本发明涉及一种单晶成长方法，尤其涉及一种单晶硅的制造方法。
背景技术：
：近年来，半导体产业蓬勃发展，其中硅晶圆为半导体产业最基本的必需品。单晶硅的成长方法包括悬浮带区法(floatingzonemethod)、柴式拉晶法(Czochralskimethod,CZ)等。在这些方法之中，柴式拉晶法由于具有较佳的经济效益，已经成为目前大尺寸晶圆的主要成长方法。在柴式拉晶法期间，于保持减压下的惰性气体气氛的腔室中，将晶种浸入保存硅熔汤的坩埚中，浸入的晶种逐渐被拉出，从而在晶种下成长单晶硅。另外，在柴式拉晶法中，为了控制单晶硅成长的温度梯度，会使用圆柱状或倒圆锥状的热遮罩设置在单晶硅的周围以隔离辐射热。近来，用于成长高电阻硅晶体的柴式拉晶法存在一个问题，例如电阻超过1000ohm·cm的单晶硅的成长。也就是说，硅熔汤中的杂质可能影响的成长出的单晶硅品质。技术实现要素：因此，本发明涉及一种制造单晶硅的方法，以减少最终形成的单晶硅中的杂质。本发明提供一种单晶硅的制造方法，包括通过柴式拉晶法成长单晶硅，其中至少满足以下条件(a)和(b)：(a)保存硅熔汤的坩埚的旋转速度小于5rpm，且单晶硅和坩埚之间的旋转速度差值大于10rpm；以及(b)在单晶硅的周围配置倒圆锥状的热遮罩，通过热遮罩顶部的惰性气体的流速比通过在热遮罩的底部和硅熔汤的液面之间区域的惰性气体的流速慢5至10倍。在本发明的一实施例中，上述坩埚的旋转速度大于0.002rpm且小于5rpm。在本发明的一实施例中，上述的单晶硅和坩埚之间的旋转速度差值为16rpm以上。在本发明的一实施例中，上述的单晶硅和坩埚之间的旋转速度差值为16rpm～30rpm。在本发明的一实施例中，上述的单晶硅和坩埚的旋转方向相同。在本发明的一实施例中，上述的单晶硅和坩埚的旋转方向相反。在本发明的一实施例中，上述的惰性气体包括氩气。在本发明的一实施例中，上述的柴式拉晶法还可包括提供氮气。在本发明的一实施例中，上述的柴式拉晶法为外加1500gauss～4000gauss的水平磁场的柴式拉晶法。在本发明的一实施例中，上述的硅熔汤设置在上述水平磁场的最高强度的80％内。在本发明的一实施例中，上述的硅熔汤设置在上述水平磁场的最高强度的90％～100％。在本发明的一实施例中，上述热遮罩的底部与硅熔汤的液面之间的高度设计成使通过热遮罩的底部和硅熔汤的液面之间的截面积的惰性气体的流速比通过在热遮罩的顶部的截面积的惰性气体的流速快5至10倍。在本发明的一实施例中，上述惰性气体流向硅熔汤的液面的截面积与惰性气体流出硅熔汤的液面的截面积的比例为0.25～1。在本发明的一实施例中，上述坩埚的周围还可配置一第一加热器，且第一加热器的长度与上述坩埚的高度的比为1～2。在本发明的一实施例中，上述坩埚的下方还可配置一第二加热器，且第二加热器的宽度与上述坩埚的内径的比为0.3～0.9。基于上述，具有大于1000ohm·cm的高电阻的大尺寸单晶硅，可以通过本发明的单晶硅制造方法来实现。此外，单晶硅可以具有大于125mm的直径和(100)或(111)的晶体方向。由于根据本发明可有效地将杂质局限在贴近坩埚的侧壁上，所以能减少杂质在硅熔汤中的沉淀，并且可以减少产生在单晶硅中的杂质。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。附图说明图1是依照本发明的一实施例中用于柴式拉晶法的装置示意图；图2是依照本发明的所述实施例中的热遮罩与硅熔汤液面的示意图；图3显示硅熔汤所对应的磁场强度的曲线图；图4是依照本发明的所述实施例中的坩埚与第一加热器的示意图。附图标号说明：100：坩埚102：硅熔汤102a：液面104：支撑件106：第一加热器108：磁场供应器110：拉杆112：单晶硅114：热遮罩114a：顶部114b：底部116：内壁118：外壁120：第二加热器A1：第一截面积A2：第二截面积A3：第三截面积A4：第四截面积H1、H2：高度L：长度r：内径R：半径S：固定位置W：宽度X：最高点具体实施方式下文中参照附图来更充分地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式来实践，并不限于文中所述的实施例。在附图中，各元件可能没有按照实际比例来说明。图1是依照本发明的一实施例中用于柴式拉晶法的装置示意图。请参照图1，其中显示一种用于柴式拉晶法的装置，然而本发明不限于此。在其他实施例中，本发明的方法可以应用于其他适合的装置。