CN108505111B

CN108505111B - 单晶的制造方法

Info

Publication number: CN108505111B
Application number: CN201710108491.5A
Authority: CN
Inventors: 细田浩二; 古川纯
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2037-02-27
Also published as: CN108505111A

Abstract

本发明提供一种单晶的制造方法，其为一种利用在供给有惰性气体的腔室(11)内配置坩埚(15)及气体整流筒(17)的单晶提拉装置(10)，依据切克劳斯基法从坩埚内的半导体熔融液(L)提拉半导体单晶(C)的方法，其中，气体整流筒的下端邻近配置在半导体熔融液表面，气体整流筒的内表面朝向下方缩径，气体整流筒的内表面下端成为最邻近半导体单晶表面的大致圆周状最邻近部(17b)，并且进行了倒角，调整在最邻近部与半导体单晶之间流动的惰性气体的流速来控制晶体中的氧浓度。

Description

单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及一种单晶制造方法，涉及一种利用CZ法(切克劳斯基法)由储存在坩埚中的半导体熔融液制造半导体单晶的方法的适宜的技术。

背景技术

以往，作为使硅(Si)或砷化镓(GaAs)等半导体单晶生长的方法之一，已知有利用CZ法的单晶提拉装置。该单晶提拉装置在配设于腔室内部的碳感受器上的石英坩埚内储存半导体熔融液，且由配置在石英坩埚周围的圆筒状加热器以规定温度加热控制该半导体熔融液，并从该半导体熔融液提拉半导体单晶。

并且，该单晶提拉装置中具备有配置在加热器周围的圆筒状保温筒、及经由上环安装在该保温筒上部且同轴配置在石英坩埚上方的大致圆筒状气体整流筒。该气体整流筒阻断朝向半导体单晶的辐射热，并且使供给在腔室内的氩气通过并喷吹在半导体熔融液上，而吹走从半导体熔融液L产生的SiO₂。以往的气体整流筒形成为内径朝向下方逐渐缩小的锥形。

专利文献1：日本特开平8-26890号公报

但是，上述以往技术中存在如下课题。即，晶体生长时，氩气通过气体整流筒内从其下端朝向半导体熔融液表面喷吹，并且从半导体熔融液上向石英坩埚的半径方向外侧流过，以往的气体整流筒中存在如下情况，即其下端附近在氩气流中容易产生紊乱，因此半导体熔融液表面晃动，晶体生长紊乱而产生晶体的位错化。

并且，欲提拉固溶的氧量较少的单晶、即成为低氧浓度[Oi]的单晶时，有时会使较多氩气流向炉内，但这种情况下，容易产生上述位错化等，所以要求抑制位错化并提高低氧浓度单晶的成品率。

并且，提拉成为规定氧浓度的单晶时，准备规定形状的气体整流筒，且按照目标氧浓度对其进行更换，但存在交换工作繁琐且费时，加上成为位错化原因的粉尘等可能附着在腔室内部的问题。因此，要求无需进行交换工作，即可对应较宽氧浓度范围的单晶进行提拉。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，其提供一种通过抑制氩气流中的紊乱的产生，而防止单晶的位错化并提高单晶的成品率，并且可进行对应较宽氧浓度范围、尤其低氧浓度的单晶的提拉的单晶制造方法。

本发明的单晶制造方法为一种利用在供给有惰性气体的腔室内配置坩埚，且配置大致圆筒状气体整流筒的单晶提拉装置，依据切克劳斯基法从所述坩埚内的半导体熔融液提拉半导体单晶的方法，所述大致圆筒状气体整流筒在所述坩埚的上方与该坩埚同轴配置且使所述惰性气体流通并引导至所述半导体熔融液表面，其中，

所述气体整流筒的下端邻近配置在所述半导体熔融液表面，

所述气体整流筒的内表面朝向下方缩径，所述气体整流筒的内表面下端成为最邻近所述半导体单晶表面的最邻近部并且进行了倒角，

通过调整在所述最邻近部与所述半导体单晶之间流动的惰性气体的流速来控制晶体中的氧浓度，从而解决上述课题。

本发明的单晶制造方法中，能够将所述最邻近部与所述半导体单晶之间的所述惰性气体的流速设在2.9m/s～8.2m/s范围内。

根据本发明的单晶制造方法，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～10.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的单晶。

根据本发明的单晶制造方法，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～4.5×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的低氧浓度的单晶。

