CN1206755A

CN1206755A - 通过控制拉速分布制造单晶硅锭和晶片的方法及其产品

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Publication number: CN1206755A
Application number: CN98100416A
Authority: CN
Inventors: 朴在槿; 曹圭徹; 李坤燮
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: CN100482868C; US6409833B2; DE19806045B4; JP2007238440A; US6251184B1; US6472040B1; JP3992816B2; US6146459A; US20010008117A1; DE19806045A1; JPH111393A; CN1548590A; SG64470A1

Abstract

一种硅锭按一拉晶速率分布下进行,其拉速要足够高以限制间隙凝聚,且还要足够低以便将空位凝聚限定在晶锭轴向上的富含空位区上。将晶锭切割成许多半纯晶片,每个晶片在中央具有富含空位区,包括空位凝聚,和在富含空位区与晶片边缘之间的纯度区,无空位凝聚和间隙凝聚。按照本发明的另一方面,晶锭可按一拉晶速率分布拉制硅锭,其拉速要足够高以便防止间隙凝聚,且还要足够低以便防止空位凝聚。因此,当将该晶锭切割成晶片时,晶片为纯硅晶片,可包含点缺陷,但无空位凝聚团的间隙凝聚团。

Description

通过控制拉速分布制造单晶硅锭和晶片的方法及其产品

本申请要求保护1997年10月24日提交的名称为“制成半导体晶锭的方法以及由其制成的晶锭和晶片”的美国在先申请的申请号为的保护范围，以及1997年10月24日申请的韩国申请号为97-54899的保护范围，其二者的整个内容引入本文作为参考。

本发明涉及微电子制造方法及其器件，特别是涉及硅锭的制造方法以及由其制造的硅锭和晶片。

集成电路已经广泛地应用于消费品和商业应用中。集成电路通常是由单晶硅制造的。随着集成电路的集成密度持续增加，为集成电路提供高质量单晶半导体材料变得越来越重要。集成电路典型地是通过制造大的单晶硅锭，将该锭切割成晶片，对该晶片进行数道微电子制造工艺，然后将晶片切割成单个的集成电路加以封装而制成。由于硅锭的纯度和结晶度会对如此制造的最终集成电路的性能具有大的冲击，因此，人们不断地作出努力，以便制造出具有少量缺陷的晶锭和晶片。

现在将描述制造单晶硅锭的常用方法。在由Wolf和Tauber于1986年撰写的课本“用于VLSI Era的硅加工工艺，第一卷，处理技术”的第一章中，1-35页，提供了这些方法的综述，其公开的内容引入本作参考。在制造单晶硅中，可将电子级多晶变为单晶硅锭。可将多晶硅如石英砂精练成电子级多晶硅。然后，精练的电子级多晶硅可使用切克劳斯基法(CZ)或悬浮区熔(FZ)技术而生长为单晶锭。由于本发明涉及的是使用CZ技术制造硅锭的方法，所以现在将描述该技术。

CZ生长包括在界面上从液相原子的结晶固化。特别是，将坩埚装满电子级多晶硅并将其熔融。然后将精确取向容限的硅籽晶下降到熔融的硅中。然后以受控速率沿轴向上拉籽晶。通常在拉晶工艺过程中，使籽晶和坩埚以相反方向转动。

初始拉晶速率通常相对较快，使得会制成细颈硅。然后，降低熔融温度并稳定，使得可制成所需直径的晶锭。该直径通常通过控制拉晶速率来保持。拉晶持续进行直到硅量接近耗尽，并且进入收尾的时候。

图1是CZ拉晶炉的示意图。如图1所示，CZ拉晶炉100包括炉子，拉晶机构，环境控制器和利用计算机的控制系统。CZ炉通常称作热区炉。热区炉包括加热元件102和104，内坩埚106，可由石英制成，外坩埚108，可由石墨制成，和转轴110，以所示第一方向112转动。隔热屏114可提供辅助热分布。

拉晶机构包括拉晶轴120，以与所示方向112相反的方向122转动。拉晶轴120夹持籽晶124，从坩埚106中熔融的多晶硅料126拉出，以制成晶锭128。

环境控制系统可包括室封闭体130，冷却口132和其它流体控制器，以及未示出的真空排气系统。利用计算机的控制系统可用来控制加热元件，拉晶炉和其它电气及机械元部件。

为了生长单晶硅锭，可使籽晶124接触到熔融的硅料126，并逐渐地沿轴向上拉。在晶锭128与熔融的硅126之间的界面上会出现熔融的硅料126变冷并固化成单晶硅。

实际硅锭不同于完整单晶锭，因为它们包括不完善或缺陷。这些缺陷在制造集成电路器件中是有害的。这些缺陷通常可分为点缺陷或块缺陷(三维缺陷)。点缺陷通常为两种类型：空位点缺陷和间隙点缺陷。在空位点缺陷中，会从硅晶格中的正常位置上失去一个硅原子。该空位会产生空位点缺陷。另一方面，如果在硅晶体中的非晶格位置(间隙位置)上发现原子的话，就会产生间隙点缺陷。

点缺陷通常是在熔融的硅126与固化的硅128之间的界面130上形成的。然而，当晶锭128持续地进行拉制时，在界面上的部分开始冷却。在冷却过程中，空位点缺陷和间隙点缺陷的扩散会引起缺陷凝聚，并且形成空位凝聚和间隙凝聚。凝聚团是三维(大)结构，是由于点缺陷的凝聚而产生的。间隙凝聚团也称为位移缺陷或D缺陷。凝聚团有时还可通过使用检测这些缺陷的技术来命名。因此，空位凝聚团有时可称为晶体源发颗粒(COD)，激光扫描层析(LST)缺陷或流体图形缺陷(FPD)。间隙凝聚团也可称为大块位错(L／D)凝聚团。在由Wolf和Tauber所撰写的上述课本的第二章中提供了单晶硅中缺陷的讨论，所公开的内容引入本文作参考。