图1的装置基本上包括用于保存一硅熔汤102的坩埚100、用于支撑坩埚100的一支撑件104、配置在坩埚100的周围用于加热硅熔汤102的一第一加热器106、围绕坩埚100的一磁场供应器108、位于硅熔汤102上方用以向上拉伸并形成一单晶硅112的一拉杆110以及用于隔绝来自第一加热器106的热且位于硅熔汤102上方并围绕在单晶硅112周围的一热遮罩114，其中热遮罩114为倒圆锥状，且具有面向单晶硅112的一内壁116与远离单晶硅112且面向坩埚100的一外壁118。另外，在坩埚100下方还可配置一第二加热器120，以从底部加热硅熔汤102，且坩埚100与第二加热器120是同轴。在柴式拉晶法中，拉杆110的拉伸速度已知是受到被拉的单晶硅112的轴向温度梯度所控制以及受到硅熔汤102的液-固界面的环境温度梯度所控制。此外，在柴式拉晶法期间，惰性气体是以设计好的压力/流速供应到图1的装置中，并且可选地，将氮气(N2)进一步供应至所述装置中。为了成长较低杂质(例如：氧或金属)含量的高电阻单晶硅，根据本发明的实施例中的所述柴式拉晶法的条件需求如下。在一实施例中，单晶硅112和坩埚100之间的旋转速度差值大于10rpm，较佳为16rpm以上，更佳为16rpm～30rpm。所述旋转速度是无方向性的。换句话说，单晶硅112和坩埚100的旋转方向可以相同或相反。在一实施例中，坩埚100的旋转速度小于5rpm，较佳为大于0.002rpm且小于5rpm。柴式拉晶法为外加磁场的柴式拉晶法，其硅熔汤102的对流被抑制，而且硅熔汤102表面温度分布更不对称。因此，在现有技术中，为了使硅熔汤102的液面102a的温度分布(在有或没有外加磁场的情况下)更加对称，在单晶硅112的成长过程中，坩埚100的旋转速度至少保持在6rpm。然而，坩埚100的旋转可能会增加杂质沉淀到硅熔汤102中。因此，在本实施例中，于晶体拉伸过程中，使坩埚100的旋转速度非常低，且单晶硅112的旋转速度相对高，藉此于晶体成长过程中将杂质从单晶硅112与硅熔汤液面102a接触的固-液界面处向远离单晶硅112方向排出，并且由此可以有效地减少单晶硅112中杂质的量。在一实施例中，坩埚100具有高纯度。在一实施例中，通过热遮罩114顶部的惰性气体的流速是通过热遮罩114底部与硅熔汤102的液面102a之间的区域的流速的5至10倍。另外，在本实施例中的柴式拉晶法的条件还可以进一步要求如下。在一实施例中，热遮罩114顶部的惰性气体流速较慢，热遮罩114底部和硅熔汤102的液面102a之间的惰性气体流速较快。因此，在初期的晶体成长中，靠近硅熔汤102的液面102a的惰性气体的流速是通过热遮罩114顶部的惰性气体流速的5至10倍，由此可抑制杂质掺杂到单晶硅112中。举例来说，在一成长炉中，通过热遮罩114的底部和液面102a的惰性气体流速约为20l/min～300l/min，且于整个晶体成长过程中，在高度H1的位置，惰性气体的流速平均值为2m/sec～30m/sec。在另一实施例中，高度H1被设计成能使热遮罩114的底部和液面102a之间的截面积有足够的面积，使惰性气体通过所述面积的流速，比通过热遮罩114的顶部的截面积的惰性气体的流速快5至10倍。在另一实施例中，热遮罩114的顶部的半径R被设计成例如使通过热遮罩114的顶部的截面积的惰性气体的流速，比通过高度H1的区域的惰性气体流速慢5至10倍。所述惰性气体包括如氩气(Ar(g))。所述惰性气体的纯度越高，纳入到硅晶体的杂质就越少。所述惰性气体的纯度例如是99.999999％。以要实现上述流速差异的观点来看，请参照图2，热遮罩114的顶部114a的区域具有一第一截面积A1，热遮罩114的底部114b与硅熔汤102的液面102a的区域具有一第二截面积A2，而且第一截面积A1与第二截面积A2的比例例如是5至10倍。因此，通过顶部114a的惰性气体的流速是通过底部114b与液面102a之间区域的流速的5至10倍。在一实施例中，热遮罩114的底部114b与液面102a之间区域的截面积被控制在0.006～0.09m2。另外，为了确保硅熔汤102内的杂质如氧、金属等，可更有效率的由气体携出，请再度参照图1。惰性气体会经由热遮罩114的内壁116与单晶硅112之间流向硅熔汤102的液面102a，将此处(即在高度H1的位置)的截面积定义为一第三截面积A3。然后，惰性气体会由热遮罩114的外壁118与坩埚100之间流出硅熔汤102的液面102a，将此处的截面积定义为一第四截面积A4。而第三截面积A3与第四截面积A4的比例若在0.25～1，能藉此控制气体通过A3与A4的速度，从而确保硅熔汤102内的杂质更有效率地由气体携出，以维持高电阻需求的纯度。在一实施例中，柴式拉晶法为一外加1500gauss～4000gauss水平磁场的柴式拉晶法，例如对硅熔汤102额外外加水平磁场。此外，所述成长炉的压力可以是15torr～450torr。