CN104854266B - 单晶硅的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单晶硅的制造方法，其是使籽晶与收纳于坩埚内并添加有掺杂物的原料熔融液接触，在形成锥部后，接着形成直体部，从而使电阻率为0.05Ωcm以下且结晶方位为(100)的N型单晶硅生长的基于切克劳斯基单晶生长法的单晶硅的制造方法，其特征在于，在所述锥部的形成过程中，调整θ的同时形成所述锥部，使在从所述单晶硅的直径方向观察时将所述单晶硅的成长方向与所述锥部的侧面所构成的锥角设为θ，将所述锥部的侧面的长度设为L时，θ为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于该长度L为20％以下。由此，不降低成品率和生产率而能够切实地抑制有错位化。

Description

单晶硅的制造方法

技术领域

本发明涉及一种通过切克劳斯基单晶生长法(Czochralski Method，以下简称为CZ法)进行的单晶制造方法。

背景技术

近年来，MOS功率半导体的需求不断增加，作为用于其的基板，以高浓度掺杂锑(Sb)、砷(As)、红磷(P)等挥发性掺杂物的低电阻率的N型单晶硅基板的开发变得重要。单晶硅基板是通过对主要由CZ法制造的单晶硅棒进行切割而得到的。

在通过CZ法制造单晶硅的情况下，首先在腔室内的石英坩埚中填充多晶硅等原料，在其中添加掺杂物，将其用加热器加热做成原料熔融液后，从腔室上部使保持在籽晶架上的籽晶原料熔融液接触，一边旋转籽晶一边缓慢提起，由此使单晶不断生长。

在单晶生长时，如图3所示，在使单晶扩大至所希望的直径的同时形成锥部，在扩大至所希望的直径后，在控制提起速度及原料熔融液温度的同时不断形成直体部。

但是，在这样的CZ法中制造以高浓度掺杂有掺杂物的单晶非常困难。尤其是从锥部至快要形成直体部时发生有错位化的情况非常多，不仅生产效率差，而且在最坏的情况下也存在不能得到单晶的情况。

针对该问题，已知一种通过在形成锥部时使锥角以至少两个阶段增大的方式变化来抑制有错位化的方法(参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2009-292659号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

这里所称的锥角如图2所示，是指单晶硅的成长方向A与锥部17的侧面构成的角θ。但是，图2是表示锥部的侧面的概要的图，锥部侧面的截面形状并不一定如图2那样成为直线，θ根据侧面的位置而变化。

但是，在上述专利文献1的方法中，在制造上述那样的低电阻率(尤其是0.05Ωcm以下)、结晶方位(100)的N型单晶硅时，存在不能充分地抑制有错位化这样的问题。

此外，为了抑制有错位化，也有在锥成形工序中经验性地减慢提起速度，形成使锥形角度减小的锥部的情况。但是，若减小锥形角度，则锥部的高度增加，重量增加至通常的近三倍，成品率/生产率降低。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够不会降低成品率和生产率地减少锥部的形成工序中的有错位化的低电阻率且结晶方位(100)的N型单晶硅的制造方法。

(二)技术方案

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种单晶硅的制造方法，其是使籽晶与收纳于坩埚内并添加有掺杂物的原料熔融液接触，在形成锥部后，接着形成直体部，从而使电阻率为0.05Ωcm以下且结晶方位(100)的N型单晶硅生长的基于切克劳斯基单晶生长法的单晶硅的制造方法，其特征在于，在所述锥部的形成过程中，调整θ的同时形成所述锥部，使在将从所述单晶硅的直径方向观察时的所述单晶硅的成长方向与所述锥部的侧面所构成的锥角设为θ，将所述锥部的侧面的长度设为L时，θ为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于该长度L为20％以下。

若为这样的制造方法，则由于在抑制锥部的高度增加的同时，能够减小在锥部形成过程中尤其容易导致有错位化的锥角θ为35.2°的区域，因此能够不降低成品率和生产率地切实地抑制有错位化。