本发明的单晶制造方法中，能够将所述最邻近部与所述半导体单晶之间的所述惰性气体的流速设在4.9m/s～8.2m/s范围内。

根据本发明的单晶制造方法，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～2.1×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的极低氧浓度的单晶。

本发明的单晶制造方法中，能够提拉φ200mm～450mm的单晶。

所述气体整流筒的下端邻近配置在所述半导体熔融液表面，

调整在所述最邻近部与所述半导体单晶之间流动的惰性气体的流速来控制晶体中的氧浓度，由此，由于气体整流筒的内表面下端进行了倒角，所以惰性气体通过气体整流筒内从气体整流筒内侧喷吹在半导体熔融液表面时，在进行了倒角的气体整流筒的内表面下端附近，不易产生气流的紊乱，且惰性气体顺畅地流动，所以能够防止产生半导体熔融液的液面振动等，从而防止因单晶的位错化引起的单晶成品率的下降。

其中，通过控制所述最邻近部与所述半导体单晶之间的水平方向距离T，能够调整在所述最邻近部与所述半导体单晶之间流动的惰性气体的流速。

并且，作为惰性气体能够采用氩气等。

本发明的单晶制造方法中，通过将所述最邻近部与所述半导体单晶之间的所述惰性气体的流速设在2.9m/s～8.2m/s范围内，能够将单晶中所含的氧浓度控制在所需范围内。

本发明的单晶制造方法中，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～10.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的单晶。

本发明的单晶制造方法中，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～4.5×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的低氧浓度的单晶。

本发明的单晶制造方法中，能够提拉氧浓度Oi在0.9×10¹⁷atoms/cm³～2.1×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的极低氧浓度的单晶。

本发明的单晶制造方法中，能够提拉φ200mm～450mm的单晶。

本发明的单晶制造方法中，所述气体整流筒的内表面下端进行了倒角，

在所述气体整流筒的下端面，径向内侧位置成为高度方向的最底部，从该最底部朝向径向外侧向上方倾斜形成，

气体整流筒的下端面从半径方向内侧向半径方向外侧朝向上方倾斜形成，因此下端面与半导体熔融液表面之间的气体的流路宽度越靠近半径方向外侧变得越宽，通过气体整流筒内而喷吹在半导体熔融液表面的惰性气体能够向半径方向外侧顺畅地流出，因此能够防止因单晶的位错化而引起的单晶成品率的下降，同时设为较高的气体流速，且能够将包含在所提拉的单晶中的氧浓度控制在所需范围内。

发明效果

根据本发明，具有如下效果，即防止产生惰性气流的紊乱，而防止因位错化等的产生引起的单晶的成品率下降，同时能够设为提拉低氧晶体时所需的高速气流，从而能够将包含在所提拉的单晶中的氧浓度控制在所需范围内。

附图说明

图1是表示本发明的单晶制造方法的第1实施方式中，用于提拉单晶的单晶提拉装置的正剖视图。

图2是表示本发明的单晶制造方法的第1实施方式中，用于提拉单晶的单晶提拉装置的气体整流筒的放大正剖视图。

图3是表示本发明的单晶制造方法的第1实施方式中所提拉的单晶的氧浓度与气体流速的关系的曲线图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的单晶制造方法的第1实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式中的单晶提拉装置的正剖视图，图2是表示本实施方式中的单晶提拉装置的气体整流筒的放大正剖视图，在图中，符号10为单晶提拉装置。

本实施方式中的单晶提拉装置10提拉φ200mm～φ300mm～φ450mm的单晶，如图1所示，在作为中空气密容器的腔室11内分别配置有与该腔室11的中央底部垂直立设且可上下移动的轴12、载置在该轴12上的碳制感受器13、支承于该感受器13且储存作为硅熔融液的半导体熔融液L的石英(SiO₂)制坩埚14、在该坩埚14的外周远离规定距离配置的加热器15及配置在该加热器15周围的保温筒16。

并且，具备有在坩埚14的上方与该坩埚14同轴配置的大致圆筒状气体整流筒17及安装在保温筒16的上部并支承气体整流筒17的圆环状上环。所述坩埚14构成为通过旋转驱动源12a以轴12的轴线为中心在水平面上以规定的角速度旋转。所述加热器15在坩埚14内加热/溶解硅原料，并且对所产生的半导体熔融液L进行保温，一般使用电阻加热式加热器。并且，在腔室11的外侧周围设有磁场施加机构18，并且成为能够向半导体熔融液L施加水平磁场或者会切磁场。