在一实施例中，硅熔汤102是设置在水平磁场的最大强度的80％以上，较佳是设置在水平磁场的最大强度的90％～100％。详细来说，请参考图3，其右侧表示装有硅熔汤102的坩埚100以及磁场供应器108，为了清楚起见在此省略了其他元件；图3左侧则显示磁场强度曲线图，其对应于磁场强度比率。举例来说，最大磁场强度(比例为100％)与磁场强度曲线图的顶部接触，最大磁场强度90％的范围在虚线所示的区域内。此外，在柴式拉晶法施加的气体可以是单一气体或是有两种或两种以上气体的混合气体。举例来说，在柴式拉晶法施加的气体例如包括惰性气体。在混合气体中的两种或两种以上气体的组成比例可以根据制造需求而变化。而且，在所述成长炉中，于柴式拉晶法期间的压力和供应的气体流速可以随晶体成长阶段的不同而有不同。在另一实施例中，由于柴式拉晶法中的热传递主要是通过热辐射，热能可能由坩埚100往下传递而散失。因此，请参照图1，配置在坩埚100的下方的第二加热器120可由下往上提供坩埚100热能，以满足在晶体成长中所需的热能，使坩埚100内的硅熔汤102温度分布发生变化。详细而言，第二加热器120的宽度W与坩埚100的内径r之比若是在0.3～0.9之间，能藉此进一步控制坩埚100壁的温度，控制不纯物析出速度，以达到生长高电阻率晶棒的需求。另外，如上所述，因为长晶系统内的热传递主要通过热辐射的方式，因此如欲提升加热效率，请参照图4。由于第一加热器106的长度L决定加热范围，而坩埚100高度H2则决定受热的面积，所以可通过热场设计，将使第一加热器106的长度L与坩埚100的高度H2的比控制在1～2之间，使加热效率获得最佳化。上述坩埚100的最高点X的初始位置与第一加热器106中的固定位置S是同平面，且固定位置S例如位于第一加热器106的长度L的1/6～1/3处，以保持长晶需求温度。由于加热效率会影响坩埚100析出杂质的速度，因此在本实施例中，通过控制长度L与高度H2的比值，可在兼顾长晶需求(熔汤)温度的前提下，有效率地降低坩埚100析出杂质的速度。以下通过实验例来更具体地描述本发明，然而，应知本发明的实验例并不局限于以下内容，且可以适当变化来实践。〈实验例一〉实验例一的柴式拉晶法的装置如图1所示，其中惰性气体以压力14-100torr、流速2-30m/sec供应到图1的装置中，且A3与A4的比例如下表一所示。进行长晶实验，以便分析上述截面积比对成长单晶硅的影响，结果显示于下表1。表1从上表1可得知，通过控制惰性气体流向与流出液面之间的截面积比例，能控制惰性气体通过A3与A4的速度，以降低氧杂质含量，以维持单晶硅高电阻需求的纯度。〈实验例二〉实验例二的柴式拉晶法的装置如图4所示，其中固定第一加热器106的加热温度，改变第一加热器106的长度L与坩埚100的高度H2的比值来进行长晶实验，以便分析第一加热器106的长度L与坩埚100的高度比值，对于单晶硅中氧杂质含量的影响，结果显示于下表2。表2长度L与高度H2的比值氧杂质含量(ppma)1.52～101.422～101.402～10从上表2可得知，通过控制第一加热器106的长度L与坩埚100的高度H2的比值，可以降低坩埚100析出氧等不纯物的速度，藉此降低单晶硅中氧杂质含量。〈实验例三〉实验例三的柴式拉晶法的装置如图1所示，其中固定第二加热器120的加热温度，第二加热器120的宽度W与坩埚100的内径r的比值如下表3所示，然后进行长晶实验，以便分析第二加热器120的宽度W与坩埚100的内径r的比值，对于单晶硅112中氧杂质含量的影响，结果显示于下表3。表3宽度W与内径r的比值氧杂质含量(ppma)0.882～10从上表3可得知，通过第二加热器120的宽度W与坩埚100的内径r的比值，可进一步控制坩埚100壁的温度，控制不纯物析出速度，藉此降低单晶硅中氧杂质含量。综上所述，根据本发明可以实现具有大于1000ohm·cm的高电阻的大尺寸单晶硅，且单晶硅具有大于125mm的直径和(100)或(111)的晶体方向。具体来说，因为杂质被有效地控制在靠近坩埚的侧壁，从而减少硅熔汤中溶解的夹杂物掺入到单晶硅中。例如，在所得的单晶硅中的填隙氧浓度(interstitialoxygenconcentration)可以小于8ppm。此外，依据期望的规格或制造需求，掺杂剂杂质可以包含不同种类和浓度，其中所述掺杂剂杂质例如硼(B)、磷(P)、砷(As)、碳(C)等。虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属
技术领域：
中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。当前第1页1 2 3