此时，作为所述掺杂物，可以使用Sb、As、P中任意一种。

若这样做，则能够得到掺杂有所希望的掺杂物的N型单晶硅。

此外，在所述锥部的形成过程中，优选通过使所述单晶硅的提起速度降低或者使所述坩埚的旋转速度变化来进行所述锥角θ的调整。

若这样做，则因为可以使提起速度或坩埚的旋转速度响应性良好地变化，所以能够容易地调整锥角θ。

此外，优选地，在所述锥部形成的后半，通过使所述单晶硅的提起速度降低或者使所述坩埚的旋转速度变化，将所述锥角θ保持为大于45°的角度。

若这样做，不但如上述那样能够容易地调整锥角θ，而且能够减小锥部的高度，削减形成时间，因此能够提高成品率和生产率。

此外，在所述单晶硅生长时，可以对所述原料熔融液施加中心磁场强度为0.15T以上的水平磁场。

若这样做，则抑制坩埚内原料熔融液的对流，减小结晶成长界面附近的温度变动，使被取至结晶的掺杂物的浓度分布均匀化。此外，能够抑制点缺陷向结晶内的导入。

(三)有益效果

在本发明中，在调整θ的同时形成锥部，使在将从单晶硅的直径方向观察时的单晶硅的成长方向与锥部的侧面所构成的锥角设为θ，将锥部的侧面的长度设为L时，相对于该长度L，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和为20％以下，因此，在抑制锥部的高度增加的同时，能够减小在锥部形成过程中尤其容易导致有错位化的锥角θ为35.2°的区域，因此能够不降低成品率和生产率地切实地抑制有错位化。

附图说明

图1是表示实施本发明的单晶硅的制造方法的单晶制造装置的一例的概略图。

图2是说明单晶硅的锥部形状的概略剖面图。

图3是通过现有的单晶硅的制造方法所得到的单晶硅的锥部及直体部形状的概略图。

图4是表示实施例1、2及比较例1、2的锥部形状的测量结果的图。

图5是表示实施例1、2及比较例1、2的锥角θ的测量结果的图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。

如上述那样，对于在结晶方位(100)的高浓度掺杂N型单晶硅的制造中的锥部形成过程中发生有错位化的情况非常多的问题，本发明人等经过调查研究，明确了在锥部的表面出现小面(ファセット)并经过不久便发生有错位化的情况非常多。这可以认为是由于一出现小面则在其成长的前线在与进行等温成长的部分的边界处成长变得不稳定。经过进一步反复刻苦研究，结果发现相比提起速度或温度分布，该有错位化更依赖于锥部的形状而发生，尤其是若形成(111)面，则容易发生有错位化。

如图3所示，通过现有方法制造得单晶硅的锥部成为碗型的形状，与其类似的形状最稳定且良好。但是，在由图3中的圆包围的区域内，形成有由(111)面构成的小面，在该区域经常发生有错位化。在结晶学上已知在制造结晶方位(100)的单晶时，在(111)面的锥角为35.2°的情况下变得最容易发生有错位化。

由图3中的上方的圆包围的区域，在锥部形成的前半直径不断扩大并在锥角θ增加的过程中接近35.2°时形成。之后，虽然锥角θ超过35.2°并变大，但如后述那样，在锥部形成的后半，锥角θ再次变小，在接近35.2°时形成。

根据以上内容，本发明人等想到通过将锥角θ为25°至45°的范围内的区域减小，能够抑制有错位化，并完成本发明。

首先，对可以在本发明的单晶硅的制造方法中使用的单晶制造装置进行说明。

如图1所示，本发明的单晶制造装置1具有主腔室2以及连接在主腔室2上的副腔室3。在主腔室2内，设置有坩埚4、5及加热器7等，所述加热器7用于加热并熔解收容在坩埚4、5内的原料，从而制成原料熔融液6。

在副腔室3的上部，设置有用于一边使生长的单晶硅8旋转一边提起的提起机构9。从安装于该副腔室3上部的提起机构9绕出绳线10，其前端连接籽晶架11，使安装于籽晶架11前部的籽晶12与原料熔融液6接触，使用提起机构9缠绕绳线10，由此在籽晶12的下方使单晶8生长。