所述保温筒16由包含碳纤维(Carbon fiber)的保温材料形成，在其内侧面铺有作为支承板的碳板。并且，从腔室11上部，提拉钢线W升降自如且旋转自如地悬挂，该提拉钢线W的下端部固定有硅的晶种。另外，在腔室11的上部也可以设有用于观察半导体单晶C的提拉状况的透明窗部。

所述气体整流筒17为内径朝向下方逐渐缩小的锥形圆筒部件，其上端凸缘部经由上环固定在保温筒16的上部。该气体整流筒17阻断生长时朝向半导体单晶C的辐射热，并且使从腔室11上端的气体导入口11a供给的氩气(惰性气体)通过并喷吹在半导体熔融液L上，而吹走从半导体熔融液L产生的SiO₂。另外，包含吹走的SiO₂的氩气从腔室11下端的气体排出口11b依次排出至外部。

并且，如图1及图2所示，气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b邻近配置在半导体熔融液L表面，并且倒角成圆形。另外，本实施方式中，内表面下端17b的倒角形状的曲率R设定为12mm(纵剖面)，但是按照氩气的流量或气体整流筒17的内径以及配置等条件，曲率R优选设定在3～30mm范围内。

另外，气体整流筒17的下端面17c从半径方向内侧朝向半径方向外侧向上方倾斜形成。另外，本实施方式中，将水平面与下端面17c的倾斜角θ设定为30°，但优选设定在10～45°范围内。并且，气体整流筒17由包含碳纤维的保温材料形成，并且由碳板覆盖其表面。而且，在气体整流筒17的下端部17d与气体整流筒17内表面设置有比气体整流筒17的上部更厚的保温材料。

另外，上述保温筒16的保温材料16a及气体整流筒17的保温材料为碳纤维，因此可得到保温性或耐热性优异，且轻量的保温筒16及气体整流筒17。作为保温材料，除上述碳纤维以外，作为导热率较低的材料，采用玻璃纤维等也无妨。并且，在保温筒16的碳板、气体整流筒17的下端面17c及内表面下端(最邻近部)17b中的碳板也可实施SiC或热解碳等涂层。

并且，在气体整流筒17的内侧围设有作为冷却机构的水冷管19，另外还能够积极进行单晶提拉时的冷却。

在该单晶提拉装置10中进行单晶生长时，首先从气体导入口11a供给氩气(惰性气体)，并且对加热器15通电而熔融坩埚14内的硅原料来作为半导体熔融液L，并且调整加热器15的电力而将半导体熔融液L的中央液面附近保持为单晶生长温度。接着，使通过提拉钢线W悬挂的晶种下降并浸透到半导体熔融液L中后，一边旋转晶种一边提拉，通过所谓的颈缩进行无位错化，之后，一边使坩埚14和提拉钢线W相互反向旋转，一边提拉半导体单晶C而使其生长。此时，根据提拉条件，还能够通过磁场施加机构18施加磁场，或通过使制冷剂(冷却水)在水冷管19中循环而进行积极的冷却。

此时，如图2的箭头所示，导入到腔室11内的惰性气体(氩气)通过单晶C与气体整流筒17之间，通过单晶C的外表面与气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b开口边部之间的间隙，且通过气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b与半导体熔融液L表面之间，并沿坩埚14的内表面向上流动，向坩埚14外脱离后，沿感受器13的外表面在加热器15的内侧(一部分为外侧)下降并从气体排出口11b(参考图1)排出。

通过该气流，从石英坩埚14融入半导体熔融液L中的氧气的一部分作为SiO挥发并带出到腔室11外。

本实施方式中，气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b邻近配置在半导体熔融液L表面并且进行了倒角，因此氩气通过气体整流筒17内并从内表面下端(最邻近部)17b喷吹到半导体熔融液L表面时，由于在进行了倒角的内表面下端(最邻近部)17b没有角部，因此不易产生气流的紊乱，氩气顺畅地流动。并且，气体整流筒17的下端面17c从半径方向内侧向半径方向外侧向上方倾斜形成，因此下端面17c与半导体熔融液L表面之间的气体的流路宽度越靠近半径方向外侧变得越宽，喷吹在半导体熔融液L表面的氩气向半径方向外侧顺畅地流出。

另外，在气体整流筒17的下端部17d与气体整流筒17的内表面之间设置有比气体整流筒17的上部更厚的保温材料，因此半导体熔融液L附近的保温性提高，并且上下方向上的单晶的温度梯度变大，因此能够提高提拉速度。

