CN110249080A - 单晶硅的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶硅的制造方法，其从含有红磷作为掺杂剂的硅熔液（9）中，通过提拉法而提拉单晶硅（10）并使其生长，单晶硅（10）是直径为200mm的晶片用单晶，直筒直径为201mm以上且230mm以下，直筒开始部中的电阻率为0.8mΩcm以上且1.2mΩcm以下，将单晶硅（10）的肩部形成工序中的至少一部分的单晶硅（10）的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

Description

单晶硅的制造方法

技术领域

本发明涉及一种单晶硅的制造方法。

背景技术

近年来，移动电话等移动设备正在广泛普及。这种移动设备被强烈要求能够长时间携带使用，进行了内置于移动设备中的电池的大容量化或降低移动设备本身的耗电量的研究。

为了降低移动设备本身的耗电量，需要降低搭载于移动设备内部的半导体器件的耗电量。

例如作为移动设备的电力用器件而使用的低耐压功率MOSFET(Metal Oxid eSemi Conductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)，当成为通电状态时，由于在其内部具有某一恒定的电阻，因此其本身与流过低耐压功率MOSFET的电流对应地消耗电力。

从而，若能够减小低耐压功率MOSFET成为通电状态时的内部电阻，则能够降低移动设备的耗电量。由这种背景强烈要求一种低电阻率的N型单晶硅，以减小低耐压功率MOSFET成为通电状态时的电阻。

然而，在这种低电阻率的N型单晶硅的提拉中，当使冠部(肩部)从单晶硅的颈部生长并培育直筒部时，有时会有位错化。

关于这一点，在专利文献1中公开了如下技术：通过控制冠部中的晶体转速及坩埚转速，提高冠部中的掺杂剂浓度的面内均匀性，并防止有位错化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-250859号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，单晶硅的直筒开始部中的有位错化不仅由掺杂剂浓度的不均匀性引起，有时还由于浮游在硅熔液上的杂质混入到直筒开始部附近的单晶硅中而有位错化，因此通过所述专利文献1中所记载的技术不足以防止有位错化。

本发明的目的在于提供一种单晶硅的制造方法，其能够防止从单晶硅的肩开始部到直筒开始部的有位错化。

用于解决技术问题的方案

本发明是着眼于如下方面而完成的，即，从单晶硅的肩开始部起在恒定的区间，热屏蔽板与单晶硅的外周面的距离过度分开，导致Ar气体等的气体吹扫能力降低，无法吹散硅熔液表面的杂质，因此有位错化，具体而言，本发明将以下内容设为主旨。

本发明的单晶硅的制造方法，其从含有红磷作为掺杂剂的硅熔液中，通过提拉法而提拉单晶硅并使其生长，所述单晶硅的制造方法的特征在于，所述单晶硅是直径为200mm的晶片用单晶，直筒直径为201mm以上且230mm以下，直筒开始部中的电阻率为0.8mΩcm以上且1.2mΩcm以下，将肩部形成工序中的至少一部分的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

本发明的单晶硅的制造方法，其从含有砷作为掺杂剂的硅熔液，通过提拉法而提拉单晶硅并使其生长，所述单晶硅的制造方法的特征在于，所述单晶硅是直径为200mm的晶片用单晶，直筒直径为201mm以上且230mm以下，直筒开始部中的电阻率为1.8mΩcm以上且3.0mΩcm以下，将肩部形成工序中的至少一部分的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

根据本发明，将单晶硅的肩部形成工序中的至少一部分的单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下，由此随着单晶硅的旋转，能够在硅熔液表面上向远离单晶硅的方向产生涡流(强制对流)。从而，能够通过涡流将浮游在硅熔液表面的杂质向外侧驱除，因此能够防止杂质混入到单晶硅中，从而防止有位错化。

在本发明中，优选将所述肩部形成工序中的所述单晶硅的直径为20mm以上且190mm以下的区间的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

根据本发明，由于在肩部形成工序中的单晶硅的直径为20mm以上且190mm以下的区间容易有位错化，因此通过将该范围的单晶硅的晶体转速设为17rpm以上且40rpm以下而能够适当地防止有位错化。

