CN110036143A - 单晶硅制造方法以及单晶硅晶片 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种单晶硅制造方法，当对原料融液施加磁场并利用切克劳斯基法提拉单晶硅时，设定单晶硅的提拉直径为300mm以上，设定单晶硅的生长轴取向为＜111＞，设定单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D‑(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长。由此，能够制造宏观上的RRG分布及微观上的电阻率变动良好的＜111＞结晶。

Description

单晶硅制造方法以及单晶硅晶片
技术领域
本发明涉及一种通过施加了磁场的切克劳斯基法来制造大口径＜111＞单晶硅的方法、以及单晶硅晶片。
背景技术
由于Si晶体管的基于精细化/高集成化的性能提高正在接近极限，希望通过将载流子迁移率优于Si的Ge、III-V族化合物半导体用作沟道材料的下一代晶体管来大幅度地提高性能。
与在地壳中存在有27.7％的Si不同，这些下一代的沟道材料资源量较少，Ge为1.8ppma，Ga、As分别为18ppma、1.5ppma，除此之外，GaAs等的化合物半导体脆弱易坏、热传导较差也是工业应用中的技术问题之一。
针对这些技术问题，在资源量丰富、廉价、高品质且广泛用于电子设备的Si基板上配置Ge、GaAs等的异质结构是一种有效的解决方案。
但是，当在Si基板上形成这些异质原子层时存在如下的问题：(1)由于晶格常数不匹配而导入错配位错；(2)由于热膨胀率差导致的膜内部热应变引起的残余应力、位错、晶片翘曲；以及，(3)由于无极性的Si与由异种元素构成的具有极性的III-V族的极性差导致的Anti-phase domain(反相位区域)的产生等。
关于这些问题中的错配位错，已知通过被称为生长区域选择生长的方法，能够显著地抑制生长的异质原子层中的位错，该方法为在Si基板上使用SiO2等进行覆盖并从局部地露出的Si基板面进行生长。
关于热膨胀率差，已知通过使生长温度低温化而能够减轻其影响，但是由于低温化而存在结晶性变差的缺点。因此，为了使Si与异质原子层分离而消除热膨胀所造成的相互影响，针对该问题，在由SiO2等形成的图案内部进行生长的方法、或者通过图案进行横向生长的方法也是有效的。
但是，虽然这些方法能够显著抑制热膨胀率的影响，但是却无法避免图案内的生长面上的热膨胀率差的影响。另外，一个有益的方面为，沟道部中导入应变会提高载流子迁移率。因此优选晶片自身牢固并且能够抑制位错、晶片翘曲。关于这一点，Si(111)面较之于其它的面取向具有优越性，这是因为Si(111)面是最密面且机械强度最高并能够抑制位错、晶片翘曲。
关于Anti-phase domain，已知通过使基板表面具有偶数原子台阶而能够进行抑制，如果是在(100)基板上生长的情况，则使用偏角基板等方法是有效的。关于这一点，由于Si(111)面本来就是两原子层台阶，因此也不需要进行偏角的调整等。
这样，在使高载流子迁移率材料在Si基板上进行异质外延生长的异质结构中，相对于Si的其它面取向而言，Si(111)面在可抑制热膨胀率差所引起的位错、晶片翘曲的机械强度、以及可抑制Anti-phase domain的表面两原子层台阶方面具有优越性。
如上所述，作为下一代沟道材料的异质外延用基板，Si(111)面具备优越性。但是，在将当前为主流的Si作为沟道材料的MOS晶体管中，Si(111)-SiO2界面的界面能级妨碍MOS晶体管的高速动作，因此未使用从结晶取向为＜111＞的单晶硅切出的单晶硅晶片(以下也称为(111)硅晶片)。因此，作为能够应用高成品率的先进的精细化技术的300mm以上的大口径硅晶片，没有在工业上实际应用(111)硅晶片的例子，就单晶硅制造的现状而言，也没有关于具有300mm以上的大口径的结晶取向为＜111＞的单晶硅(以下也称为＜111＞结晶)的生长例的报告。
因此，关于(111)硅晶片的面内品质，没有针对以精细的设计规则构成的先进设备充分地进行研究。
关于以往的(111)硅晶片的面内品质，例如由非专利文献1可知，如果固液生长界面的形状平坦而接近(111)面，则会发生侧向生长(小面生长)。由于在面内包含这样的侧向生长部(日语：沿面成長部)，因而会如非专利文献2所示那样，与(100)硅晶片相比，在(111)硅晶片中，电阻率面内分布(RRG)变差。
