一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒与流程

1.本发明涉及单晶硅技术领域，具体为一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒。


背景技术：

2.目前现有专利(公告号：cn202110287392.4)，此专利采用本发明实施例中的生长方法能够更精确地测试余料中掺杂剂的浓度，达到精确控制下一晶体生长前生长容器中掺杂剂的浓度，使晶体的电阻率能够更精确地进行控制，一定程度上防止晶体电阻率偏离目标值，提升产品合格率，但是控制单晶硅棒生长过程中氧气含量的控制，如果不对硅片中的氧沉淀进行控制，将会对集成电路造成危害，氧浓度太低缺乏内吸杂作用，氧浓度抬高，使得晶片在高温制程中产生挠曲。
3.因此，我们提供一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒，达到对氧沉淀的控制，避免氧浓度太低难以形成无缺陷洁净区，避免氧浓度太高导致晶片高温产生挠曲，有利于制备性能优良的单晶硅材料。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法，解决了背景技术中所提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法；
6.s1：将多晶硅原料放置于加热设备中；
7.s2：将加热设备抽空并冲入气体并保持其内部压力，再启动加热设备，加热至1400-1500℃，使得多晶硅原料熔化；
8.s3：稳定液面，使得液面温度梯度促成表面张力差异的热毛细管现象的对流；
9.s4：引晶，通过引出直径为3-5mm的细颈，多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶缓慢下降进入贵熔融体内，按照一定转速转动籽晶并按照一定速度向上提升；
10.s5：引晶过程中需要对加热设备内氧气含量监测，同时需要引晶的转速、提拉速度和加热设备内液位的温度高度进行监测。
11.s6：在s5中将氧气含量检测设置与靠近加热设备内液面上方，当加热设备内的氧沉淀超出阈值范围，通过将内循环模块，将惰性气体在液面上方排出，同时将加热设备内壁顶部抽气启动，降低氧沉淀数值；
12.s5：放肩，当细颈生长完成后，通过逐渐降低晶体的提升速度和温度调整，使得晶体的直径逐渐变大进而达到工艺要求的直径目标数据，通过放肩工艺降低晶棒头部的原料损失；
13.s6：等径，完成放肩后，当晶体直径达到工艺要求的直径数值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度和温度的调整，使得晶体生长进入等径生长阶段，并保持固体直径控制在
公差值的误差值内；
14.s7：收尾，当晶体生长长度达到预定要求数值时，逐渐缩小晶体的直径，直至缩小成为一个点离开硅熔融体液面，完成收尾。
15.作为本发明的一种优选实施方式，所述硅熔融体的液面高度实时完成监测。
16.作为本发明的一种优选实施方式，所述放肩工艺即肩部夹角呈180
°
拉晶的速度根据硅熔融体液面的下降进行调节。
17.一种单晶硅棒，其特征在于，其通过权利要求所述的生长方法制备而得。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
19.本发明将坩埚溶解时产生的氧气进行见光，当间隙氧气的浓度超过阈值温度下氧在硅中的溶解度时，通过启动内循环模块，将惰性气体再次加入，并将坩埚内高含量氧气惰性气体抽出，进而达到对氧沉淀的控制，避免氧浓度太低难以形成无缺陷洁净区，避免氧浓度太高导致晶片高温产生挠曲。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为本发明一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法的单晶硅棒结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
23.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒，
24.s1：将多晶硅原料放置于加热设备中；
25.加热设备的选择过程中，需要保证热场必须使得加热设备内温度分布达到最佳化，因此在加热设备的选择上，可分为石英坩埚和长晶炉，硅单晶生长所用的盛装原料的坩埚由玻璃材质二氧化硅制成，高纯度的二氧化硅由四氯化硅与水气反应生成，其中加热系统中需要与水冷双层炉壁间设置石墨制的低密度保温材料。