另外，根据保温性的提高，固液界面上方的晶体的径向温度分布呈均匀化，所以能够提拉品质较高的晶体。尤其，近年来，将固液界面上的生长轴向的晶体温度梯度设为G，提拉速度设为V时，通过控制V/G可进行控制晶体内部的空孔或晶格间硅的分布状态。另外，通过减小晶体的中心部与外周部的晶体温度梯度G之差ΔG，能够制造遍及晶体径向具有均质的缺陷分布或均质的无缺陷分布(例如，不存在空隙缺陷及位错群缺陷的单晶)的单晶。本实施方式中，固液界面上方的保温性提高，所以晶体的径向温度分布呈均匀化且ΔG降低，从而能够遍及晶体径向方向设为均质的缺陷分布。

并且，本实施方式中，提拉时，能够通过改变由半导体单晶C的外表面与作为气体整流筒17的开口边部的内表面下端(最邻近部)17b之间的距离T计算的水平方向的空隙面积、或者供给到腔室11的氩气的流量，由此调整所述空隙中的气体流速，控制晶体中的氧浓度。

具体而言，如图2所示，通过改变距离T或者供给到腔室11的氩气的流量，将惰性气体的流速设在2.9m/s～8.2m/s范围内，由此能够制造氧浓度Oi设在0.9×10¹⁷atoms/cm³～4.5×10¹⁷atoms/cm³(ASTM F-121(1979))范围内的低氧浓度的单晶。另外，通过调整坩埚转速，能够将氧浓度Oi的范围至少扩大至10.8×10¹⁷atoms/cm³。

其中，惰性气体的流速是指通过供给到腔室11的氩气的流量及通过距离T规定的半导体单晶C的外表面与气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b之间的水平面的面积而机械地计算出，未考虑因源自半导体熔融液L的加热而引起的氩气的膨胀。

距离T设定为较大时，或者将供给到腔室11的氩气流量设定为较少时，氩气流速比较小，且通过半导体单晶C的外表面与气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b的空隙的氩气中大部分不会到达至晶体生长弯液面附近的半导体熔融液L表面。

相对于此，距离T设定为较小时，或者将供给到腔室11的氩气流量设定为较多时，半导体单晶C的外表面与气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b的空隙中的氩气的流速变得较大，因此通过空隙的氩气中大部分到达至晶体生长弯液面附近的半导体熔融液L表面的最近处，之后，通过半导体熔融液L表面的附近。因此，此时能够增加作为SiO而带走的氧量。

另外，如图2所示，通过控制最底部(内表面下端)17b与半导体熔融液L表面的铅垂方向距离Gap，并调整在半导体熔融液L表面向径向外侧流动的惰性气体的流速，由此能够进一步精密地控制晶体中的氧浓度。

本实施方式中，气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b临近配置在半导体熔融液L表面并且进行了倒角，因此惰性气体从气体整流筒17的内表面下端(最邻近部)17b喷吹到半导体熔融液L表面时，不易产生气流的紊乱，且惰性气体顺畅地流动，所以能够降低对位错化等晶体生长的影响，且能够提高单晶的成品率。

另外，气体整流筒17的下端面17c从半径方向内侧向半径方向外侧向上方倾斜形成，因此喷吹在半导体熔融液L表面的惰性气体能够向半径方向外侧顺畅地流出，能够进一步抑制发生气流的紊乱。

在气体整流筒17的下端部17d与气体整流筒17的内表面之间设置有比气体整流筒17的上部更厚的保温材料，因此能够提拉生长高品质的半导体单晶C。尤其，能够制造不存在空隙缺陷及位错群缺陷的低氧浓度单晶，且能够制造适合用于高性能设备或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)的单晶。

另外，IGBT为适合控制大功率的栅极电压驱动式开关元件，使用于电车、电动汽车、混合驱动汽车、空调设备、冰箱等的逆变器等中。IGBT是沿纵向(厚度方向)使用晶圆的元件，所以其特性被晶圆的批量品质影响。因此，不存在空隙缺陷及位错群缺陷的低氧浓度的晶圆优选作为IGBT用晶圆。

