CN110863240A

CN110863240A - 单晶硅的制造方法和硅晶片

Info

Publication number: CN110863240A
Application number: CN201910789918.1A
Authority: CN
Inventors: 梶原薰; 原田和浩
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2019-08-26
Publication date: 2020-03-06
Also published as: JP2020033200A; JP7099175B2

Abstract

本发明提供提拉速度容限宽、氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下、电阻率的面内偏差小、不仅没有检测到原生缺陷而且在氧沉淀评价热处理后也没有检测到氧沉淀物的单晶硅的制造方法。通过提拉法制造氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下、氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅3的方法，生成添加了氮的硅熔液2，将会切磁场的垂直方向的磁场中心位置设定在硅熔液2的上方，边对硅熔液2施加会切磁场边以不会产生原生缺陷的提拉速度来提拉单晶硅3。

Description

单晶硅的制造方法和硅晶片

技术领域

本发明涉及基于提拉法(Czochralski法)(以下称为CZ法)的单晶硅的制造方法，特别是涉及适合作为IGBT(Gate Insulated Bipolar Transistor：绝缘栅型双极晶体管)的基板材料的单晶硅的制造方法。另外，本发明涉及适合作为IGBT的基板材料的硅晶片。

背景技术

已知作为功率半导体器件之一的IGBT。IGBT具有在MOSFET上附加有正孔注入用PN接合的结构，具有发射极、集电极、栅这3个电极。发射极形成于n^-型硅基板的表面侧，集电极经由pn接合形成于硅基板的背面侧。而且，栅经由栅氧化膜形成于硅基板的表面侧，通过对栅施加的电压来控制流过发射极-集电极间的电流。IGBT是适合控制高功率的栅电压驱动型开关元件，所以被广泛用于电车、混合动力车、空调设备、冷藏室等的逆变器等。

希望IGBT用硅晶片没有晶体缺陷、在器件工艺的热处理过程中不会产生源于氧沉淀(酸素析出)的缺陷。这是由于：如上所述，IGBT是通过经栅氧化膜绝缘的栅来控制电流，所以栅氧化膜的品质(栅氧化层完整性(Gate Oxide Integrity)：以下称作GOI)非常重要，若硅晶片中存在的缺陷摄入到栅氧化膜内，则GOI特性劣化，成为栅氧化膜的绝缘破坏的原因。

另外，希望IGBT用硅晶片不仅其表面附近就连晶片内部也没有晶体缺陷。在存储或逻辑用途的半导体器件的情况下，仅将晶片的表面附近用作器件区域，所以即使在较表面附近深的区域存在源于氧沉淀的缺陷，也没有特别的问题，不如说这样的缺陷作为防止重金属污染的吸杂部位来发挥功能，所以在某种程度上是必需的。然而，如上所述，IGBT是将晶片沿纵向(厚度方向)使用的元件，在较表面附近深的区域存在的晶体缺陷也会对IGBT特性产生影响，因此要求在晶片的厚度方向的整个区域不存在缺陷，而且也不会产生源于氧沉淀的缺陷。

希望IGBT用硅晶片的晶格间氧浓度尽可能地低。这是由于：若硅晶片中的氧浓度高，则在器件工艺的热处理过程中晶片中的过剩的氧成为SiO₂而沉淀，使IGBT中的重要特性即再结合寿命劣化。另外，若含有过剩的氧的硅晶片受到450℃左右的低温热处理，则产生氧供体，晶片的电阻率会发生变化。

IGBT用硅晶片的电阻率是重要的品质之一，要求均匀性和稳定性。特别重要的是，要求晶片面内电阻率分布的均匀性、并且即使经过器件工艺的热处理电阻率也不会发生变化。

为此，对IGBT用硅晶片要求如下：氧浓度低，电阻率的面内分布均匀，不存在晶体生长时导入的原生(Grown-in)缺陷，而且在IGBT制造工序中在晶体整个区域不会产生氧沉淀物。作为氧浓度低的单晶硅的制造方法，还已知不使用成为氧供应源的石英坩埚的FZ(Floating Zone：悬浮区)法。然而，在FZ法中，大口径的单晶培育是困难的，从提高量产性的角度考虑也希望采用CZ法，要求通过CZ法制造氧浓度低、且无原生缺陷的单晶硅。