在本发明中，优选将所述肩部形成工序中的所述单晶硅的直径为100mm以上且190mm以下的区间的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

在肩部形成工序中，即使将晶体转速设为小于17mm，在直至晶体直径为100mm为止的区间，能够以无位错状态来培育单晶硅。然而，在晶体直径为100mm以上的区间，若将晶体转速设为小于17mm，则有位错化。从而，尤其在单晶硅的晶体直径为100mm以上且190mm以下的情况下，通过将晶体转速设为17mm以上而具有抑制有位错化的效果。

在本发明中，优选在从所述单晶硅的直筒开始部起算超过80mm的位置，将所述单晶硅的晶体转速设为3rpm以上且20rpm以下。

该区间中，在晶体转速低于3rpm的情况下，有可能晶面内的氧分布变差而产生品质上的问题。另一方面，在晶体转速超过20rpm的情况下，有可能产生晶体变形。

由于从直筒开始部起算超过80mm的位置上的硅熔液周围的温度梯度变得低于单晶硅的肩部形成工序中的单晶硅的直径为20mm以上且190mm以下的硅熔液周围的温度梯度，因此变得容易受到晶体转速的影响，并变得容易产生晶体变形。

在此，晶体变形是指晶体的水平截面形状的圆度降低的形状异常。若产生晶体变形，则有可能产生如下不良情况：在设为硅晶片的情况下晶片外周部的品质变差，或者成为局部不满足所期望的直径的晶片。

并且，晶体变形如上所述受晶体转速的影响，若晶体转速过大，则产生晶体变形。该情况下，通过使晶体转速降低而设为恒定的转速以下而能够避开晶体变形。

根据本发明，在从单晶硅的直筒开始部起算超过80mm的位置，通过将单晶硅的晶体转速设为20rpm以下而能够防止产生晶体变形。

在本发明中，优选提拉所述单晶硅的提拉装置是线材式提拉装置，将所述单晶硅的晶体转速设为避开了所述提拉装置的线材的共振转速的晶体转速，尤其优选将颈部工序的所述单晶硅的晶体转速设为小于14rpm。

在通过线材式提拉装置而提拉单晶硅的情况下，在颈部工序中14rpm以上且16rpm以下的晶体转速的情况下，因共振现象而在线材中容易产生晃动，因此优选为避开了线材的共振转速的晶体转速。

另外，即使避开共振现象而设为超过16rpm，通常也具有转速越大，线材的晃动变得越大的倾向。从而将颈部工序中的单晶硅的晶体转速设为小于14rp m，由此防止在线材中产生晃动，并能够稳定地形成颈部。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式所涉及的提拉装置的结构的示意图。

图2是用于说明所述实施方式的作用的示意图。

图3是用于说明所述实施方式的作用的示意图。

图4是用于说明所述实施方式的作用的示意图。

图5是表示与所述实施方式中的单晶硅位置对应的晶体转速的示意图。

具体实施方式

[1]单晶硅的提拉装置1的结构

图1中示出表示能够应用本发明的实施方式所涉及的单晶硅的制造方法的单晶硅的提拉装置1的结构的示意图。提拉装置1是通过提拉法而提拉单晶硅10的装置，是具备构成外围的腔室2和配置于腔室2的中心部的坩埚3的线材式提拉装置。

坩埚3是由内侧石英坩埚3A和外侧石墨坩埚3B构成的双重结构，并固定于能够旋转及升降的支承轴4的上端部。

在坩埚3的外侧设置有包围坩埚3的电阻加热式加热器5，在其外侧沿着腔室2的内表面设置有隔热材料6。

在坩埚3的上方设置有与支承轴4在同轴上向相反方向或相同方向以规定的速度旋转的线材7。在该线材7的下端安装有籽晶8。

在腔室2内配置有作为包围在坩埚3内的硅熔液9的上方培育中的单晶硅10的圆筒状冷却装置的水冷体11。

水冷体11例如由铜等导热性良好的金属构成，通过在内部流通的冷却水而强制地被冷却。该水冷体11发挥如下作用：促进培育中的单晶硅10的冷却，并控制单晶中心部及单晶外周部的线材7方向的温度梯度。

