CN107109684B - 单晶的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶的制造方法。一种单晶(6)的制造方法，其具备：肩部形成工序，形成单晶(6)的肩部(62)；及直体部形成工序，形成单晶(6)的直体部(63)，在肩部形成工序中，将从坩埚(31)内部的最下部至掺杂剂添加熔体(41)的表面(41A)为止的距离设为H(mm)，将掺杂剂添加熔体(41)的表面(41A)的半径设为R(mm)，在满足0.4＜H/R＜0.78的关系的状态下，开始形成肩部(62)。

Description

单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及一种单晶的制造方法。

背景技术

例如，对功率MOS晶体管用的外延硅晶片要求该硅晶片的基板电阻率非常低。已知有如下技术：为了充分降低硅晶片的基板电阻率，在作为硅晶片材料的单晶的晶锭(以下，称为单晶)的提拉工序中(即，培育硅晶时)，在熔融硅中掺杂砷(As)或锑(Sb)作为电阻率调整用的n型掺杂剂(例如，参考专利文献1)。

该专利文献1中公开有如下：通过将单晶制造成晶体圆锥部即肩部具有40°～60°的开口角，能够抑制位错化的发生。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3555081号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

然而，如专利文献1所记载的方法那样，仅通过调节肩部的开口角，有时无法抑制位错化的发生。

本发明的目的在于提供一种电阻率较低且位错化的发生得到抑制的单晶的制造方法。

用于解决技术课题的手段

本发明人等重复进行深入研究的结果，得到了以下见解。

在通过切克劳斯基法制造单晶时，认为容纳于坩埚中的掺杂剂添加熔体中，因位于坩埚最下部的部分与熔体表面的温度差而产生对流。通过该对流，掺杂剂添加熔体下侧的热量被传递至上侧，通过来自熔体表面的热量的释放而温度下降之后，返回到下侧，因此液温发生变动。推测因该液温的变动，单晶中异常生长的发生会增加，从而发生位错化。

并且，认为从坩埚内部的最下部至熔体表面为止的距离越长，掺杂剂添加熔体上下部的温度差越大，因此对流变得越强。

因此，推测通过最优化装入坩埚中的掺杂剂添加熔体的量，能够抑制由对流引起的液温的变动，从而存在能够抑制位错化的发生的可能性，而进行了以下实验。

＜实验1：掺杂剂添加熔体量与位错化的发生状况的相关性调查＞

首先，准备了具有圆筒部的外径为22英寸(558.8mm(1英寸＝25.4mm))且内径为21.10英寸(536.0mm)的坩埚的单晶提拉装置。

并且，进行形成与籽晶连续的颈部的颈部形成工序、形成肩部的肩部形成工序、形成直体部的直体部形成工序、形成尾部的尾部形成工序、以及在尾部形成工序结束之后进行冷却单晶的冷却工序，由此进行了制造单晶的实验。在此，直体部的上端是指位于与肩部之间的边界(例如图4中以符号63A表示)的部分。

另外，将作为掺杂剂的红磷添加到硅熔体中，以使单晶的直体部上端的电阻率成为1.0mΩ·cm以下，以此调整了掺杂剂添加熔体的掺杂剂浓度。

并且，制造条件设为用于制造直体部的长度为860mm且直径为200mm的单晶的条件。

并且，观察制造中的单晶，在确认到位错化时停止进行制造，未进行其后的工序。另外，关于有无异常生长也进行了确认。

将基于实验结果的硅熔体量、掺杂剂量、H/R、位错化的发生位置及有无异常生长之间的关系示于图1。

另外，H为从坩埚内部的最下部至熔体表面为止的距离，R为熔体表面的半径。本实验1中，在所有的实验条件(试验1～7)下，熔体表面均位于坩埚圆筒部(内径大致均等的部分)，R均为坩埚内径的一半的10.72英寸。

如图1所示，关于位错化，试验1～2中发生在肩部，试验3～5中发生在直体部，试验6～7中未发生位错化。并且，关于异常生长，试验1～5中发生了异常生长，试验6～7中未发生异常生长。