关于IGBT用硅晶片的制造方法，例如专利文献1中记载着：通过在对硅熔液施加2000高斯以上的水平磁场的状态下调整坩埚旋转速度和晶体旋转速度，来制造晶格间氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下、电阻率的面内偏差为5%以下的无原生缺陷的单晶硅。另外，专利文献1中还记载着：通过在硅熔液中添加氮，扩大能够提拉无原生缺陷的单晶硅的提拉速度容限(マージン)，使COP(Crystal Originated Particle：晶体原生颗粒)和位错簇的排除容易进行。而且，专利文献1中还记载着：通过对非掺杂式提拉的单晶硅照射中子以掺杂磷，使晶片面内的电阻率分布变得均匀。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2009/025340号小册子。

发明内容

发明所要解决的课题

如上所述，在由掺杂了氮的硅熔液提拉单晶硅的情况下，可以扩大能够培育无缺陷晶体的提拉速度容限，排除COP和位错簇。另外，虽然已知氮具有促进氧沉淀的作用，但迄今为止认为：如果单晶硅的晶格间氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下的非常低的浓度，则即使添加了氮也不会产生氧沉淀。

然而，根据本申请发明人的研究，明确了下述问题：为了扩大能够培育无缺陷晶体的提拉速度容限，需要掺杂1×10¹⁴atoms/cm³以上的高浓度的氮，在边施加水平磁场边提拉单晶的现有制造方法中进行高浓度的氮掺杂的情况下，即使晶体中的晶格间氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下，通过IGBT制造时的热处理，也会在晶片中心部产生源于氧沉淀的缺陷(氧沉淀物)。

另外，在边施加水平磁场边提拉单晶的现有制造方法中进行高浓度的氮掺杂的情况下，存在着电阻率的面内分布的偏差变大的问题。作为其对策，还提出了下述方法：通过进行中子照射来掺杂磷，使晶片面内的电阻率分布变得更加均匀。然而，进行中子照射需要轻水反应堆(軽水炉)等特殊的设备，世界上可以进行中子照射的机构只有几家公司，不适于工业生产。

因此，本发明的目的在于：提供提拉速度容限宽、氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下、电阻率的面内偏差小、不仅没有检测到原生缺陷而且在氧沉淀评价热处理后也没有检测到氧沉淀物的单晶硅的制造方法。另外，本发明的目的还在于：提供由这样的单晶硅切出的、适合作为IGBT用基板的硅晶片。

用于解决课题的手段

本发明人对即使掺杂高浓度的氮也不会产生源于氧沉淀的缺陷的单晶硅的制造方法反复进行了深入研究，结果发现了：在边于特定条件下施加会切磁场边进行晶体培育的情况下，可得到晶片面内的电阻率分布的均匀化提高、氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下、热处理后不会产生源于氧沉淀的缺陷的无原生缺陷的单晶硅。

本发明是基于这样的技术见解的发明，本发明所涉及的单晶硅的制造方法的特征在于：该方法是利用提拉法制造氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下、氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅，生成添加了氮的硅熔液，将会切磁场的垂直方向的磁场中心位置设定在上述硅熔液的上方，边对上述硅熔液施加上述会切磁场边以不会产生原生缺陷的提拉速度来提拉上述单晶硅。

根据本发明，可以制造即使掺杂了氮也不会产生源于氧沉淀的缺陷的单晶硅。另外，由于单晶硅中掺杂有氮，所以可以扩大能够培育不含COP、位错簇和OSF核的无缺陷晶体的提拉速度容限，可以提高无缺陷晶体的产率。另外，可以制造电阻率的面内偏差为3.5%以下的单晶硅。