而且，以包围水冷体11的外周面及下端面的方式配置有筒状热屏蔽板12。

热屏蔽板12发挥如下作用：对培育中的单晶硅10阻断来自坩埚3内的硅熔液9或加热器5或坩埚3的侧壁的高温的辐射热，并且，对作为晶体生长界面的固液界面的附近抑制向低温的水冷体11的热扩散，与水冷体11一同控制单晶中心部及单晶外周部的提拉轴方向的温度梯度。

在腔室2的上部设置有将Ar气体等不活泼气体导入到腔室2内的气体导入口13。在腔室2的下部设置有通过未图示的真空泵的驱动而抽吸并排出腔室2内的气体的排气口14。

从气体导入口13导入到腔室2内的不活泼气体在培育中的单晶硅10与水冷体11之间下降，在经过热屏蔽板12的下端与硅熔液9的液面的间隙(液面Gap)之后，朝向热屏蔽板12的外侧，进而，向坩埚3的外侧流动，然后，在坩埚3的外侧下降，并从排气口14排出。

当使用这种培育装置来培育单晶硅10时，在将腔室2内部维持为减压下的不活泼气体气氛的状态下，通过加热器5的加热而使填充到坩埚3中的多晶硅等固体原料熔融，并形成硅熔液9。若在坩埚3内形成硅熔液9，则使线材7下降而使籽晶8浸渍于硅熔液9中，一边使坩埚3及线材7向规定方向旋转，一边缓慢地提拉线材7，由此培育与籽晶8相连的单晶硅10。

[2]单晶硅10中的有位错化机理和其避开方案

在直筒直径201mm以上且230mm以下的单晶硅10的提拉初期，如图2所示，热屏蔽板12与单晶硅10的肩部的间隙处于大的状态，该状态下，即使从上部吹扫Ar气体等气体，也会导致在热屏蔽板12与单晶硅10之间流动的气体的流速降低。因此成为浮游在硅熔液9的表面的杂质等容易接近于单晶硅10的状态，若杂质附着于单晶硅10，则导致从该部分有位错化。

另一方面，若单晶硅10被提拉至直筒部，则如图3所示，热屏蔽板12与单晶硅10的间隙变小，能够使浮游在硅熔液9的表面的杂质通过被吹扫的气体的流速而朝向石英坩埚3A的内周面远离单晶硅10，在单晶硅10中有位错化的可能性减少。

在此，关于硅熔液9的表面的杂质，认为当提拉电阻率低的单晶硅10时，作为掺杂剂而添加的红磷或砷在提拉过程中蒸发，在炉壁等上再结晶化的杂质落到硅熔液9的表面并浮游。红磷或砷的蒸发速度与这些掺杂剂的硅熔液9内的浓度具有正的相关关系，浓度越高，蒸发速度变得越大。

因此，在含有红磷作为掺杂剂、且单晶硅10的直筒开始部中的电阻率为1.2mΩcm以下的情况，或者含有砷作为掺杂剂、且单晶硅10的直筒开始部中的电阻率为3.0mΩcm以下的情况之类的硅熔液9内的掺杂剂浓度为非常高的浓度的情况下，与通常的低浓度的情况相比，掺杂剂的蒸发变得更强烈，因此落到硅熔液9的表面并浮游的杂质的量增多，其结果，在单晶硅10中有位错化的可能性变高。

因此，在本实施方式中，在图2所示的单晶硅10的提拉初期，如图4所示，加快单晶硅10的晶体转速，使强制对流的涡流产生于硅熔液9的表面，由此使浮游在硅熔液9的表面的杂质远离单晶硅10，防止杂质附着于单晶硅10的表面。