坩埚4、5由在内侧直接收容原料熔融液6的石英坩埚4以及用于在外侧支承该石英坩埚4的石墨坩埚5构成。坩埚4、5被安装于单晶制造装置1的下部且由可自由旋转升降的坩埚旋转轴13所支承。随着单晶的生长的进行，虽然坩埚内的原料熔融液6不断减少，但使熔融液面保持为一定的位置，以使结晶直径和结晶品质不会变化。具体地，通过坩埚旋转升降驱动机构(未图示)一边使坩埚4、5向与单晶硅8相反方向旋转，一边根据单晶硅8的提起相应地使坩埚4、5上升熔融液减少的部分。

此外，在单晶制造装置1中设置有圆筒状的整流筒14，使该整流筒14围绕生长的单晶8。整流筒14使用石墨材料，其能够遮挡来自加热器7或原料熔融液6对单晶硅8的辐射热。

以将在炉内产生的氧化物向炉外排出等为目的，从设置于副腔室3上部的气体导入口15导入氩气等惰性气体，通过整流筒14的内侧，在提起中的单晶硅8的附近被整流，通过原料熔融液6表面并通过坩埚4、5的上端边缘的上方，从设置于单晶制造装置1下部的气体流出口16排出。由此，在提起中的单晶硅8被气体冷却的同时，能够防止在整流筒14的内侧及坩埚4、5的上端边缘等处堆积氧化物。

下面对本发明的单晶硅的制造方法进行说明。这里，以使用图1所示的单晶制造装置1的情况为例进行说明。

如图1所示，首先，通过加热器7在坩埚4、5内将硅的高纯度多结晶原料加热至熔点(大约1420℃)以上并熔融，制成原料熔融液6。此外，在原料熔融液6中添加锑(Sb)、砷(As)、红磷(P)等掺杂物。这里，将添加的掺杂物的量设置成使制造的单晶的电阻率为0.05Ωcm以下的量。

接着，通过卷出绳线10使籽晶12的前端与原料熔融液面的大致中心部接触(接种)。在接种时为了去除结晶中产生的错位，根据需要将籽晶浸渍于原料熔融液6中，进行颈缩，形成颈部。

之后，在使坩埚旋转轴13向适当的方向旋转的同时，一边旋转一边缠绕绳线10，提拉籽晶12，由此使单晶硅8开始生长。此时，首先，使制造的单晶硅8的直径逐渐扩大，从而形成锥部17，扩大至所希望的直径。

图2是简要地表示从单晶硅8的直径方向观察锥部17时的形状的图。如图2所示，用θ来表示单晶硅的成长方向A与锥部17的侧面构成的锥角，用L来表示锥部17的侧面的长度。

在本发明中，在该锥部17的形成过程中，调整θ的同时形成锥部17，使相对于锥部17的侧面的长度L，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和为20％以下。

若这样做，在锥部17的形成过程中，减少锥角θ成为35.2°的区域，即抑制尤其容易导致有错位化的(111)面的形成，能够切实地抑制有错位化。

在此，下面对锥部17的具体形成方法进行说明。

首先，锥部的形成开始后，逐渐降低原料熔融液6的温度，一边使锥角θ慢慢增大一边不断扩大直径。此时，由于结晶部分的体积还小，热容量小，所以急剧的温度变化会造成急剧的形状变化，与有错位化的原因相关联，因此，一点点地进行扩径较好。

之后，结晶成长，锥角变大，在θ成为35.2°附近时，使得在(110)方向上有四根结晶线各分为两根，之间形成(111)面。由于该(111)面的表面能低，因此优先出现，成为如镜子那样。

这里，为了使形成(111)面的区域尽可能少，将θ调整为不足25°或大于45°。具体地，优选通过降低单晶硅8的提起速度或者使坩埚4、5的旋转速度变化来调整θ。也可以通过调整加热器7的电力使原料熔融液6的温度变化，从而调整锥角θ，但由于在从原料熔融液6的温度变化至θ变化之间发生时间滞后，因此基于提起速度或坩埚的旋转速度的方法能够容易地调整θ。