在此，试验2～6中，将前一试验(试验1～5)的晶体从单晶提拉装置中取出之后，制造出单晶。并且，在进行试验2、4、5、6之前，为了调整掺杂剂浓度而添加了掺杂剂。

另外，试验7为未发生位错化及异常生长的试验6的再现性确认测试。

根据图1所示的结果可知，H/R的值越小，即装入坩埚中的掺杂剂添加熔体的量越少，发生位错化的位置越向尾部侧移动，当H/R的值小于0.78时，未发生位错化及异常生长。

另外，在单晶沿轴向生长的过程中，随着坩埚内硅熔体减少，H/R的值连续变小。因此，图1中虽未记载H/R的值小于0.77的情况，但试验6及试验7的结果显示即使H/R的值小于0.77，也不会发生位错化及开常生长的情况，根据本次试验6及试验7的硅熔体的残液量判明了至少H/R的值为0.1为止，不会发生位错化及异常生长。实际上，在实验1之后还进行了H/R的值为0.6、0.4的试验，但未发生位错化及异常生长。

＜实验2：掺杂剂添加熔体量与掺杂剂的蒸发所伴随的单晶的电阻率变化的相关性调查＞

已知用于降低单晶的电阻率的掺杂剂即砷、锑或红磷容易蒸发。认为若掺杂剂添加熔体的掺杂剂浓度相等且熔体的表面积相等，则即使装入坩埚中的量不同，每单位时间的掺杂剂的蒸发量也相等。因此，能够推测掺杂剂浓度相等时，若装入坩埚中的掺杂剂添加熔体的量越少，则每单位时间的掺杂剂的蒸发所伴随的掺杂剂浓度下降越大。

因此，作为实验2，进行了以下模拟。

在与实验1的坩埚相同形状的坩埚中装入与实验1的掺杂剂浓度相同浓度的掺杂剂添加熔体，以使H/R分别成为0.4、0.51、0.78、1.01，在添加作为掺杂剂的红磷之后的各经过时间，模拟了假定在未追加掺杂剂及硅熔体的状态下开始制造单晶时的直体部上端的电阻率。另外，将刚添加掺杂剂之后开始制造单晶时的肩部上端的电阻率设定为0.9mΩ·cm。这是因为，关于单晶的电阻率，尾部侧低于肩部侧，因此若将肩部上端的电阻率设定为0.9mΩ·cm，则能够将直体部整体的电阻率设为0.9mΩ·cm以下。

将模拟结果示于图2。

如图2所示，由于掺杂剂发生蒸发，因此确认到电阻率随着时间的经过而上升。并且，可知H/R越小，电阻率越容易上升。这与掺杂剂添加熔体的量越少则掺杂剂浓度降低越大的上述推测一致。

在此，从制造效率的观点考虑，若考虑在未追加掺杂剂或硅熔体的状态下一根一根地连续提拉多根单晶的所谓的提取提拉法，则优选时间经过所伴随的电阻率的变化较小。并且，若考虑存在在添加掺杂剂之后无法立即制造单晶的情况、一根单晶的提拉耗费约10小时的情况、或者对硅晶片所要求的性能，则优选经过时间为10小时时开始制造的单晶的直体部的电阻率不大幅超过1.0mΩ·cm。

由此，至少H/R超过0.4时，从添加掺杂剂起经过10小时之后开始制造单晶，也能够将直体部整体的电阻率设为不大幅超过1.0mΩ·cm的电阻率。

本发明是基于如上所述的见解而完成的。

即，本发明的单晶的制造方法，其通过切克劳斯基法制造单晶，是利用单晶提拉装置制造单晶的方法，所述单晶提拉装置具备：腔室；坩埚，配置于该腔室内且能够收纳在硅熔体中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔体；及提拉部，使籽晶与所述掺杂剂添加熔体接触之后进行提拉，所述单晶的制造方法的特征在于，具备：肩部形成工序，形成所述单晶的肩部；及直体部形成工序，形成所述单晶的直体部，在所述肩部形成工序中，将从所述坩埚的内部的最下部至所述掺杂剂添加熔体的表面为止的距离设为H(mm)，将所述掺杂剂添加熔体的表面的半径设为R(mm)，在满足下式(1)的状态下，开始形成所述肩部。

0.4＜H/R＜0.78……(1)