具体而言，如图5所示，将肩部形成工序中的单晶硅10的直径为20mm以上且190mm以下的区间的晶体转速设为17rpm以上，在从直筒开始部起算超过80mm的位置，将晶体转速设为20rpm以下，将颈部工序的晶体转速设为小于14rpm。另外，如前所述，尤其优选将单晶硅10的直径为100mm以上且190mm以下的区间的晶体转速设为17rpm以上。

在基于线材7的提拉装置1中，可以将位于线材7的籽晶夹头及单晶硅10视为作为锤的振子，若将籽晶夹头及单晶硅10的总重量设为g(g)，从振子的支点至重心的距离设为L(cm)，则线材7的共振转速n可通过下述式(1)而求出。

n＝60/(2π×√(g/L))……(1)

若在通常的直筒直径为210mm直径的单晶硅10的提拉装置1中计算该共振转速n，则成为14rpm至16rpm，若将单晶硅10的晶体转速设为该范围，则导致在单晶硅10中产生共振，因此在颈部工序、肩部工序、直筒部工序中始终将晶体转速设为避开共振转速的范围，至少需要设为小于14rpm或者超过16rpm，在本实施方式中设为在提拉初期不产生共振的13rpm。

另一方面，在单晶硅10的直径超过190mm的区间使单晶硅10的晶体转速再次返回到13rpm的理由是，在单晶硅10的直筒部的提拉中，与单晶硅10的肩部形成工序中的单晶硅的直径为20mm以上且190mm以下的区间相比，导致晶体周围的硅熔液9的温度梯度变小，因此若将晶体转速保持较快，则会导致产生晶体变形。

由此，在本实施方式中，将超过190mm的区间的晶体转速恢复到13rpm。另外，为了尽可能减小从14rpm到16rpm范围的时间，优选使晶体转速在10秒内在13rpm与17rpm之间发生变化。

实施例

接着，对本发明的实施例进行说明。另外，本发明并不限定于以下实施例。

[1]将红磷作为掺杂剂的情况

首先，将红磷作为掺杂剂，并将直筒开始部的电阻率设为0.8mΩcm，提拉直径为200mm的晶片用的直径为210mm的单晶硅10时，作为晶体转速而设定6个级别进行了提拉的结果，成为如下述表1的结果。

在6个晶体转速的级别中，若设为小于17rpm，则在肩部形成工序中难以无位错地进行提拉。得知为了将肩部形成工序中的无位错化的成功率设为50％以上，需要将晶体转速设为17rpm以上。

在肩部形成工序中，即使在晶体转速为低于17rpm的晶体转速的15rpm的情况下，在直至晶体直径为100mm的区间，能够以无位错状态培育单晶硅10。然而，在晶体直径为100mm以上的区间有位错化。从而，尤其在晶体直径为100mm以上的区间，具有通过将晶体转速设为17rpm以上而抑制有位错化的效果。

[表1]

在肩部的晶体转速为40rpm的情况下也能够没有问题地形成肩部，但提拉装置1的通常的规格临界值为40rpm，若设为超过40rpm的高速旋转的规格，则导致需要强化马达等驱动系统而需要设备成本。因此优选将肩部的晶体转速的上限设为40rpm。

直筒部的晶体转速的下限为3rpm，上限为20rpm。若低于3rpm，则氧浓度的晶面内分布变差。若超过20rpm，则在直筒部产生晶体变形。

另外，通常在肩部形成工序中扩大单晶硅10的直径，但若单晶硅10的直径成为190mm以上，则设为转移到直筒部形成工序。

接着，将红磷作为掺杂剂而提拉单晶硅10时，使晶体转速发生变化而进行了提拉。将结果示于表2中。另外，无位错化成功率是指能够以无位错地进行提拉的单晶硅10的数量相对于单晶硅10的提拉总数的比例。

[表2]

若比较实施例1及比较例1，则在将直筒开始部中的电阻率设为0.8mΩcm的单晶硅10中，与保持13rpm的比较例1相比，将从直筒开始部至直筒开始部下方80mm为止的晶体转速设为17rpm的实施例1的无位错化成功率从0％大幅提高到50％。