由于作为该＜111＞结晶生长时的特征的侧向生长、和与该侧向生长相伴的RRG分布的变差，在现有技术中均尝试避免侧向生长。
例如，在专利文献1中公开了一种技术：通过使结晶旋转为变速旋转来促进结晶旋转所引起的固液生长界面附近的对流，以避免侧向生长，在专利文献2中公开了一种技术：通过使生长轴从＜111＞倾斜1～6°进行偏移来避免侧向生长，在专利文献3中公开了一种技术：利用在坩埚内熔融层的下层形成固体层的DLCZ(Double Layer CZ：双层CZ)法来避免侧向生长。
专利文献1所记载的通过促进结晶旋转所引起的对流来避免侧向生长的方法，虽然对于宏观上的分布有所改善，但是容易在固液界面部发生由于对流所引起的温度变动，会导致微观上的分布变差。另外，就专利文献2的方法而言，由于会发生沿着倾斜的(111)面的侧向生长，因此改善效果较小。与此相对，在专利文献3中通过DLCZ法使固液界面平坦化，但是如专利文献4所示那样，DLCZ法存在微观上的电阻率分布变差的缺点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开平成05-208892号公报
专利文献2：日本专利公开平成11-186121号公报
专利文献3：日本专利公开平成07-277870号公报
专利文献4：日本专利公开平成06-263583号公报
非专利文献
非专利文献1：宫泽信太郎编(2002)，熔融生长的动力学，共立出版
非专利文献2：Simura(1989)，Semiconductor silicon crystal technology(半导体硅晶技术)，ACADEMIC PRESS.INC.
发明内容
(一)要解决的技术问题
在利用使用了下一代沟道材料的异质外延晶片的最先进设备中，通过使用ArF液浸、EUV的光刻技术形成纳米级的极精细的图案，因此对于电阻率、晶格间氧原子而言，宏观上和微观上的均匀性都很重要。但是，如上所述，关于＜111＞结晶生长的微观上的分布的均匀化，还没有出现有效的技术。
本发明针对上述问题而完成，目的在于提供一种单晶硅的制造方法，其能够制造宏观上的RRG分布(面内电阻率分布)及微观上的电阻率变动良好的大口径＜111＞结晶。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种单晶硅制造方法，其特征在于，当对原料融液施加磁场并利用切克劳斯基法提拉单晶硅时，设定所述单晶硅的提拉直径为300mm以上，设定所述单晶硅的生长轴取向为＜111＞，设定所述单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定所述原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定所述单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行所述单晶硅的生长。
通过以满足上述关系的方式使结晶生长，从而能够促进(111)侧向生长，并使结晶面内的直径的七成以上进行侧向生长。在这样的促进侧向生长的条件下，能够制造良好的直径为300mm以上的大口径＜111＞单晶硅，其宏观上的RRG分布及微观上的电阻率的变动小。
优选地，在本发明的单晶硅制造方法中，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞1的关系的方式进行所述单晶硅的生长。
由此，能够进一步促进(111)侧向生长，并使结晶面内整面进行侧向生长。在这样的＜111＞单晶硅中，宏观上的RRG分布更加良好，并且微观上的电阻率变动良好。
优选地，在本发明的单晶硅制造方法中，设定产品采取直径为Dp[mm]，在0.7＜1096/Dp-(0.134×M+80×R)/Dp＜1的情况下，设定所述提拉直径D为Dp/{1096-(0.134×M+80×R)}。
如果是这样的提拉直径，则能够从通过本发明的方法制造的＜111＞结晶获得晶片整面为侧向生长部的(111)硅晶片。
此时，优选地，设定所述施加的磁场为水平磁场。
如果设定施加的磁场为水平磁场，则能够高效地抑制硅融液的纵向对流，控制结晶周边部的氧蒸发量，大口径单晶的制造也会比较容易。
另外，本发明提供一种(111)单晶硅晶片，晶片面内的七成以上由(111)侧向生长部构成，晶片直径为300mm以上。