根据本发明，通过以满足上式(1)的方式制造单晶，能够制造电阻率较低且位错化的发生得到抑制的单晶。

本发明的单晶的制造方法中，优选所述掺杂剂为红磷，在所述掺杂剂添加熔体中添加有所述红磷，以使所述直体部的上端的电阻率成为1.0mΩ·cm以下。

本发明的单晶的制造方法中，优选所述掺杂剂为砷，所述掺杂剂添加熔体中添加有所述砷，以使所述直体部的上端的电阻率成为2.0mΩ·cm以下。

本发明的单晶的制造方法中，优选所述掺杂剂为锑，所述掺杂剂添加熔体中添加有所述锑，以使所述直体部的上端的电阻率成为15mΩ·cm以下。

根据以上本发明，能够制造能够得到所希望的低电阻率的硅晶片且位错化的发生得到抑制的单晶。

本发明的单晶的制造方法中，优选所述掺杂剂为红磷和锗，所述掺杂剂添加熔体中添加有所述红磷和所述锗，以使所述直体部的上端的电阻率成为1.2mΩ·cm以下。

根据本发明，能够抑制使用单晶制造出的外延硅晶片的错配位错(misfitdislocation)。

本发明的单晶的制造方法中，优选将能够制造一根所述单晶的量的所述掺杂剂添加熔体容纳于所述坩埚中，每制造一根所述单晶时，在向所述坩埚中追加硅原料及所述掺杂剂的状态下制造下一根所述单晶。

根据本发明，能够将制造各单晶时的掺杂剂添加熔体中的掺杂剂的浓度设为恒定，无需进行考虑了掺杂剂的蒸发的控制而能够制造单晶。

本发明的单晶的制造方法中，优选将能够制造多根所述单晶的量的所述掺杂剂添加熔体容纳于所述坩埚中，在未向所述坩埚中追加硅原料及所述掺杂剂的状态下一根一根地制造所述多根单晶。

根据本发明，无需固化(冷却)掺杂剂添加熔体而能够制造多根单晶，能够实现单晶制造的效率化。

附图说明

图1是用于导出本发明中的单晶的制造方法的实验1的结果，是表示掺杂剂添加熔体量与位错化的发生状况的相关性的图。

图2是用于导出所述制造方法的实验2的结果，是表示掺杂剂添加熔体量与掺杂剂的蒸发所伴随的单晶的电阻率变化的相关性的图表。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的单晶提拉装置的概略结构的示意图。

图4是表示基于所述一实施方式中的多次提拉法的单晶的制造方法的示意图。

图5是表示基于本发明的变形例中的提取提拉法的单晶的制造方法的示意图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。

〔单晶提拉装置的结构〕

首先，对单晶提拉装置的结构进行说明。

如图3所示，单晶提拉装置1具备单晶提拉装置主体3、未图示的掺杂装置及未图示的控制部。

单晶提拉装置主体3具备腔室30、配置于该腔室30内的坩埚31、向该坩埚31放射热量而进行加热的加热部32、作为提拉部的提拉缆绳33、隔热筒34及屏蔽件36。

通过控制部的控制，经由设置于上部的导入部30A，将惰性气体例如氩气从上朝下以规定的气体流量导入到腔室30内。并且，腔室30内的压力(炉内压力)能够通过控制部进行控制。

坩埚31将作为硅晶片的原料的多晶硅熔解而制成硅熔体4。坩埚31具备有底圆筒形状的石英制的石英坩埚311及配置于该石英坩埚311的外侧且收纳石英坩埚311的石墨制的石墨坩埚312。坩埚31被以规定的速度旋转的支撑轴37支撑。另外，本实施方式的坩埚31的圆筒部的外径为22英寸，且内径为21.44英寸。

加热部32配置于坩埚31的外侧，对坩埚31进行加热而将坩埚31内的硅熔解。

提拉缆绳33的一端与例如配置于坩埚31上部的未图示的提拉驱动部连接。并且，在提拉缆绳33的另一端适当地安装有保持籽晶的籽晶夹持器38、或未图示的掺杂装置。提拉缆绳33构成为能够通过提拉驱动部的驱动进行旋转。该提拉缆绳33通过由控制部进行的提拉驱动部的控制而以规定的提拉速度上升。