在本发明中，上述会切磁场的垂直方向的磁场中心位置优选设定在上述硅熔液的液面的上方10mm以上且100mm以下的范围内。有时即使施加了会切磁场，根据其磁场中心位置，单晶硅中的氧浓度也不会达到4×10¹⁷atoms/cm³以下。然而，在将会切磁场中心位置设定在熔液面的上方10mm以上且100mm以下的范围内的情况下，可以稳定地制造氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅。

在本发明中，上述会切磁场的强度优选为500G以上且700G以下。另外，保持上述硅熔液的坩埚的旋转速度优选为3rpm以上且6rpm以下。而且，上述单晶硅的旋转速度优选为15rpm以上且20rpm以下。

另外，本发明所涉及的硅晶片的特征在于：氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下，氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下，电阻率的面内偏差为3.5%以下，不存在原生缺陷，在氧沉淀评价热处理后不会产生氧沉淀物。根据本发明，可以提供适合作为IGBT的基板材料的硅晶片。

在本发明中，上述氧沉淀评价热处理优选为780℃下、3小时和1000℃下、16小时的两阶段的热处理，且上述氧沉淀评价热处理后的LSTD密度为检测限以下。即，不存在原生缺陷、氧沉淀评价热处理后不会产生氧沉淀物是指，在氧沉淀评价热处理后通过红外散射断层摄影法测定尺寸为20nm以上的LSTD的情况下的LSTD密度为检测限以下(﹤1×10⁵个/cm³)。

发明效果

根据本发明，可以提供提拉速度容限宽、氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下、电阻率的面内偏差小、不仅没有检测到原生缺陷而且在氧沉淀评价热处理后也没有检测到氧沉淀物的单晶硅的制造方法。另外，根据本发明，提供由这样的单晶硅切出的、适合作为IGBT用基板的硅晶片。

附图说明

[图1] 图1是示意性地显示本发明的实施方式所涉及的单晶制造装置的构成的侧面截面图(剖视图)。

[图2] 图2是说明本发明的实施方式所涉及的单晶硅的制造方法的流程图。

[图3] 图3是显示单晶硅锭的形状的概略截面图。

[图4] 图4是显示V/G与晶体缺陷的种类和分布的关系的示意图。

[图5] 图5是说明速度变量提拉的示意图。

[图6] 图6是显示比较例和实施例所涉及的单晶硅锭的电阻率的面内分布的图，(a)显示比较例、(b)显示实施例。

[图7] 图7是显示比较例所涉及的单晶硅锭的LSTD密度的测定结果的图。

[图8] 图8是显示实施例所涉及的单晶硅锭的评价结果的图，(a)显示氧浓度分布、(b)显示LSTD密度分布。

[图9] 图9是显示在会切磁场中心位置不同的4种条件下提拉的单晶硅锭的无缺陷区域的氧浓度在晶体生长方向的变化的图，横轴显示晶体生长方向的位置，纵轴显示氧浓度。

具体实施方式

以下，边参照附图边对本发明的优选实施方式进行详细说明。

图1是示意性地显示本发明的实施方式所涉及的单晶制造装置的构成的侧面截面图。

如图1所示，单晶制造装置1具备：水冷式的室10、在室10内保持硅熔液2的石英坩埚11、保持石英坩埚11的石墨制的基座12、支撑基座12的旋转轴13、驱动旋转轴13旋转和升降的轴驱动机构14、配置成包围基座12的加热器15、在加热器15的外侧且沿着室10的内周面配置的绝热材料16、配置在石英坩埚11的上方的热屏蔽体17、吊设在石英坩埚11的上方的单晶提拉用引线18、和配置在室10的上方的引线卷取机构19。

另外，单晶制造装置1具备：配置在室10的外侧的磁场产生装置21、拍摄室10内的照相机22、处理由照相机22拍摄的图像的图像处理部23、以及根据图像处理部23的输出来控制轴驱动机构14、加热器15、引线卷取机构19和磁场产生装置21的控制部24。