如果是这样的(111)硅晶片，则宏观上的RRG分布良好，并且在侧向生长部，晶片表面的微观上的电阻率变动良好。
(三)有益效果
如上所述，采用本发明的单晶硅制造方法，通过促进(111)侧向生长，并使结晶面内的直径的七成以上进行侧向生长，从而能够制造直径为300mm以上的大口径＜111＞单晶硅，其宏观上的RRG分布及微观上的电阻率变动良好。另外，如果是从利用本发明的方法制造的单晶硅得到的(111)硅晶片，则晶片面内的七成以上由(111)侧向生长部构成，因此宏观上的RRG分布及微观上的电阻率变动良好。而且，这样的硅晶片的面取向是(111)，因此作为采用了具有高载流子迁移率的Ge、III-V族化合物半导体等下一代沟道材料的异质外延用基板是有利的。
附图说明
图1是表示能够实施本发明的单晶硅制造方法的结晶制造装置的一例的概要图。
图2是表示利用MCZ法使＜111＞单晶硅在融液表面的中心磁场强度恒定的条件下生长时的(111)侧向生长直径与结晶旋转速度以及中心磁场强度的关系的图表。
图3是表示利用MCZ法使＜111＞单晶硅在结晶旋转速度恒定的条件下生长时的(111)侧向生长直径与中心磁场强度以及结晶旋转速度的关系的图表。
图4是表示在本发明的实施例中制造的单晶硅的侧向生长部的XRT图像及面内电阻率分布的一例的图表。
图5是表示在本发明的实施例及比较例中，将侧向生长直径比率作为纵轴，并将1096/D-(0.134×M+80×R)/D的值作为横轴来进行图示的图表。
图6是表示侧向生长直径比率与RRG分布的关系的图表。
具体实施方式
如上所述，需要一种单晶硅制造方法，其能够制造宏观上的RRG分布及微观上的电阻率变动良好的＜111＞结晶。
本案发明人为了实现上述目的而进行了深入研究，结果发现：关于现有技术中所回避的在＜111＞结晶生长时发生的侧向生长，其在较大程度上依存于结晶旋转和磁场强度，另外，在侧向生长部的直径相对于晶片直径的比率达到七成以上的条件下，可使硅晶片的面内品质均匀化。而且，本案发明人发现：通过设定单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长，从而使侧向生长部的直径相对于结晶的提拉直径的比率(以下也称为“侧向生长直径比率”)为七成以上，能够解决上述技术问题，从而完成了本发明。
以下对本发明的实施方式进行说明，但是本发明并不限定于此。
＜(111)单晶硅晶片＞
关于本发明的(111)单晶硅晶片，直径为300mm以上(例如300mm～450mm)，晶片面内的七成以上、优选是晶片整面，由(111)侧向生长部构成。如果是这样的(111)硅晶片，则晶片直径的七成以上是侧向生长部，因此宏观上的RRG分布良好。并且，侧向生长部与生长面平行，因此在理论上，晶片表面不存在由于生长时的温度变动等而产生的生长条痕，并可抑制晶片表面的微观上的变动。
另外，本发明的单晶硅晶片的面取向是(111)，因此作为采用了具有高载流子迁移率的Ge、III-V族化合物半导体等下一代沟道材料的异质外延用基板而有用。由此，能够较佳地适用于异质结构设备，该异质结构设备以资源量丰富、廉价、高品质的Si为异质外延用基板，并在该基板上配置资源量较少的Ge、GaAs等沟道材料。此外，从利用后述的本发明的单晶硅制造方法得到的单晶硅进行切片，从而能够容易地获取本发明的单晶硅晶片。
＜单晶硅制造方法＞
首先，利用图1对能够实施本发明的单晶硅制造方法的结晶制造装置的结构例进行说明。如图1所示，结晶制造装置100具备主腔室1和提拉腔室2，该提拉腔室2连接于主腔室1的上部并收纳生成的单晶棒(单晶硅)3。在主腔室1的内部设置有：收容原料融液4的石英坩埚5、以及支撑石英坩埚5的石墨坩埚6。另外，与石英坩埚5及石墨坩埚6呈同心圆状配置有作为主热源的加热器7。在加热器7的外侧设置有隔热部件8。另外，在主腔室1设置有气体流出口9，在提拉腔室2设置有气体导入口10，使得能够向主腔室1及提拉腔室2的内部导入惰性气体(例如氩气)等并进行排出。圆筒形状的气体整流筒11以围绕提拉中的单晶棒3的方式配设于原料融液4的表面的上方。另外，在原料融液4的融液面的上方对置配置有隔热部件12。而且，在主腔室1的外周部设置有磁场施加装置13。
接着，对本发明的单晶硅制造方法进行说明。
在本发明的单晶硅制造方法中，首先，作为一例而使用图1所示的结晶制造装置100，向石英坩埚5内供给硅原料，进行单晶硅生长的准备。硅原料加热熔融后，设定单晶硅的提拉直径为300mm以上(例如300mm～450mm)，并设定单晶硅的生长轴取向为＜111＞，使用磁场施加装置13施加磁场并进行单晶硅的生长，利用通常的CZ法制造单晶硅。