众所周知，为了生长具有少量缺陷的高纯度的晶锭，需要对许多参数加以控制。例如，公知的要控制籽晶的拉速和在热区结构中的温度梯度。Voronkov理论发现，V与G的比(称作V／G)可确定在晶锭中的点缺陷，其中V是晶锭的拉速，G是熔融晶锭界面的温度梯度。在1982年出版的，晶体生长杂志，第59卷，625-643页，由Voronkov撰写的“硅中旋涡点缺陷形成的机理”中详细地描述了Voronkov理论。

在1996年11月25-29日，在硅材料现代科技的第二届国际研讨会上，由本发明人等所公开的名称为“晶体缺陷对器件性能的影响”中，可以发现Voronkov理论的应用。在其图15中，在本文是图2，示出了作为V／G函数的空位和间隙浓度的曲线图。Voronkov理论表明，在晶片中产生的空位／间隙混合物可通过V／G来确定。特别是，在V／G比低于临界比时，会形成富含间隙的晶锭，而当V／G比高于临界比时，会形成富含空位的晶锭。

虽然由物理学家、材料学家以及其它人进行了许多理论研究，并且还通过CZ拉晶炉制造商进行了许多实际研究，但是仍然需要降低单晶硅片中缺陷的密度。最终的需求就是纯硅晶片，无空位和间隙凝聚团。

本发明提供了在热区炉中制造硅锭的方法，通过从热区炉中的沿轴向上拉熔融的硅而制成晶锭，从热区炉中的熔融的硅拉制成晶锭是按一定的拉晶速率分布下进行的，其速率要足够高，以防止间隙凝聚团，而且还要足够低，以便将空位凝聚团限止在晶锭轴上的富含空位区处。将如此拉制的晶锭切成许多半纯的晶片，每个晶片在其中央上具有富含空位区，在富含空位区与晶片边缘之间包含空位凝聚团和纯度区，其中晶片边缘无空位凝聚团和间隙凝聚团。

本发明是通过实践而产生的，即凝聚团只有在点缺陷浓度超过一定临界浓度的情况下才会由点缺陷形成。如果点缺陷浓度(空位或间隙)可以保持在该临界浓度以下的话，在晶锭拉制时将不会形成凝聚团。为了将点缺陷浓度保持在临界点缺陷浓度以下，在锭熔界面上拉速与温度梯度之比(V／G)可被限制(1)在锭熔界面上的拉晶速率与温度梯度的第一临界比以上，其必须加以保持以防止间隙凝聚，和(2)在锭熔界面上的拉晶速率与温度梯度的第二临界比以下，其不能被超过以便将空位凝聚限制在晶锭中央上的富含空位区上。因此，要调整拉晶速率分布，以便在由热区炉中的熔融硅来拉制晶锭时，将拉晶速率与温度梯度之比保持在第一临界比以上和第二临界比以下。

按照本发明的另一方面，晶锭可按从热区炉中的熔融硅拉晶锭的拉晶速率分布由热区炉中的熔融硅来拉制，其速率要足够高，以防止间隙的凝聚，而且还要足够低，以防止空位的凝聚。因此，当将该锭切割成晶片时，晶片为纯硅晶片，其可包括点缺陷，而无空位凝聚和间隙凝聚。

按照本发明的该方面，可以确定，如果V／G比被限定在较窄的范围内的话，可将点间隙浓度和点空位浓度保持在会形成凝聚团的临界点缺陷浓度以下，由此，整个晶锭无凝聚团。

为了形成纯硅，可确定在晶锭熔融界面上的拉晶速率与温度梯度的第一临界比，其必须加以保持以防止间隙凝聚，确定在晶锭熔融界面上的拉晶速率与温度梯度的第二临界比，其不能被超过以防止空位凝聚。然后，确定拉晶速率分布，其在由热区炉中的熔融硅来拉制晶锭时保持拉晶速率与温度梯度之比在第一临界比以上和第二临界比以下。

为了保持在晶锭熔融界面上的拉晶速率与温度梯度之比在两临界比之间，要考虑径向温度梯度和轴向温度梯度。在径向上，由于晶片中央部分与边缘部分相比会经受不同的热环境，所以横跨晶片的温度梯度通常将会变化。特别是，由于热性能，通常在晶片边缘上的温度梯度要比晶片中央的高。而横跨晶片的拉速总是恒定的。因此，V／G比通常在径向上会由晶片中央向晶片边缘下降。拉制速率和热区炉可设计成，保持V／G比，在由晶片中央到晶片边缘扩散长度内，在会引起凝聚团的临界点缺陷浓度以下，即在第一和第二临界比之间。类似考虑可适用于轴向上。在轴向上，由于晶锭的热量增加，温度梯度通常随晶锭的拉制而降低。因此，当拉制晶锭时，拉速通常必须降低，以保持V／G比在第一和第二临界比之间。

因此，通过控制拉晶速率分布以保持V／G在两临界比之间，可制成半纯晶片，其在中央上具有富含空位区，并且在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区。富含空位区可包含空位点缺陷以及凝聚团缺陷，而纯度区既不包含空位也不包含间隙凝聚团。而最好是，制成纯晶片，其可包含点缺陷，而无空位凝聚团和间隙凝聚团。