室10由主室10a和连接于主室10a的上部开口的细长的圆筒状的拉伸室(PullChamber，拉伸腔)10b构成，石英坩埚11、基座12、加热器15和热屏蔽体17设在主室10a内。拉伸室10b设有用于向室10内导入氩气等惰性气体(吹扫气体)的气体导入口10c，在主室10a的下部设有用于排出惰性气体的气体排出口10d。另外，在主室10a的上部设有窥视窗10e，从窥视窗10e可以观察单晶硅3的培育状况(固液界面)。

石英坩埚11是具有圆筒状的侧壁部和弯曲的底部的石英玻璃制的容器。基座12与石英坩埚11的外表面密合来保持石英坩埚11，以维持通过加热而软化的石英坩埚11的形状。石英坩埚11和基座12在室10内构成支撑硅熔液2的双重结构的坩埚。

基座12固定在沿垂直方向延伸的旋转轴13的上端部，旋转轴13的下端部贯穿室10的底部中央与设在室10的外侧的轴驱动机构14连接。基座12、旋转轴13和轴驱动机构14构成石英坩埚11的旋转机构和升降机构。

加热器15是为了熔融填充在石英坩埚11内的硅原料以维持熔融状态而设置的。加热器15是碳制的电阻加热式加热器15，是设置成包围基座12内的石英坩埚11的整个圆周的近似圆筒状的部件。而且，加热器15的外侧被绝热材料16包围，由此提高了室10内的保温性。

热屏蔽体17是为了抑制硅熔液2的温度变动以在固液界面附近形成适当的热区、同时防止来自加热器15和石英坩埚11的辐射热将单晶硅3加热而设置的。热屏蔽体17是覆盖硅熔液2的上方的近似圆筒状的石墨制的部件。在热屏蔽体17的下端中央形成比单晶硅3的直径大的圆形的开口，以确保单晶硅3的提拉路径。

在单晶硅3生长的同时石英坩埚11内的熔液量逐渐减少，但通过升高石英坩埚11使熔液面与热屏蔽体17的间隔达到恒定，可以抑制硅熔液2的温度变化，同时使流过熔液面附近的气体的流速恒定，以控制来自硅熔液2的SiO气体的蒸发量。

在石英坩埚11的上方设有作为单晶硅3的提拉轴的引线18和卷取引线18的引线卷取机构19。引线卷取机构19具有使单晶和引线18一同旋转的功能。引线卷取机构19配置在拉伸室10b的上方，引线18从引线卷取机构19通过拉伸室10b内延伸至下方，引线18的下端部抵达主室10a的内部空间。图1显示培育过程中的单晶硅3吊设于引线18的状态。在提拉单晶时，将籽晶浸在硅熔液2中，边使石英坩埚11和籽晶分别旋转，边逐渐提拉引线18，由此使单晶生长。

在拉伸室10b的上部设有用于将惰性气体导入到室10内的气体导入口10c，在主室10a的底部设有用于排放室10内的惰性气体的气体排出口10d。惰性气体从气体导入口10c导入到室10内，其导入量通过阀门来控制。另外，密闭的室10内的惰性气体从气体排出口10d排放到室10的外部，因此能够回收在室10内产生的SiO气体或CO气体，以保持室10内洁净。

磁场产生装置21使用沿上下方向相对的上部线圈21a和下部线圈21b来构成，通过向一对磁场产生用线圈中分别流入反向的电流，在室10内产生会切磁场。图中，“・”显示从纸面流出的电流，“×”显示流入纸面的电流。