在本发明中，设定单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长。
在此，将1096/D-(0.134×M+80×R)/D作为表示侧向生长直径比率的指标使用。如图2及图3所示，侧向生长在较大程度上依存于单晶硅的旋转速度和原料融液表面的中心磁场强度。更具体而言，结晶旋转速度越低并且中心磁场强度越弱，则＜111＞结晶生长时的侧向生长直径就越大。这被认为是由于以下原因，即：因为由结晶旋转和磁场强度所形成的熔融对流及温度场，固液界面附近的融点等温线会接近(111)面，从而使侧向生长具有优势。本案发明人对该＜111＞结晶生长时的侧向生长的结晶旋转速度依存性和磁场强度依存性进行了综合考量，得出用1096/D-(0.134×M+80×R)/D表达侧向生长直径比率的思想。
更具体而言，在＜111＞结晶生长中，图2示出了在融液表面的中心磁场强度恒定的条件下，结晶旋转速度对侧向生长直径的影响，图3示出了在结晶旋转速度恒定的条件下，融液表面的中心磁场强度对侧向生长直径的影响。该关系特性的物理意义表示：由于因结晶旋转而产生的强制对流的差异所造成的融液温度分布的变化、磁场强度的自然对流抑制力的差异所造成的融液温度分布的变化，使固液界面部的融液等温线发生变化，融液等温线会接近(111)面，由此使侧向生长具有优势。而且，关于结晶旋转速度对侧向生长直径的影响，结晶旋转速度每降低1rpm，则侧向生长直径扩大约80mm，关于磁场强度对侧向生长直径的影响，磁场强度每降低1Gauss，则侧向生长直径扩大约0.134mm。能够将综合考量了这些影响程度的1096/D-(0.134×M+80×R)/D作为表示侧向生长直径比率的指标使用。
在本发明的单晶硅制造方法中，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长，从而能够促进现有技术中所回避的(111)侧向生长，并使侧向生长直径比率为七成以上。通过对以这种方法制造的单晶硅进行切割，从而能够容易地获得上述那样的晶片直径的七成以上是侧向生长部的(111)硅晶片。如果1096/D-(0.134×M+80×R)/D是0.7以下，则侧向生长直径比率不足七成。在这种情况下，会导致宏观上的RRG分布变差，并且在单晶硅上产生生长条痕，微观上的电阻率变动变差(参照后述的图4～6)。
在本发明中，优选以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞1的关系的方式进行单晶硅的生长。由此，能够进一步促进(111)侧向生长，并使结晶面内整面进行侧向生长。在这样的＜111＞单晶硅中，宏观上的RRG分布更加良好，并且微观上的电阻率变动良好。另外，在本发明中，能够是1096/D-(0.134×M+80×R)/D＜3.5。
在本发明中，原料融液表面的中心磁场强度M只要满足上述的关系则没有特别限定，例如可以是1650～4000Gauss。
另外，单晶硅的旋转速度R没有特别限定，例如可以是4～8rpm。
另外，关于本发明的单晶硅，优选地，设定产品采取直径为Dp[mm]，在0.7＜1096/Dp-(0.134×M+80×R)/Dp＜1的情况下，设定提拉直径D为Dp/{1096-(0.134×M+80×R)}。如果是这样的提拉直径，则能够容易地从利用本发明的方法制造的＜111＞结晶获得晶片整面是侧向生长部的(111)硅晶片。
另外，关于本发明的单晶硅，优选设定施加的磁场为水平磁场。如果设定施加的磁场为水平磁场，则能够高效地抑制硅融液的纵向对流，控制结晶周边部的氧蒸发量，并且300mm以上的大口径单晶的制造效率也会提高。
【实施例】
以下，示出了实施例和比较例，对本发明更具体地进行说明，但是本发明并不限定于此。
(实施例及比较例)
在直径为32英寸(800mm)的石英坩埚中使360kg的原料熔融，并施加水平磁场，掺杂P，以结晶生长速度为0.5mm/min，实施了提拉直径为310mm的＜111＞单晶硅的提拉。此时，设定单晶硅的旋转速度分别为4、5、6、7、8rpm，并设定原料融液表面的中心磁场强度分别为4000、3650、3250、2650、1650Gauss。将提拉的结晶圆柱磨削成直径为301mm，之后进行PW加工，并实施了四探针法的1mm间距的电阻率测量及氧析出处理(650℃、2hr(N2)+800℃、4hr(N2)+1000℃、16hr(O2))。之后，通过XRT装置来观察析出花纹，从而对各条件下的侧向生长直径进行了调查。结果在表1、图4～图6中示出。