同样地，即使比较实施例2及比较例2，无位错化成功率也从60％提高到90％，确认到将晶体转速变更为17rpm的优点。

另一方面，如比较例3那样，在将晶体转速设为22rpm的例子中，能够在肩部没有问题地形成，但进入到直筒部便产生晶体变形，导致在直筒开始部下方100mm位置有位错化。

并且，在比较例4中，从颈部形成开始将晶体转速设为17rpm而进行了提拉，但由于线材7的摆动，难以使直径稳定，无法进入到肩部形成工序。

如上所述，在将红磷作为掺杂剂而提拉直筒开始部中的电阻率为0.8mΩcm以上且1.2mΩcm以下的210mm直径的单晶硅10的情况下，若在肩部形成工序中的单晶硅10的直径为20mm以上且190mm以下的区间将晶体转速设为17rpm以上，则确认到无位错化成功率提高。

[2]将砷作为掺杂剂的情况

而且，将砷作为掺杂剂，与红磷的情况同样地，变更肩部形成工序中的单晶硅10的直径为20mm以上且190mm以下的区间的晶体转速而进行了提拉。将结果示于表3中。

[表3]

在将砷作为掺杂剂的情况下，颈部工序的稳定性依赖于线材7的摆动，掺杂剂种类与线材7的摆动无关。

关于肩部形成工序的有位错化，认为以与前述红磷的情况相同的机理有位错化。如表3所示，与红磷同样地，确认到无位错化率的提高。

直筒部中的变形是温度梯度的问题，与掺杂剂种类无关。然而，各过程中的晶体转速的上下范围与红磷相同。

与红磷的情况同样地，若比较直筒开始部中的电阻率同样为1.8mΩcm的实施例3及比较例5，则可知无位错化成功率从50％提高到60％。

并且，即使比较直筒开始部中的电阻率同样为3.0mΩcm的实施例4及比较例6，也可知无位错化成功率从70％提高到90％。

从而，确认到即使在将砷作为掺杂剂的情况下，通过将肩部形成工序中的单晶硅10的直径为20mm以上且190mm以下的晶体转速设为17rpm以上，无位错化成功率得到提高。

附图标记说明

1-提拉装置，2-腔室，3-坩埚，3A-石英坩埚，3B-石墨坩埚，4-支承轴，5-加热器，6-隔热材料，7-线材，8-籽晶，9-硅熔液，10-单晶硅，11-水冷体，12-热屏蔽板，13-气体导入口，14-排气口。

Claims (7)

1.一种单晶硅的制造方法，其从含有红磷作为掺杂剂的硅熔液中，通过提拉法而提拉单晶硅并使其生长，所述单晶硅的制造方法的特征在于，

所述单晶硅是直径为200mm的晶片用单晶，直筒直径为201mm以上且230mm以下，直筒开始部中的电阻率为0.8mΩcm以上且1.2mΩcm以下，将肩部形成工序中的至少一部分的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

2.一种单晶硅的制造方法，其从含有砷作为掺杂剂的硅熔液中，通过提拉法而提拉单晶硅并使其生长，所述单晶硅的制造方法的特征在于，

所述单晶硅是直径为200mm的晶片用单晶，直筒直径为201mm以上且230mm以下，直筒开始部中的电阻率为1.8mΩcm以上且3.0mΩcm以下，将肩部形成工序中的至少一部分的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

3.根据权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

将所述肩部形成工序中的所述单晶硅的直径为100mm以上且190mm以下的区间的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

4.根据权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

将所述肩部形成工序中的所述单晶硅的直径为20mm以上且190mm以下的区间的所述单晶硅的晶体转速控制为17rpm以上且40rpm以下。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

在从所述单晶硅的直筒开始部起算超过80mm的位置，将所述单晶硅的晶体转速设为3rpm以上且20rpm以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

提拉所述单晶硅的提拉装置是线材式提拉装置，

将所述单晶硅的晶体转速设为避开了所述提拉装置的线材的共振转速的晶体转速。

7.根据权利要求6所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，

将颈部工序的所述单晶硅的晶体转速设为小于14rpm。