第一和第二临界比可根据经验或使用模拟来确定。该比可通过将基准晶锭切割成晶片或通过轴向切割基准晶锭来由经验确定。还可以使用经验和模拟的结合。

特别是，第一临界比和第二临界比可通过在拉晶速率范围内变化的拉速下由热区炉中熔融的硅拉制基准硅锭而由经验确定。对于半纯度硅晶片，可鉴别出具有预定大小富含空位区并且无间隙凝聚团的晶片。最好是，鉴别出具有最小富含空位区并且无间隙凝聚团的晶片。通过被鉴别晶片的拉晶速率和被鉴别晶片在锭中的位置可计算出半纯度硅的第一和第二临界比。

为了确定纯硅晶片的第一和第二临界比，可拉制一基准晶锭，切割成晶片，并鉴别晶片，无空位凝聚团和间隙凝聚团。通过被鉴别晶片的拉制速率和经鉴别晶片在锭中位置，可确定纯硅的第一和第二临界比。

基准晶锭最好是按一拉速由在热区炉中熔融的硅来拉制，其拉速在由第一拉制速率到低于第一拉速的第二拉制速率，到高于第二拉制速率并低于或高于第一拉制速率的第三拉制速率范围内变化。第一、第二和第三拉速最好是以所需晶锭直径和所需V／G比为基础。最好使用拉速的线性变化，使得可以确定第一和第二临界比。

根据另一经验方法，基准锭可按在整个拉制速率范围内变化的拉制速率由热区炉中熔融的硅来拉制。然后，轴向切割基准锭。对于半纯晶片，可鉴别在轴向切割基准锭中至少一个轴向位置，具有最小的富含空位区并无间隙凝聚团。然后，通过对应于在轴向切割锭中被鉴别的轴向位置的拉制速率，可计算半纯度硅的第一和第二临界比。

为了制成完整(无缺陷)的硅，可在轴向切割的基准锭中鉴别出至少一个轴向位置，其没有间隙或空位凝聚团。然后，通过被鉴别至少一个轴向位置的拉制速率和在轴向切割锭中被鉴别轴向位置的地位，可计算纯硅的第一和第二临界比。

还可以使用模拟而由理论确定第一和第二临界比。特别是，可通过Voronkov理论确认第一和第二临界比。可通过在晶锭拉制过程中模拟特定热区炉的操作来确定拉制速率和径向温度梯度分布。可通过在晶锭拉制过程中模拟热区炉的操作来确定拉制速率与轴向温度分布。然后，可通过模拟的拉制速率与径向温度分布和模拟的拉制速率与轴向温度分布，来确定拉晶速率分布，可将拉制速率与晶锭中温度梯度保持在第一临界比以上和第二临界比以下。

还可以理解，以两个步骤可鉴别纯硅的第一和第二临界比。首先，根据经验和／或理论可确定半纯硅的第一和第二临界比。然后，可改进热区结构，直到可根据经验和／或理论来确定第一和第二临界比。

本发明可提供许多类似的半纯单晶硅片，可由一个硅锭而制成。每个半纯硅晶片在中央上具有富含空位区，包括空位凝聚团和在富含空位区与晶片边缘之间的纯度区，无空位凝聚团和间隙凝聚团。每个晶片的富含空位区实质上具有相同的直径。最好是，纯度区具有晶片面积的至少36％。更好是，纯度区具有晶片面积的至少60％。

如果更紧密地控制V／G的比的话，本发明还可以生产出许多纯单晶硅片，其是由一个硅锭而制成的，每个纯硅晶片无空位凝聚团和间隙凝聚团。因此，通过保持在上下边界之间熔锭界面上拉制速率与温度梯度的比，可将凝聚缺陷限定在晶片中央上的富含空位区或消除，以制成纯硅晶片。

附图的简要描述。

图1是用以生长单晶硅锭的Czochralski拉晶炉的示意图；

图2用曲线表示出Vronokov理论；

图3A-3E表示晶片的制造概况，其中晶片在其中央上具有富含空位区，并且在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区；

图4A-4E表示晶片的制造概况，其中晶片无凝聚团；

图5表示按照本发明通过模拟根据理论确定出拉晶速率分布；

图6表示按照本发明使用轴向切割根据经验确定出拉晶速率分布；

图7表示按照本发明通过晶片鉴别根据经验确定拉晶速率分布；

图8表示按照本发明将模拟、轴向切割和晶片鉴别加以组合来制造晶锭；

图9是按照本发明加以改进以制成完整硅的Czochralski拉晶炉示意图；

图10表示按照本发明为了确定最佳拉晶速率分布的拉制速率变化；

图11是X射线外形图象示意图，表示按照本发明第一基准晶锭的富含空位、富含间隙和完整区；

图12是X射线外形图象示意图，表示按照本发明第二基准晶锭的富含空位、富含间隙和完整区；和

图13和14用曲线表示按照本发明用以分别生长富含空位的晶片和完整晶片的拉晶速率分布。

优选实施例的详细描述。

现将参照附图更加详细地描述本发明，在附图中示出了本发明优选实施例。然而本发明可以采用许多不同形式加以实施，并且其构成只是实施例形式，不能作为对本发明的限制；相反，提供的这些实施例将是详细的和完整的，并且完全可以向本领域的普通技术人员表达出本发明的范围。相同的标号表示相同的元件。

概述：富含空位和完整的晶片

现参见图3A-3E，现将描述制造半纯晶片的概况，其中晶片具有(1)在其中央上具有富含空位区，可包含空位凝聚团，和(2)在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区，无空位凝聚团和间隙凝聚团。如图3A所示，按Voronkov理论的观点，可以开始这些富含空位晶片的制造。在图3A中用曲线示出了Voronkov理论。如图所示，由边缘(E)开始并且在中央(C)结束的线，已经发现与本发明一致，如果将在锭熔融表面上的拉制速率与温度梯度的比，称为V／G，在距边缘E为扩散长度处(用点a表示)保持大于(V／G)₁，并且在中央C处保持小于(V／G)₂，那么就可以制造出半纯晶片，其具有在中央上的富含空位区，和在富含空位区与晶片边缘之间的纯度区。特别是，V／G将在横跨晶锭中晶片的径向上改变，并且由于在中央上和在晶片边缘上不同的热性能，其通常会由晶片中央向晶片边缘减低。由此，所得晶片由中央(C)到其边缘(E)，具有如图3所示的径向V／G范围。

