 3 - расплав; d - диаметр кристалла; h - расстояние от идеального плоского фронта кристаллизации до верхней точки вогнутого внутрь кристалла.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. Подготавливается необходимое оборудование для выращивания монокристаллов методом Чохральского, которое выбирается из числа известного (см.Технология полупроводникового кремния. Ред. Э.С. Фалькевич. М.: Металлургия, 1992, с.254-299 /4/). В кварцевый тигель загружают исходный материал (шихту), который выбирают исходя из того, какой марки кристалл кремния требуется вырастить.

Далее процесс идет по стандартной процедуре, предусмотренной методом Чохральского: шихту расплавляют, расплав некоторое время выдерживают при температуре на 20-30^o выше температуры плавления, ориентированную по оси <100> или <111> затравку вводят в соприкосновение с расплавом, выдерживают некоторое время при включенном вращении затравки и тигля, а затем начинают вытягивание из расплава.

Для достижения заявленного результата выбирают скорости вращения затравки (растущего кристалла) и тигля (расплава) в оговоренных пределах. Для обеспечения стрелы прогиба фронта кристаллизации в заданных пределах предварительно экспериментально подбирают соответствующие технологические параметры: температура в области фронта кристаллизации, осевой и радиальный градиенты температур, скорость вытягивания. Для проверки правильности подборки параметров проводят пробный рост кристалла до вывода его на заданный диаметр, формируют некоторый участок цилиндрической формы (длиной 30-50 мм), а затем резко отрывают кристалл от расплава и после охлаждения исследуют по нему форму фронта кристаллизации и величину стрелы прогиба. Если установленная величина стрелы прогиба не соответствует заданному значению, то изменяют технологические параметры и пробное выращивание повторяют до тех пор, пока не будут подобраны такие параметры, которые обеспечат величину стрелы прогиба не более 0,2.

После этого приступают к выращиванию монокристаллов для промышленного использования.

Пример 2. Способ реализовывался как описано в примере 1, после подбора технологических параметров, обеспечивающих величину стрелы прогиба фронта кристаллизации h/d = 0,1. Выращивались кристаллы марки КЭФ-4,5 диаметром 150 мм. Скорости вращения тигля и затравки изменялись от опыта к опыту. Полученные кристаллы исследовались на наличие в них микродефектов. Для этого применялись известные методы, такие как рентгенотопографический метод Ланга или метод селективного травления (см. /4/, с.119-121). Результаты для удобства приведены в таблице 1.

Пример 3. Способ реализовывался как описано в примере 2, но со стрелой прогиба h/d = 0,25. Результаты представлены в таблице 2.

Пример 4. Способ реализовывался как описано в примере 1 для получения монокристаллов марки КДБ-10 диаметром 150 мм. В результате подбора технологических параметров стрела прогиба составляла h/d = 0,05. Тигель и затравку вращали, изменяя скорость вращения от опыта к опыту. Результаты представлены в таблице 3.

Таким образом, выращивание монокристаллов кремния методом Чохральского при соблюдении условий, оговоренных в формуле изобретения, позволяет существенно сократить количество микродефектов в полученных бездислокационных кристаллах.