隔热筒34配置成包围坩埚31及加热部32的周围。

屏蔽件36为阻隔从加热部32朝向上方放射的辐射热的热屏蔽用屏蔽件。

掺杂装置用于使固体状态的作为掺杂剂的红磷挥发并掺杂即添加到坩埚31内的硅熔体4中而生成掺杂剂添加熔体41。另外，作为掺杂装置，能够适用将筒状部的下端部浸渍于硅熔体4中而将红磷添加到硅熔体4中的结构、或通过使筒状部的下端部与硅熔体4隔开并将挥发的红磷喷吹附至硅熔体4而将红磷添加到硅熔体4中的结构。

控制部根据工作人员的设定输入适当地控制腔室30内的气体流量、炉内压力、提拉缆绳33的提拉速度来进行制造单晶6时的控制。

〔单晶的制造方法〕

接着，对使用单晶提拉装置1制造单晶6的方法的一例进行说明。另外，本实施方式中，对制造直体部的长度为860mm且直径为200mm的单晶的方法进行说明。

首先，参考图4对通过所谓的多次提拉法制造单晶6的方法进行说明，所述多次提拉法中，利用同一个石英坩埚311，且每当提拉单晶6时装入多晶硅材料411而提拉多根单晶6。另外，简略图示图3的石英坩埚311。

在此，如图3及图4所示，作为初期阶段，设置有放入了80kg多晶硅材料的石英坩埚311的单晶提拉装置1通过控制部的控制对多晶硅材料进行加热而使其熔解之后，使腔室30内的气体流量及炉内压力成为规定的状态，并向硅熔体4中添加作为挥发性掺杂剂的红磷而生成掺杂剂添加熔体41。

另外，红磷的添加量为使从单晶6中切出的硅晶片的电阻率成为0.6mΩ·cm以上且1.0mΩ·cm以下的量。并且，为了抑制外延硅晶片的错配位错，也可以与红磷一同添加锗。当添加锗时，红磷及锗的添加量可以是使硅晶片的电阻率成为1.2mΩ·cm以下的量。

然后，单晶提拉装置1的控制部根据工作人员的设定输入将籽晶浸渍于熔体中之后，以规定的提拉速度进行提拉而制造单晶6。

在提拉该籽晶时，控制部使单晶6中颈部形成工序、肩部形成工序、直体部形成工序、尾部形成工序、冷却工序中至少直体部形成工序中的提拉时间短于以往来制造尺寸比以往单晶短的单晶6。

具体而言，如图3中实线所示，在形成颈部61之后，将从坩埚31内部的最下部至掺杂剂添加熔体41的表面41A为止的距离设为H(mm)，将掺杂剂添加熔体41的表面41A的半径设为R(mm)，在满足上式(1)的状态下，开始形成如图3中双点划线所示的肩部62。在形成肩部62之后，如图3中双点划线及图4所示，形成直体部63、尾部64。

另外，除提拉时间以外的条件，例如基于加热部32的加热条件可以与以往相同。并且，使用22英寸的坩埚31的本实施方式中，在开始形成肩部62时，将超过37kg(H/R＝0.4)且小于95kg(H/R＝0.78)的掺杂剂添加熔体41容纳于坩埚31中。

通过以上工序，能够制造电阻率低至0.6mΩ·cm以上且1.0mΩ·cm以下并且位错化的发生得到抑制的单晶6。

并且，在一根单晶6的制造结束之后，如图4所示，单晶提拉装置1中，将用于生成80kg掺杂剂添加熔体41的材料411(硅、红磷(、锗))投入到石英坩埚311中，设为在开始形成肩部62时满足上式(1)的状态之后，制造下一根单晶6。

在此，单晶提拉装置1的控制部优选在等待取出除最后制造的单晶6以外的单晶6而进行冷却的期间(冷却工序期间)将炉内压力调整为13.3kPa(100torr)以上且60kPa(450torr)以下。当炉内压力小于13.3kPa时，作为挥发性掺杂剂的红磷发生蒸发，导致接下来制造的单晶6的电阻率上升。另一方面，当炉内压力超过60kPa时，蒸发物容易附着于腔室30内，会阻碍单晶6的单晶化。