根据本实施方式，能够制造出充分低氧且φ200mm以上的单晶，所述单晶能够制造不存在空隙缺陷及位错群缺陷的具有批量品质的晶圆。

并且，上下方向上的晶体温度梯度变大，所以能够提高提拉速度V，能够通过将V/G控制在所需范围内来控制晶体品质，并且能够提高生产率。

实施例

以下，对本发明的实施例进行说明。

<实施例>

通过改变供给到腔室11内的氩气的流量，改变提拉单晶的外表面与气体整流筒的内表面下端(最邻近部)的间隙(水平方向距离T)中的氩气流速，而对作为实施例1～5的硅单晶(φ200mm)进行提拉的试验，测定吸入到硅单晶的氧浓度。并且，此时，在对硅熔融液施加磁场的状态下进行了提拉。另外，作为实施例6改变坩埚转速而进行了提拉试验。

将氩气的流速(Ar流速)、坩埚转速、提拉单晶的氧浓度等一并示于表1及图3。

[表1]

其中，作为单晶部位，从凝固率为40％～60％的区域采取样品，并利用FT-IR法(傅里叶变换红外光谱法)测定氧浓度(Old ASTM表示(ASTM F-121(1979)))。并且，以晶体提拉两次量的氧浓度平均值表示。

无位错结晶率是“以无位错制造出的单晶的重量(kg)÷填充在坩埚中的原料重量(kg)”。进行两次晶体提拉，两次无位错结晶率的平均值为80％以上时为○，小于80％时为×。

从这些结果可知，如本发明，通过以增加氩气流速的方式进行控制，氧浓度下降。

尤其，可知实施例1～5所示的低氧的单晶能够适用于IGBT，本发明中能够以高成品率轻松制造如上品质的单晶。

并且，从实施例6的结果可知，对于成为一般氧浓度的单晶，即便气体条件为高流速条件，通过应用将坩埚转速设为高旋转的条件，也可获得高氧浓度的晶体，即，能够任意控制晶体中的氧浓度。

单晶的氧浓度受若干提拉条件的影响。因此可知，通过选定规定的提拉条件，能够将单晶的氧浓度从低氧控制到高氧，但本发明为进一步显著降低通过坩埚转速而下降的单晶的氧浓度，从而获得高成品率且低氧浓度的单晶的有效技术。

符号说明

10-单晶提拉装置，11-腔室，12-轴，13-感受器，14-坩埚，15-加热器，16-保温筒，17-气体整流筒，17b-内表面下端(最邻近部)，17c-下端面，17d-下端部，C-半导体单晶，W-钢线，L-半导体熔融液。

Claims

1.一种单晶制造方法，其为一种利用在供给有惰性气体的腔室内配置坩埚，且配置大致圆筒状气体整流筒的单晶提拉装置，依据切克劳斯基法从所述坩埚内的半导体熔融液提拉半导体单晶的方法，所述大致圆筒状气体整流筒在所述坩埚的上方与该坩埚同轴配置且使所述惰性气体流通并引导至所述半导体熔融液表面，其特征在于，

所述气体整流筒的下端邻近配置在所述半导体熔融液表面，

在前述气体整流筒的外周面的下端部与前述气体整流筒的内表面之间设置有比前述气体整流筒的上部更厚的保温材料，

所述气体整流筒的下端面从半径方向内侧朝向半径方向外侧沿上方倾斜形成，

水平面与下端面的倾斜角θ为10～45°，

倒角形状的曲率R为3～30mm，

调整在所述最邻近部与所述半导体单晶之间流动的惰性气体的流速来控制晶体中的氧浓度。

2.根据权利要求1所述的单晶制造方法，其特征在于，

将所述最邻近部与所述半导体单晶之间的所述惰性气体的流速设在2.9m/s～8.2m/s范围内。

3.根据权利要求2所述的单晶制造方法，其特征在于，

提拉氧浓度Oi依据ASTM F-121（1979）标准在0.9×10¹⁷atoms/cm³～10.8×10¹⁷atoms/cm³范围内的单晶。

4.根据权利要求2所述的单晶制造方法，其特征在于，

提拉氧浓度Oi依据ASTM F-121（1979）标准设在0.9×10¹⁷atoms/cm³～4.5×10¹⁷atoms/cm³范围内的单晶。

5.根据权利要求1所述的单晶制造方法，其特征在于，

将所述最邻近部与所述半导体单晶之间的所述惰性气体的流速设在4.9m/s～8.2m/s范围内。

6.根据权利要求5所述的单晶制造方法，其特征在于，

提拉氧浓度Oi依据ASTM F-121（1979）标准在0.9×10¹⁷atoms/cm³～2.1×10¹⁷atoms/cm³范围内的单晶。

7.根据权利要求3、4或6中任一项所述的单晶制造方法，其特征在于，

提拉直径为200mm～450mm的单晶。