在硅锭和晶片制造中的临界关系就是在晶片中会形成凝聚团，或是空位或是间隙。众所周知，由于在由熔体初始制造晶锭的过程中形成点缺陷的凝聚，从而形成凝聚团。点缺陷的浓度通常是通过硅锭与硅熔体之间界面上的条件而确定的。然后，当进一步提拉晶锭时，扩散和冷却决定了点缺陷的凝聚，其形成了凝聚团。

如图3B所示，可以发现，按照本发明，存在临界空位点缺陷浓度[V]^*和临界间隙点缺陷浓度[I]^*，在低于其临界值时，点缺陷将不会凝聚成凝聚团。按照本发明还发现，如果点缺陷的浓度在晶片周缘上保持低于这些临界浓度的话，在晶片的中央上会形成富含空位区，而在富含空位区与晶片边缘之间会形成纯度区。

由此，如图3B所示，除了中央C附近以外，横跨晶片空位浓度可保持在临界空位浓度[V]^*以下。由此，如图3C所示，在其中央上会形成富含空位区[V]，而在富含空位区以外到晶片边缘的区域上则无空位凝聚团，因此可用[P](纯或完整)表示。

再参见图3B，对于间隙来说，由晶片中央C开始，间隙浓度可保持在临界间隙浓度[I]^*以下，直到距对应于点a的晶片边缘E的扩散长度为L₁处。在晶片的扩散长度L₁与边缘E之间，即使在晶锭熔融界面上间隙浓度最初在临界浓度[I]^*以上，扩散将允许间隙的空位在晶体生长过程中扩散出晶锭并且不形成凝聚团。扩散长度L₁对于8英寸晶片来说通常在约2．5和3cm之间。因此，如图3C所示，会形成在中央上具有富含空位区[V]并且在富含空位区与边缘之间具有完整区[P]的半纯晶片。最好是，纯度区[P]占晶片区域的至少36％，更好是占晶片区域的至少60％。

为了形成图3C所示晶片，V／G在点a上必须保持大于(V／G)₁，并且在中央C上低于或等于(V／G)₂。为了将V／G之比保持在这两个临界值之间，可考虑两个热因素。第一，由晶片的中央C到晶片扩散长度a所经受的径向温度梯度G必须保持在这些数值以内。由此，为了将空位凝聚团限定在富含空位区上，在中央上的V／G应接近(V／G)₂。另外，为了防止间隙凝聚团，距边缘的扩散长度L₁上的V／G必须保持大于(V／G)₁。因此，最好是应将炉的热区保持在由晶片中央到晶片的扩散长度G内变化，使得V／G保持在(V／G)₂和(V／G)₁之间。

第二考虑的是，因为晶片是以籽晶开始到收尾结束的熔体拉制的G将轴向改变。特别是，随着晶锭的热量增加，熔融的热量会降低，并且其它的热因素将会随着由熔体拉制锭而使G降低。由此，为了将V／G保持在第一和第二临界比之间，可随着由热区炉中的硅熔体来拉制晶锭来调节拉晶速率分布。

通过随着拉制晶锭而控制V／G，可将空位凝聚团限制在靠近晶锭的轴A附近的富含空位区[V]上，如图3D所示。不会形成间隙凝聚团，使得富含空位区[V]以外的晶锭区域可标为纯度区或完整区[P]。再如图3D所示，这会产生许多半纯晶片，具有在中央的富含空位区[V]包括空位凝聚团，和在富含空位区与晶片边缘之间的纯度区，无空位凝聚团和间隙凝聚团。富含空位区[V]的直径对于每个晶片均相等。通过ID数可进行对由单个晶锭制成的许多晶片的鉴别，在图3D中用标记ID表示，其通常用字母数字码标于每个晶片上。这十八个标记组可鉴别所有来自单个晶锭的晶片。

图3E表示在由熔料拉制晶锭时用以将V／G保持在两个临界比之间的拉晶速率分布。由于G通常会随着由熔料拉制晶锭而降低，所以通常也可降低拉制速率V，以便将V／G保持在两个临界比之间。为了允许进行所期望的工艺变化，最好是将V／G保持在第一和第二临界比之间的中间。由此，最好保持防护带，以便进行工艺改变。

概述：纯硅晶片

图4A-4E对应于图3A-3E，表示拉晶速率分布的控制，以便形成纯硅锭和晶片。如图4A所示，如果将V／G保持在晶片中央C与距晶片边缘E的扩散长度a之间的较小容限范围内的话，可防止整个晶片上空位凝聚团以及间隙凝聚团的形成。由此，如图4B所示，在晶片的中央上(晶锭的轴A上)，可将V／G的比保持在临界比(V／G)₂以下，则会形成空位凝聚团。同样地，可将V／G保持在临界比(V／G)₁以上，则会形成间隙凝聚团。因此，会形成图4C的纯硅[P]，其无间隙凝聚团和空位凝聚团。在图4D中示出了纯晶锭，还有一组纯晶片。在图4E中示出了用于纯硅的拉晶速率分布。