26.s2：将加热设备抽空并冲入气体并保持其内部压力，再启动加热设备，加热至1400-1500℃，使得多晶硅原料熔化；
27.为了控制单晶棒的杂质成分免于各种污染源的污染，使得晶棒拉伸腔室或者加热区域，都需要真空或者惰性气体环境，由于硅熔融体与坩埚反应生产二氧化硅的气体，导致压力增加，使得真空状态下硅持续沸腾影响了拉晶动作的稳定性。
28.s3：稳定液面，使得液面温度梯度促成表面张力差异的热毛细管现象的对流；
29.对硅熔融体的液面形成稳定状态，对其液面高度进行检测，同时控制温度进而避免硅熔融体的沸腾，使得液面不过平稳拉晶动作受到影响。
30.s4：引晶，通过引出直径为3-5mm的细颈，多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶缓慢下降进入贵熔融体内，按照一定转速转动籽晶并按照一定速度向上提升；
31.引出直径为3-5mm的细颈，消除结晶位错然后在多晶硅熔融体温度稳定，且液面稳
定后，将籽晶下降进入硅熔融体中，然后转动籽晶保证转动速度的情况下按照一定速率向上提升，轴向以及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使得籽晶与硅熔融体的固液铰接面之间的硅熔融体冷却从而形成固态的单晶硅，其中上升速度可为0.6-0.9mm2/min，晶体的转动速度比坩埚快1-3倍，晶体和坩埚彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
32.s5：引晶过程中需要对加热设备内氧气含量监测，同时需要引晶的转速、提拉速度和加热设备内液位的温度高度进行监测；
33.引晶过程中，对设备内的氧气含量进行监管，由于石英坩埚的溶解，部分氧会进入单晶硅中，而氧主要存在于硅品格的间隙位置，当间隙样的浓度超过当时温度下氧在硅中的溶解度时，间隙氧在单晶硅沉淀下俩，导致常见的氧沉淀缺陷，而在硅片体内形成高密度的氧沉淀，在硅片表面形成一定深度的无缺陷洁净区，该区域用于制造器件，形成内吸杂工艺。
34.s6：在s5中将氧气含量检测设置与靠近加热设备内液面上方，当加热设备内的氧沉淀超出阈值范围，通过将内循环模块，将惰性气体在液面上方排出，同时将加热设备内壁顶部抽气启动，降低氧沉淀数值；
35.通过将氧气含量检测设置与靠近加热设备的液面上方，使得氧气含量检测更为及时和灵敏，当氧气含量过高时，通过内循环将惰性气体冲入底层，将氧气流动至上层，通过将上层内循环将含氧量较高的气体吸出回流内外置内循环设备内。
36.s5：放肩，当细颈生长完成后，通过逐渐降低晶体的提升速度和温度调整，使得晶体的直径逐渐变大进而达到工艺要求的直径目标数据，通过放肩工艺降低晶棒头部的原料损失；
37.当细颈生长到足够长度时，需要逐渐降低晶体的提升速度，同时也需要更具硅熔融体的状态调整温度，使得晶体直径逐渐变大，晶体转速需要缓慢降低。
38.s6：等径，完成放肩后，当晶体直径达到工艺要求的直径数值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度和温度的调整，使得晶体生长进入等径生长阶段，并保持固体直径控制在公差值的误差值内；
39.当晶体直径达到工艺要求的大直径后，在通过逐渐提升晶体的提升速度和当时硅熔融体状态进行屋内的调整，使得晶体生长进入等直径阶段，对于固定直径误差
±
0.3mm
40.s7：收尾，当晶体生长长度达到预定要求数值时，逐渐缩小晶体的直径，直至缩小成为一个点离开硅熔融体液面，完成收尾；
41.晶体生长的收尾主要放置位错的反延，当晶体生产的长度达到预定的工艺要求后，逐步缩小晶体的直径，完成单晶硅棒的收尾。
42.本实施例中，所述硅熔融体的液面高度实时完成监测；
43.对熔熔融体的液面实时检测，通过对液面高度的掌控，有利于及时对上提速度进行调整。
44.本实施例中，所述放肩工艺即肩部夹角呈180
°
；
45.通过平放肩工艺，可以降低晶棒头部的原料损失。
46.本实施例中，拉晶的速度根据硅熔融体液面的下降进行调节；
47.根据液面高度的变化，及时对上提速度进行调整。
48.本实施例中，一种单晶硅棒，通过上述的生长方法制备而得。
49.具体实施例