例如，在锥角θ成为25°附近时，通过急剧降低提起速度来使锥角θ增加，能够使形成θ为25°以上45°以下的区域的区间(时间)缩短。提起速度的变化与通过加热器电力调整而进行的熔融液温度变化不同，能够急变，也能够容易地进行基于提起速度调整的锥角θ的调整，因此基于提起速度的锥角θ的调整为最优选，仅在锥部形成的一定区间使提起速度急变来调整锥角θ的方法是有效的。此外，通过调整坩埚旋转速度，改变原料熔融液6的对流来使熔融液温度变化也可期待同样的效果。若对流改变，则固液界面附近的温度立即改变，因此与改变加热器的功率相比，响应性也极好。此时，在CZ法的情况下通过加快坩埚旋转，在MCZ法的情况下通过减慢坩埚旋转，能够降低固液界面附近的温度。

这样，若使锥角θ特别大于45°，则使得(111)面消失，稳定地保持该锥角θ并进行成长。上述中在使提起速度降低的情况下，在此时刻也可以恢复至降低以前的提起速度。由于即使这样也能够稳定地维持锥角θ，因此优选恢复提起速度，抑制生产率的降低。

在现有的结晶方位(100)、高浓度掺杂N型单晶硅的制造方法中，在锥部形成的后半，在接近所希望的直径时，为了直体部形成初期的直径稳定化，使原料熔融液温度的下降梯度缓慢。若这样做，则由于锥角θ不断变小，再次接近35.2°，因此如上述那样，在该区域也形成(111)面。在现有的单晶硅的制造中，在快要形成该直体部的位置处也容易发生有错位化。

因此，在本发明中，优选地，通过不降低原料熔融液温度而降低提起速度，使锥角θ保持为大于45°的角度。此时，不通过降低提起速度而通过使坩埚旋转速度变化，也同样能够将锥角θ调整为大于45°的角度。

这样做所得到的锥部成为(111)面少的形状，在能够抑制锥部形成过程中的有错位化的同时，锥部的高度也不会超过所需地变大，能够抑制成品率和生产率的降低。

在形成锥部后，与现有相同地，一边控制单晶8的提起速度和加热器的电力一边形成单晶8的直体部，以得到所希望的直径和结晶品质，之后形成尾部，从而制造单晶硅8。

此外，在单晶硅生长时，可以对原料熔融液6施加磁场。在该情况下，如图1所示，例如可以使用由永久磁铁或电磁铁构成的磁场施加装置18施加中心磁场强度为0.15T以上的水平磁场。

若这样做，则由于抑制坩埚内的原料熔融液的对流，能够降低结晶成长界面附近的温度变动，使被取至结晶的掺杂物的浓度分布均匀化，并且，能够抑制点缺陷向结晶内的导入。

实施例

下面示出本发明的实施例及比较例，更加具体地说明本发明，但本发明并不限定于此。

(实施例1)

使用图1所示的单晶制造装置，制造了直径200mm、结晶方位(100)的Sb掺杂单晶硅。

首先，在直径660mm(26英寸)的坩埚中填充180kg的多晶硅原料，将其熔融从而制成原料熔融液。此外，添加了掺杂物(Sb)，使制造的单晶硅的TOP侧的电阻率成为0.02Ωcm。

接着，在形成颈部后，大幅降低熔融液温度，之后以几乎固定的比例缓缓降低熔融液温度，由此开始了锥部的制作。此时的提起速度为一定。

在锥形角度接近25°时一下将提起速度降低40％。之后，在一定时间将提起速度保持为一定后，从锥角超过45°起使提起速度恢复至原来的速度。

之后，一边保持超过45°的锥形角度一边使单晶成长。在直径接近目标值时，使锥形角度不变小地逐渐降低提起速度，最终降低至40％。由此在能够抑制使锥角成为25°以上45°以下的同时，在直体部的形成初期能够避免直径变得过大。

对这样形成的锥部形状及锥角θ进行了考察。图4表示锥部形状的测量结果。此外，图5表示在形成过程中的锥部底面的半径处的锥角θ的测量结果。如图4、5所示，在实施例1中，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于锥部侧面的长度L的比例为20％，小于后述的比较例1、2。

表1表示锥部的形成工序中的有错位化率。这里所示的有错位化率是将后述的比较例1的结果设为1时的指数。如表1所示，能够使有错位化率为比较例1的1/3以下。

(实施例2)