拉晶速率分布的确定

按照本发明，为了形成具有在中央的富含空位区并具有在富含空位区与晶片边缘之间的纯度区的半纯晶片，可确定拉晶速率分布(图3E)，可将晶锭的拉制速率与温度梯度的比随着由热区炉中的熔融硅拉制晶锭而保持在第一临界比以上和第二临界比以下。同样地，为了形成纯硅，可包含点缺陷而无空位凝聚团和间隙凝聚团，可确定拉晶速率分布(图4E)，可随着由热区炉中的熔融硅拉制晶锭，而将拉制速率与温度梯度的比保持在第一临界比以上和第二临界比以下。现将描述拉晶速率分布的确定。

在理论上通过模拟，在经验上通过轴向切割基准晶锭，在经验上通过将基准晶锭切割成晶片，或通过这些技术的组合，可以确定拉晶速率分布。另外，纯硅的拉晶速率分布可通过先确定半纯硅的拉晶速率分布来确定，然后改进热区结构，以便获得纯硅的拉晶速率分布。现将描述这些技术。

通过模拟获得拉晶速率分布

参见图5，现将描述通过模拟而在理论上确定拉晶速率分布。如图5所示，可使用市售模拟软件在框502模拟V／G(称为△(V／G))的径向变化。然后，在框504，确定由中央到距边缘的扩散长度L₁的V／G变化是否足够小以满足形成半纯晶片或纯晶片的条件。特别是，对于具有富含空位区的硅来说，如图3C所示，△(V／G)必须在(V／G)₁与(V／G)₂之间，使所有区域在晶片半径d与半径a之间。另外，间隙点缺陷浓度必须小于[I]^*，使晶片的半径在中央C与a之间，并且空位点缺陷浓度必须小于[V]^*，使晶片半径大于d。同样地，为了形成纯硅，如图4所示，△(V／G)必须小于或等于(V／G)₂-(V／G)₁，以保持[V]在临界浓度[V]^*以下，并且还保持[I]在临界浓度[I]^*以下，以适用于由中央C到扩散长度a的所有半径。

继续参照图5进行描述，在框504，如果在框502所确定的V／G的径向变化太大以致于不能满足半纯或纯晶片(图3D和4D)的条件的话，那么在框506对热区进行改进，然后再模拟，直到梯度足够小以满足所需条件。特别是，如图9所示，热区可通过为隔热屏114加盖914，和用保温材料如碳铁氧体来填充在盖914与隔热屏114之间的空间，来进行改进。还可以采用其它热区改进，以便按需要降低温度梯度。

再参见图5，在框508进行V／G轴向变化的模拟，以确定拉制晶锭时的△(V／G)的变化。再在框510进行检验，看是否变化足够小以保持晶片生长的所需性能。如果在框506不改变热区，那么，在框512确定拉晶速率分布，如图3E或4E所示。然后在框514使用该拉制速率来制造晶锭。最好是，使用框512的拉制速率，以保持V／G在临界比之间的中间，以便保持可进行工艺改变的保护范围。

通过轴向切割获得拉晶速率分布

现参见图6，现将描述使用轴向切割由经验来确定拉晶速率分布。如图6所示，在框602在可变拉制速率下拉制基准晶锭。为了确定最佳拉晶速率分布，可使用拉制速率范围，如图10所示。如图10中所示，可由高拉制速率(a)，如1．2mm／min，到0．5mm／min的低拉制速率(c)再到高拉制速率，来调节拉制速率。低拉制速率可以为0．4mm／min大小或更小。拉制速率(b)和(d)的变化最好是线性的。可制成具有图11和12所示截面的晶锭。图11和12分别表示晶锭的富含空位区，富含间隙区和完整区[V]，[I]和[P]。本技术领域的普通专业人员将会理解，这些区可以改变凝聚团的浓度，其未通过图11和12的画线来示出。

再参见图6，在框604轴向切割晶锭。由此，参见图11，对于半纯硅来说，可轴向切割晶锭，然后使用常用技术如铜染色，Secco腐蚀，X射线拓扑分析，寿命测量或其它常用技术，在轴向切割时检测凝聚团的浓度。最好是在将晶锭进行轴向切割，镜面腐蚀和在氮气氛中在800℃下进行4小时在1000℃下进行16小时退火以后进行X射线拓扑分析，寿命测量。如图11所示，轴向位置P₁将大的富含空位区和相对小的完整区。轴向位置P₂具有较小的富含空位区和较大的完整区。轴向位置P₃具有最小可能的富含空位区和最大可能的完整区，而不会引入富含间隙凝聚团区。轴向位置P₄具有很小的富含空位区，而具有所不希望的大的富含间隙区。因此，在框608，可沿图11的晶锭根据其轴向位置为轴向位置P₃确定V／G。然后在框610，随着拉制晶片，为该位置P₃确定满足V／G的拉晶速率分布，然后制造晶锭。

本技术领域的普通专业人员将会理解，由于工艺变化会引起间隙区的生长，所以在实际生产中不使用轴向位置P₃。因此，在位置P₂和P₃之间的位置可以进行选择，使得尽管工艺改变，也只包含可以接收的小富含空位区，而不会引入间隙凝聚团。

轴向晶锭切割还可以在设计用于纯硅的高温炉中拉制的晶锭上进行。在图12中示出了该锭。如图11所示，示出了富含空位区，完整区和富含间隙区[V]，[I]和[P]。如图12所示，轴向位置P₅-P₁₀包含类似于图11所描述的富含空位中央区。位置P₇和P₁₀包含富含间隙环和完整中央。然而，位置P₆和P₉均是完整的，因为在其中央上没有空位并且在其边缘上也没有间隙。因此，在框606，可选择对应于位置P₆或P₉的轴向位置，并且在框608，为该轴向位置确定V／G。在框610确定保持该V／G的拉晶速率分布，并且在框612制造晶锭。本技术领域的普通专业人员将会理解，可选择邻近位置P₆或P₉的轴向位置范围，以制成纯硅。因此，可选择实际的V／G，以便进行工艺改变，同时仍保持完整的硅性能。