50.将多晶硅原料放置于加热设备中；加热设备的选择过程中，需要保证热场必须使得加热设备内温度分布达到最佳化，因此在加热设备的选择上，可分为石英坩埚和长晶炉，硅单晶生长所用的盛装原料的坩埚由玻璃材质二氧化硅制成，高纯度的二氧化硅由四氯化硅与水气反应生成，其中加热系统中需要与水冷双层炉壁间设置石墨制的低密度保温材料。
51.将加热设备抽空并冲入气体并保持其内部压力，再启动加热设备，加热至1400-1500℃，使得多晶硅原料熔化；为了控制单晶棒的杂质成分免于各种污染源的污染，使得晶棒拉伸腔室或者加热区域，都需要真空或者惰性气体环境，由于硅熔融体与坩埚反应生产二氧化硅的气体，导致压力增加，使得真空状态下硅持续沸腾影响了拉晶动作的稳定性。
52.稳定液面，使得液面温度梯度促成表面张力差异的热毛细管现象的对流；对硅熔融体的液面形成稳定状态，对其液面高度进行检测，同时控制温度进而避免硅熔融体的沸腾，使得液面不过平稳拉晶动作受到影响。
53.引晶，通过引出直径为3-5mm的细颈，多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶缓慢下降进入贵熔融体内，按照一定转速转动籽晶并按照一定速度向上提升；引出直径为3-5mm的细颈，消除结晶位错然后在多晶硅熔融体温度稳定，且液面稳定后，将籽晶下降进入硅熔融体中，然后转动籽晶保证转动速度的情况下按照一定速率向上提升，轴向以及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使得籽晶与硅熔融体的固液铰接面之间的硅熔融体冷却从而形成固态的单晶硅，其中上升速度可为0.6-0.9mm2/min，晶体的转动速度比坩埚快1-3倍，晶体和坩埚彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一个相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
54.引晶过程中需要对加热设备内氧气含量监测，同时需要引晶的转速、提拉速度和加热设备内液位的温度高度进行监测；引晶过程中，对设备内的氧气含量进行监管，由于石英坩埚的溶解，部分氧会进入单晶硅中，而氧主要存在于硅品格的间隙位置，当间隙样的浓度超过当时温度下氧在硅中的溶解度时，间隙氧在单晶硅沉淀下俩，导致常见的氧沉淀缺陷，而在硅片体内形成高密度的氧沉淀，在硅片表面形成一定深度的无缺陷洁净区，该区域用于制造器件，形成内吸杂工艺。
55.在s5中将氧气含量检测设置与靠近加热设备内液面上方，当加热设备内的氧沉淀超出阈值范围，通过将内循环模块，将惰性气体在液面上方排出，同时将加热设备内壁顶部抽气启动，降低氧沉淀数值；通过将氧气含量检测设置与靠近加热设备的液面上方，使得氧气含量检测更为及时和灵敏，当氧气含量过高时，通过内循环将惰性气体冲入底层，将氧气流动至上层，通过将上层内循环将含氧量较高的气体吸出回流内外置内循环设备内。
56.放肩，当细颈生长完成后，通过逐渐降低晶体的提升速度和温度调整，使得晶体的直径逐渐变大进而达到工艺要求的直径目标数据，通过放肩工艺降低晶棒头部的原料损失；当细颈生长到足够长度时，需要逐渐降低晶体的提升速度，同时也需要更具硅熔融体的状态调整温度，使得晶体直径逐渐变大，晶体转速需要缓慢降低。
57.等径，完成放肩后，当晶体直径达到工艺要求的直径数值时，再通过逐渐提高晶体
的提升速度和温度的调整，使得晶体生长进入等径生长阶段，并保持固体直径控制在公差值的误差值内；当晶体直径达到工艺要求的大直径后，在通过逐渐提升晶体的提升速度和当时硅熔融体状态进行屋内的调整，使得晶体生长进入等直径阶段，对于固定直径误差
±
0.3mm
58.收尾，当晶体生长长度达到预定要求数值时，逐渐缩小晶体的直径，直至缩小成为一个点离开硅熔融体液面，完成收尾；晶体生长的收尾主要放置位错的反延，当晶体生产的长度达到预定的工艺要求后，逐步缩小晶体的直径，完成单晶硅棒的收尾。
59.在一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒使用的时候，需要说明的是，本发明为一种超大尺寸半导体单晶硅棒生长方法及单晶硅棒，各个部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
60.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
61.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。