由如此制造出的单晶6得到的硅晶片的电阻率成为0.6mΩ·cm以上且1.0mΩ·cm以下。

〔其他实施方式〕

另外，本发明并不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内能够进行各种各样的改良及设计的变更等。

例如，可以不通过如图4所示的多次提拉法，而是通过所谓的提取提拉法制造单晶6，在所述提取提拉法中，如图5所示，使用单晶提拉装置1，利用同一个石英坩埚311且一次性装入相当于多根量的掺杂剂添加熔体41而一根一根地提拉多根单晶6。

在此，单晶提拉装置1的控制部在制造2根单晶6时，提拉第1根单晶之后，优选在等待取出而进行冷却的期间(冷却工序期间)将炉内压力调整为13.3kPa以上且60kPa以下。优选如此调整炉内压力的原因与前述实施方式的多次提拉法的原因相同。

另外，即使在进行多次提拉法的情况下，在提拉最后的单晶时也无需追加原料而能够适用上述提取提拉法。

例如，能够适用如下方法：作为初期阶段，在开始形成肩部62时，装入掺杂剂添加熔体41以使H/R＝0.68之后连续3次提拉直体部的长度为400mm的单晶6。通过这种方法，也能够制造电阻率低至0.6mΩ·cm以上且1.0mΩ·cm以下且位错化的发生得到抑制的直径为200mm的单晶。

并且，作为添加到硅熔体4中的掺杂剂，可以适用使直体部63的上端63A的电阻率成为2.0mΩ·cm以下的量的砷，也可以适用使直体部63的上端63A的电阻率成为15mΩ·cm以下的量的锑。

单晶的直径可以超过200mm，也可以小于200mm。

当使用32英寸、18英寸、16英寸的坩埚31时，为了满足上式(1)，在开始形成肩部62时，可以将以下量的掺杂剂添加熔体41容纳于坩埚31中。

使用32英寸的坩埚31时

超过118kg(H/R＝0.4)且

小于300kg(H/R＝0.78)的量

使用18英寸的坩埚31时

超过19kg(H/R＝0.4)且

小于52kg(H/R＝0.78)的量

使用16英寸的坩埚31时

超过14kg(H/R＝0.4)且

小于36kg(H/R＝0.78)的量。

符号说明

1-单晶提拉装置，6-单晶，30-腔室，31-坩埚，33-作为提拉部的提拉缆绳，41A-表面，41-掺杂剂添加熔体，62-肩部，63-直体部。

Claims (1)

1.一种利用切克劳斯基法的单晶的制造方法，其利用单晶提拉装置，所述单晶提拉装置具备：

腔室；

坩埚，配置于该腔室内且能够收纳在硅熔体中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔体；及

提拉部，使籽晶与所述掺杂剂添加熔体接触之后进行提拉，

所述单晶的制造方法具备：

肩部形成工序，形成所述单晶的肩部；及

直体部形成工序，形成所述单晶的直体部，

所述单晶的制造方法的特征在于，

将能够制造多根单晶的量的所述掺杂剂添加熔体容纳于所述坩埚中，在未向所述坩埚中追加硅原料及所述掺杂剂的状态下一根一根地制造所述多根单晶时，

将从所述坩埚的内部的最下部至所述掺杂剂添加熔体的表面为止的距离设为H（mm），将所述掺杂剂添加熔体的表面的半径设为R（mm），在满足下式（1）的状态下，开始形成各单晶的所述肩部，

0.4＜H/R＜0.78 ……（1）

其中所述掺杂剂为红磷、砷、锑或红磷和锗，

所述掺杂剂为红磷时，

所述掺杂剂添加熔体中添加有所述红磷，以使各单晶的所述直体部的上端的电阻率成为1.0mΩ･cm以下，

所述掺杂剂为砷时，

所述掺杂剂添加熔体中添加有所述砷，以使各单晶的所述直体部的上端的电阻率成为2.0mΩ･cm以下，

所述掺杂剂为锑时，

所述掺杂剂添加熔体中添加有所述锑，以使各单晶的所述直体部的上端的电阻率成为15mΩ･cm以下，

所述掺杂剂为红磷和锗时，

所述掺杂剂添加熔体中添加有所述红磷和所述锗，以使各单晶的所述直体部的上端的电阻率成为1.2mΩ･cm以下。