通过晶片鉴别获得拉晶速率分布

现参见图7，现将描述通过晶片鉴别由经验来确定拉晶速率分布。如图7所示，在框702，在可变拉晶速率下拉制基准锭。为了确定优选拉晶速率分布，最好使用拉晶速率范围，如对图10所描述的。例如，拉晶速率可由高拉晶速率(a)，这里为1．2mm／min，到0．5mm／min低拉晶速率(c)，再到高拉晶速率，来进行调节。低拉晶速率可以为0．4mm／min左右或更小。拉晶速率(b)和(d)的变化可以最好为线性的。可制成具有图11或图12所示截面的晶锭。

再参见图7，在框704，径向切割晶锭以制成许多晶片。因此，参见图11，对于半纯硅来说，将晶锭加以切割以提供具有代表性的晶片W1-W4。然后，使用通常技术如铜染色，Secco腐蚀，寿命测量或其它常用技术，检测凝聚物的浓度。如图11所示，晶片W₁将具有大的富含空位区和相对小的完整区。晶片W₂具有较小的富含空位区和较大的完整区。晶片W₃具有最小可能的富含空位区和最大可能的完整区，其不会引入富含间隙凝聚团区。晶片W₄具有很小富含空位区，但具有不期望的大的富含间隙区。因此，在框708，沿图11的晶锭根据其轴向位置为晶片W₃确定V／G。然后在框710，随着拉制晶片为该晶片W₃确定拉晶速率分布，并且制造晶锭。

本技术领域的普通专业人员将会理解，由于工艺改变会引起间隙区的生长，因此在实际生产中可不使用晶片W₃的轴向位置。因此，可选择在晶片W₃与W₂之间晶片的轴向位置，使得尽管工艺改变也只会包含小的富含空位区，而不会引入间隙凝聚团。

还可以在设计用于完整硅的热区中拉制的晶锭上进行晶片切割。该晶锭示于图12中。参见图11，示出了富含空位区，完整区和富含间隙区[V]，[I]和[P]。如图12所示，可制成许多晶片W₅-W₁₀。晶片W₅和W₁₀包含富含空位的中央区，其类似于关于图11所描述的。晶片W₇和W₈包含富含间隙环和完整的中央。然而，晶片W₆和W₉均为完整的，因为在中央上没有空位并且在边缘上没有间隙。因此，在框706，选择对应于晶片W₆或W₉的轴向位置，并且在框708为该轴向位置确定V／G。在框710确定保持该V／G的拉晶速率分布，并且在框712制造晶锭。本技术领域的普通专业人员将会知道，可选择与晶片W₆和W₉相邻晶片位置的范围，以制成纯硅。因此，可选择实际的V／G，以便允许工艺改变，同时仍保持完整的硅性能。

通过经验和模拟技术获得拉晶速率分布

现参见图8，为了按照本发明来制造晶锭，可使用模拟、轴向切割和晶片鉴别的组合。如图8所示，在框802，使用模拟来确定拉晶速率的范围。在框804，可生长许多基准锭。在框806，轴向切割一些晶锭，并且在框808，将一些晶锭切割成晶片。在框810，通过关联轴向切割、晶片鉴别和模拟的结果，可确定最佳的V／G。然后在框821，确定拉晶速率分布，并且在框814，制造晶锭。该工艺可进行两次，以获得纯硅，使得在获得半纯硅以后，根据需要改进热区。

实际的拉晶速率分布将取决于许多变量，包括而不限于所需的晶锭直径，所使用的特定热区炉，和熔融硅的质量。图13和14表示拉晶速率分布，其是使用模拟和经验技术的组合(图8)而确定的。图13表示拉晶速率分布，用以生长100cm长200mm直径的晶锭，以形成12cm直径的富含空位区，并且可提供64％面积的纯硅区。可使用由MitsubishiMaterial Ikuno所制造的Q41型热区炉。图14表示用以生长纯硅的拉晶速率分布，其使用的与图13相同的晶锭参数，所不同的只是使用了图11的改进的热区。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的优选实施例，虽然使用了特定术语，但是它们只是叙述意义上来使用的，不能用以对本发明进行限制，本发明的范围将在下列权利要求中加以限定。

Claims

1．一种在热区炉中制造硅锭的方法，其包括下列步骤：

在由热区炉中的熔融硅来拉制硅锭的拉晶速率分布下，在轴向上由热区炉中的熔融硅来拉制硅锭，其拉晶速率分布要足够高，以防止间隙凝聚团，而且要足够低，以便将空位凝聚团限定在晶锭轴向上的富含空位区上。

2．按照权利要求1的方法，其中拉晶步骤之后是切割如此拉制的晶锭的步骤，其晶锭可切割成许多半纯晶片，该晶片在其中央上具有富含空位区，包含空位凝聚团，和在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区，无空位凝聚团和间隙凝聚团。

3．按照权利要求1的方法，其中拉晶步骤接下来是下列步骤：

确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的必须保持的第一临界比，以便防止间隙凝聚；

确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的不能超过的第二临界比，以便将空位凝聚限定在晶锭中央上的富含空位区上；和

确定拉晶速率分布，其在由热区炉中熔融硅而拉制晶锭时，将晶锭的拉制速率与温度梯度之比保持在第一临界比以上和第二临界比以下。

4．按照权利要求3的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭；

将基准锭切割成晶片；

鉴别晶片，具有最小的富含空位区，并且无间隙凝聚团；和

通过鉴别晶片的拉制速率和在晶锭中鉴别晶片的位置来计算第一和第二临界比。

5．按照权利要求4的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

在一定拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭，其中拉制速率是由第一拉制速率，到低于第一拉制速率的第二拉制速率，到高于第二拉制速率的第三拉制速率的范围内变化。