除了使原料熔融液的温度降低的梯度大于实施例1以外，在与实施例1同样的条件下制造单晶硅，进行了与实施例1相同的评价。

图4表示锥部形状的测量结果。此外，图5表示在形成过程中的锥部底面的半径处的锥角θ的测量结果。

如图4、5所示，总体上锥角与实施例1相比变大。此外，在实施例2中，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于锥部的侧面长度L的比例为8％，小于后述的比较例1、2。

表1表示在锥部的形成工序中的有错位化率。如表1所示，有错位化率小于后述的比较例1、2，成为比较例2的1/3左右。

此外，在实施例1、2中，锥部发生有错位化的部分全部处于锥角θ为20°～45°范围外的区域，并不是以锥部的形状为主要原因的有错位化。

由上可以确认，在本发明的单晶硅的制造方法中，在锥部的形成过程中，通过调整θ，使θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于锥部的侧面的长度L为20％以下，能够切实地抑制有错位化。

(比较例1)

除了将提起速度设为一定以外，即，除了不进行任何的锥角θ的调整以外，在与实施例1同样的条件下制造单晶硅，进行了与实施例1相同的评价。

图4表示锥部的形状的测量结果。此外，图5表示在形成过程中的锥部底面的半径处的锥角θ的测量结果。

如图4、5所示，在比较例1中，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于锥部的侧面长度L的比例为超过20％的35％，大于实施例1、2。

表1表示在锥部的形成工序中的有错位化率。如表1所示，有错位化率大，为实施例1、2的3倍以上。

(比较例2)

除了使原料熔融液的温度下降的梯度大于比较例1以外，在与比较例1同样的条件下制造单晶硅，进行了与比较例1相同的评价。

图4表示锥部的形状的测量结果。此外，图5表示在形成过程中的锥部底面的半径处的锥角θ的测量结果。

如图4、5所示，总体上锥角与比较例1相比变大。此外，在比较例2中，θ成为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于锥部的侧面长度L的比例为超过20％的24％，大于实施例1、2。此外，在直体部的形成初期，直径变得过大，直径不稳定。

表1表示在锥部的形成工序中的有错位化率。如表1所示，有错位化率大，为实施例1、2的2.5倍以上。

(表1)

	比较例1	比较例2	实施例1	实施例2
					有错位化指数	1.00	0.83	0.33	0.28

另外，本发明并不限于上述实施方式。上述实施方式为示例，具有与本发明的权利要求所述的技术思想实质相同的结构，并起到同样的作用效果的所有技术，均包括在本发明的技术范围之内。

Claims (7)

1.一种单晶硅的制造方法，其是使籽晶与收纳于坩埚内并添加有掺杂物的原料熔融液接触，在形成锥部后，接着形成直体部，使电阻率为0.05Ωcm以下且结晶方位(100)的N型单晶硅生长的基于切克劳斯基单晶生长法的单晶硅的制造方法，其特征在于，

在所述锥部的形成过程中，在使θ变化来进行调整的同时形成所述锥部，使在从所述单晶硅的直径方向观察时将所述单晶硅的成长方向与所述锥部的侧面所构成的锥角设为θ，将所述锥部的侧面的长度设为L时，θ为25°以上45°以下的区域的长度总和相对于该长度L为20％以下。

2.根据权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，作为所述掺杂物，使用Sb、As、P中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

在所述锥部的形成过程中，通过使所述单晶硅的提起速度降低或者使所述坩埚的旋转速度变化来进行所述锥角θ的调整。

4.根据权利要求2所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

在所述锥部的形成过程中，通过使所述单晶硅的提起速度降低或者使所述坩埚的旋转速度变化来进行所述锥角θ的调整。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，在所述锥部形成的后半，通过使所述单晶硅的提起速度降低或者使所述坩埚的旋转速度变化，将所述锥角θ保持为大于45°的角度。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，在所述单晶硅生长时，对所述原料熔融液施加中心磁场强度为0.15T以上的水平磁场。

7.根据权利要求5所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，在所述单晶硅生长时，对所述原料熔融液施加中心磁场强度为0.15T以上的水平磁场。