【表1】
图4是表示在本发明的实施例中制造的单晶硅的侧向生长部的XRT图像及面内电阻率分布的一例的图表。如图4所示，侧向生长部中不存在条痕，抑制了微观上的电阻率变动。
另外，图5是表示将在实施例及比较例中制造的＜111＞结晶的侧向生长直径比率作为纵轴，并将1096/D-(0.134×M+80×R)/D的值作为横轴进行图示的图表。从图5中得知，对于磁场施加下的＜111＞结晶提拉时的(111)侧向生长直径，能够通过单晶硅的提拉直径D、单晶硅的旋转速度R、原料融液表面的中心磁场强度M进行控制，侧向生长直径相对于结晶提拉直径的比率能够用1096/D-(0.134×M+80×R)/D表示。即，在1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的情况下(实施例)，侧向生长直径比率大于0.7，在1096/D-(0.134×M+80×R)/D≤0.7的情况下(比较例)，侧向生长直径比率为0.7以下。而且，如图6所示，在侧向生长直径比率大于0.7的情况下，RRG分布是2～3％的良好值。另一方面，当侧向生长直径比率为0.7以下时，RRG分布变差。
从这些结果中得知，通过以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长，从而能够使侧向生长直径比率为七成以上，能够制造宏观上的RRG分布及微观上的电阻率变动良好的＜111＞结晶。
如上所述，根据本发明，当利用MCZ法制造直径为300mm以上的＜111＞结晶时，通过设定单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行单晶硅的生长，从而能够促进(111)侧向生长，并使结晶面内的直径比为七成以上来进行侧向生长。由于从这样的单晶硅得到的(111)硅晶片的侧向生长部与生长面平行，因此理论上能够从晶片表面消除由于生长时的温度变动等而产生的生长条痕，并可抑制晶片表面的微观上的变动。而且，在这样的促进侧向生长的条件下，能够获得宏观上的RRG分布也良好的结晶。
另外，这样制造的300mm以上的大口径(111)硅晶片能够获得对于使用下一代沟道材料的最先进设备而言重要的面内品质的微观上的均匀性，并结合因(111)硅晶片的机械强度而具备的抑制位错、晶片翘曲的效果、以及由表面两原子层台阶所带来的抑制Anti-phase domain的效果，作为面向下一代沟道材料的异质外延用基板是有利的。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，具有与记载于本发明权利要求书的技术思想实质上相同的结构、实现同样的作用效果的方式，均包含于本发明的技术范围内。

Claims (5)

1.一种单晶硅制造方法，其特征在于，
当对原料融液施加磁场并利用切克劳斯基法提拉单晶硅时，设定所述单晶硅的提拉直径为300mm以上，设定所述单晶硅的生长轴取向为＜111＞，设定所述单晶硅的提拉直径为D[mm]，设定所述原料融液表面的中心磁场强度为M[Gauss]，设定所述单晶硅的旋转速度为R[rpm]，以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞0.7的关系的方式进行所述单晶硅的生长。
2.根据权利要求1所述的单晶硅制造方法，其特征在于，
以满足1096/D-(0.134×M+80×R)/D＞1的关系的方式进行所述单晶硅的生长。
3.根据权利要求1所述的单晶硅制造方法，其特征在于，
设定产品采取直径为Dp[mm]，在0.7＜1096/Dp-(0.134×M+80×R)/Dp＜1的情况下，设定所述提拉直径D为Dp/{1096-(0.134×M+80×R)}。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单晶硅制造方法，其特征在于，
设定所述施加的磁场为水平磁场。
5.一种(111)单晶硅晶片，
晶片面内的七成以上由(111)侧向生长部构成，晶片直径为300mm以上。
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