6．按照权利要求5的方法，其中拉制速率在拉制速率的范围内线性变化。

7．按照权利要求3的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，具有最小富含空位区并无间隙凝聚团；和

由轴向切割的晶锭上鉴别出的至少一个轴向位置和至少一个鉴别的轴向位置的拉制速率，来计算第一和第二临界比。

8．按照权利要求7的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

9．按照权利要求8的方法，其中拉制速率在拉制速率的范围内线性变化。

10．按照权利要求3的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

由Voronkov理论鉴别第一和第二临界比；

通过模拟在晶锭拉制过程中热区炉的操作来确定拉制速率与径向温度梯度分布；

通过模拟在晶锭拉制过程中热区炉的操作来确定拉制速率与轴向温度梯度分布；和

通过模拟拉制速率与径向温度分布和模拟拉制速率与轴向温度分布，确定拉晶速率分布，在由热区炉中熔融硅而拉制晶锭时，保持拉制速率与晶锭中温度梯度的比在第一临界比以上和第二临界比以下。

11．按照权利要求2的方法，其中晶片具有一晶片面积，其中纯度区为晶片面积的至少36％。

12．按照权利要求11的方法，其中纯度区为晶片面积的至少60％。

13．按照权利要求1的方法，其中拉晶步骤接下来是下列步骤：

将基准晶锭切割成晶片；

鉴别晶片，其具有最小富含空位区并无间隙凝聚团；

通过鉴别晶片的拉制速率和晶锭上鉴别晶片的位置，对具有最小富含空位区并无间隙凝聚团的晶片计算在晶锭熔融界面上的拉制速率与温度梯度的比；和

确定拉晶速率分布，其在由热区炉中熔融硅来拉制晶锭时保持所述比。

14．按照权利要求13的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

15．按照权利要求1的方法，其中拉晶步骤接下来是下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，具有最小富含空位区并无间隙凝聚团；

由鉴别晶片的拉制速率和在轴向切割晶锭上鉴别出的至少一个轴向位置，对具有最小富含空位区并无间隙凝聚团的至少一个轴向位置，计算在晶锭熔融界面上拉制速率与温度梯度的比；和

确定拉晶速率分布，其在由热区炉中熔融硅而拉制晶锭时保持上述比。

16．按照权利要求15的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

17．按照权利要求1的方法，其中拉制步骤接下来的步骤：

通过模拟在晶锭拉制过程中热区炉的操作来确定拉制速率与轴向温度梯度分布；

通过模拟拉制速率与径向温度分布，和模拟拉制速率与轴向温度分布，以及Voronkov理论，确定拉晶速率分布，其将拉制速率与径向和轴向温度梯度比保持在一定范围内，以防止间隙凝聚，并且将空位凝聚团限定在晶锭轴向上的富含空位区上。

18．一种在热区炉中制造硅锭的方法，其包括下列步骤：

在由热区炉中熔融硅来拉制硅锭的拉晶速率分布下，由热区炉中熔融的硅来拉制硅锭，其拉晶速率分布要足够高，以便防止间隙凝聚，而且要足够低，以便防止空位凝聚。

19．按照权利要求18的方法，其中拉制步骤以后是将如此拉制的晶锭切割成许多纯晶片的步骤，其无空位凝聚和间隙凝聚。

20．按照权利要求18的方法，其中拉制步骤接下来是下列步骤：

确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的必须保持第一临界比，以便防止间隙凝聚，并确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的不能超过的第二临界比，以便防止空位凝聚；和

确定拉晶速率分布，其在由热区炉中熔融硅而拉制晶锭时，将晶锭的拉制速率与温度梯度的比保持在第一临界比以上和第二临界比以下。

21．按照权利要求20的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

将基准晶锭切割成晶片；

鉴别晶片，其无空位凝聚和间隙凝聚；和

通过鉴别晶片的拉制速率和鉴别晶片在晶锭中的位置，计算第一和第二临界比。

22．按照权利要求21的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

23．按照权利要求22的方法，其中拉制速率在拉制速率范围内线性改变。

24．按照权利要求20的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，无空位凝聚和间隙凝聚；和

通过鉴别出的至少一个轴向位置的拉制速率和轴向切割晶锭上至少一个鉴别出的轴向位置，计算第一和第二临界比。

25．按照权利要求24的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

26．按照权利要求25的方法，其中拉制速率在拉制速率的范围内线性变化。

27．按照权利要求20的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

由Voronkov理论鉴别第一和第二临界比；

通过模拟拉制速率与径向温度分布和模拟拉制速率与轴向温度分布，确定拉晶速率分布，其在由热区炉中熔融硅而拉制晶锭时，保持拉制速率与晶锭中温度梯度的比在第一临界比以上和第二临界比以下。

28．按照权利要求18的方法，其中拉晶步骤接下来是下列步骤：

将基准晶锭切割成晶片；

鉴别晶片，无空位凝聚和间隙凝聚；

通过鉴别晶片的拉制速率和晶锭上鉴别晶片的位置，对无空位凝聚和间隙凝聚的晶片计算在晶锭熔融界面上的拉制速率与温度梯度的比；和

29．按照权利要求28的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

30．按照权利要求18的方法，其中拉晶步骤接下来是下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，无空位凝聚和间隙凝聚；

由鉴别晶片的拉制速率和在轴向切割晶锭上鉴别出的至少一个轴向位置，对无空位凝聚和间隙凝聚的至少一个轴向位置，计算在晶锭熔融界面上拉制速率与温度梯度的比；和

31．按照权利要求30的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

32．按照权利要求18的方法，其中拉制步骤接下来的步骤：

通过模拟在晶锭拉制过程中热区炉的操作，确定拉制速率与径向温度梯度分布；

通过模拟在晶锭拉制过程中热区炉的操作，确定拉制速率与轴向温度梯度分布；

通过模拟拉制速率与径向温度分布和模拟拉制速率与轴向温度分布，以及Voronkov理论，确定拉晶速率分布，其将拉制速率与径向和轴向温度梯度比保持在一定范围内，以防止空位凝聚和间隙凝聚。

33．一种在热区炉中制造硅锭的方法，其包括下列步骤：

在由热区炉中的熔融硅来拉制硅锭的拉晶速率分布下，由热区炉中的熔融硅来拉制硅锭，可制成半完整晶片，该晶片在中央上具有富含空位区，其包含空位凝聚，并且在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区，其包含间隙点缺陷，而无空位凝聚和间隙凝聚。

34．按照权利要求33的方法，其中拉制步骤之后是将如此拉制的晶锭切割成许多晶片的步骤，其中晶片在中央上具有富含空位区，其包含空位凝聚，并且在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区，其包含间隙点缺陷，而无空位凝聚和间隙凝聚。

35．按照权利要求33的方法，其中拉制步骤接下来的步骤：

36．按照权利要求35的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

将基准晶锭切割成晶片；

鉴别晶片，其具有最小富含空位区并无间隙凝聚；和

37．按照权利要求36的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

38．按照权利要求37的方法，其中拉制速率在拉制速率范围内线性改变。

39．按照权利要求35的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，具有最小空位凝聚并无间隙凝聚；和

40．按照权利要求39的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

41．按照权利要求40的方法，其中拉制速率在拉制速率的范围内线性变化。

42．按照权利要求35的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

由Voronkov理论鉴别第一和第二临界比；

43．按照权利要求34的方法，其中晶片具有一定的晶片面积，并且其中纯度区至少为晶片面积的36％。

44．按照权利要求43的方法，其中纯度区至少为晶片面积的60％。

45．一种在热区炉中制造硅锭的方法，其包括下列步骤：

在由热区炉中熔融硅来拉制硅锭的拉晶速率分布下，由热区炉中熔融的硅来拉制硅锭，其可制成完整的晶片，其只包含点缺陷而无空位凝聚和间隙凝聚。

46．按照权利要求45的方法，其中拉制步骤以后是将如此拉制的晶锭切割成许多纯晶片的步骤，其无空位凝聚和间隙凝聚。

47．按照权利要求45的方法，其中拉制步骤接下来是下列步骤：

确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的必须保持的第一临界比，以便防止间隙凝聚，并确定在熔融锭界面上拉晶速率与温度梯度的不能超过的第二临界比，以便防止空位凝聚；和

48．按照权利要求47的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

将基准晶锭切割成晶片；

鉴别晶片，其无空位凝聚和间隙凝聚；和

49．按照权利要求48的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中的熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

50．按照权利要求49的方法，其中拉制速率在拉制速率范围内线性改变。

51．按照权利要求47的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

轴向切割基准晶锭；

在轴向切割的基准晶锭上鉴别出至少一个轴向位置，其无空位凝聚和间隙凝聚；和

52．按照权利要求51的方法，其中在拉制速率范围内变化的拉制速率下由热区炉中的熔融硅而拉制基准晶锭的步骤包括下列步骤：

53．按照权利要求52的方法，其中拉制速率在拉制速率的范围内线性变化。

54．按照权利要求47的方法，其中确定第一临界比和第二临界比的步骤包括下列步骤：

由Voronkov理论鉴别第一和第二临界比；

55．由一个硅锭而制成的多个半纯单晶硅片，每个半纯单晶硅片在中央具有富含空位区，包含空位凝聚，和在富含空位区与晶片边缘之间具有纯度区，无空位凝聚和间隙凝聚，每个晶片的富含空位区具有相同的直径。

56．按照权利要求55的许多半纯单晶硅片，其中每个晶片进一步包括在其上的鉴别标记，在每个晶片上的鉴别标记表明，每个晶片是由一个硅锭制成的。

57．按照权利要求55的许多半纯单晶硅片，其中每个晶片具有相同的晶片面积，并且其中每个晶片的纯度区至少为晶片面积的36％。

58．按照权利要求57的许多半纯单晶硅片，其中每个晶片的纯度区至少为晶片面积的60％。

59．许多纯单晶硅片，其是由一个硅锭制成的，每个纯单晶硅片均无空位凝聚和间隙凝聚。

60．按照权利要求59的许多纯单晶硅片，其中每个晶片进一步包括在其上的鉴别标记，在每个晶片上的鉴别标记表明，每个晶片是由一个硅锭制成的。

61．一种用以生长单晶硅锭的Czochralski拉晶炉，其包括：

封闭体；

在封闭体中的坩埚；

在封闭体中的拉晶轴，具有轴向轴和与坩埚相邻的轴端；

用以将轴轴向拉离坩埚的装置；

在封闭体中至少有一个加热器，其环绕坩埚；和

在坩埚与拉晶轴之间的隔热屏，该隔热屏包括在其一端上的盖，该盖将保温材料封闭于其中。

62．按照权利要求61的Czochralski拉晶炉：

其中隔热屏是在坩埚于拉晶轴之间的圆筒形隔热屏，其由与坩埚相邻的第一端轴向延伸到远离坩埚的第二端；和

其中盖是位于圆筒形隔热屏的第一端上。

63．按照权利要求62的Czochralski拉晶炉，其中保温材料是碳铁氧体。