会切磁场相对于提拉轴呈轴对称，在磁场中心点彼此的磁场互相抵消，使垂直方向的磁场强度为零。在偏离磁场中心点的位置存在垂直方向的磁场，形成朝向半径方向的水平磁场。另外，会切磁场的垂直方向的磁场中心位置(磁场中心高度)位于硅熔液2的液面上方。特别是优选设定在液面位置的上方10mm以上且100mm以下的范围内。如此，通过对硅熔液2施加会切磁场，可以抑制与磁力线垂直的方向的熔液对流。其结果，使从石英坩埚11摄入到硅熔液2的氧摄入量减少，同时来自硅熔液2的氧的蒸发也得到促进，从而可以稳定地制造氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅。另外，可以防止热处理后的源于氧沉淀的缺陷的产生。

在主室10a的上部设有用于观察内部的窥视窗10e，照相机22设置在窥视窗10e的外侧。在单晶提拉工序中，照相机22拍摄从窥视窗10e通过热屏蔽体17的开口看到的单晶硅3与硅熔液2的边界部的图像。照相机22连接于图像处理部23，摄影图像经图像处理部23进行处理，处理结果用于在控制部24控制晶体提拉条件。

图2是说明本发明的实施方式所涉及的单晶硅的制造方法的流程图。另外，图3是显示单晶硅锭的形状的概略截面图。

如图2和图3所示，在单晶硅的制造中，加热石英坩埚11内的硅原料以生成硅熔液2(步骤S11)。为了在硅熔液2中掺杂氮，在石英坩埚11内同时填充高纯度多晶硅块和硅氮化物。作为硅氮化物，可以使用带氮化膜的硅晶片。掺杂氮时，需要加入考虑到了偏析的一定量(分量)的氮化物，使在规定的晶体位置达到所期望的氮浓度。

接下来，使安装在引线18下端部的籽晶下降，着液于硅熔液2中(步骤S12)。之后，实施边维持与硅熔液2的接触状态边逐渐提拉籽晶使单晶硅3生长的晶体提拉工序(步骤S13～S16)。

在晶体提拉工序中，依次实施以下工序：为了无位错化而形成晶体直径缩小的颈部3a的缩颈(Necking)工序(步骤S13)；形成晶体直径逐渐增加的肩部3b的肩部培育工序(步骤S14)；形成晶体直径维持恒定的主体部3c的主体部培育工序(步骤S15)；以及形成晶体直径逐渐减少的尾部3d的尾部培育工序(步骤S16)，最终从熔液面切断单晶，晶体提拉工序结束。

通过以上工序，从单晶的上端(顶)朝向下端(底)依次具有颈部3a、肩部3b、主体部3c(直筒部)和尾部3d的单晶硅锭得以完成。

单晶硅3的主体部3c的氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下。这是由于：氮浓度不足下限值时，难以扩大能够培育无缺陷晶体的提拉速度容限，若超过上限值，则硅中的氮接近于固溶界限，无法无位错地培育单晶。如果单晶硅中的氮浓度为该范围内，则可以扩大能够培育无缺陷晶体的提拉速度容限(特别是得到Pv区域的提拉速度容限)，提高无缺陷晶体的产率。为了使单晶硅3的主体部3c的氮浓度落入(収める)到上述范围内，优选调整单晶硅中的氮浓度使主体部的上端部的氮浓度达到1×10¹⁴atoms/cm³。这是由于：单晶硅中的氮浓度在提拉进行的同时因偏析而逐渐变高。单晶硅中的氮浓度可以通过SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次离子质谱法)来测定。

另外，单晶硅3的主体部3c的氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下。由此，可以制造不存在因氧供体等的产生而引起的电阻变动的、适合作为IGBT的基板材料的硅晶片。需要说明的是，本说明书中规定的单晶硅中的氧浓度均为基于按照ASTM F-121(1979)标准的FTIR法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy：傅里叶变换红外分光法)的测定值。

通过CZ法制造的单晶硅3中所含的缺陷的种类及分布依赖于单晶的提拉速度V与晶体生长方向的温度梯度G之比V/G。

图4是显示V/G与晶体缺陷的种类和分布的关系的示意图。

如图4所示，在V/G较大的情况下，单晶中的孔隙过剩，在与单晶的提拉轴方向垂直的整个面内产生作为孔隙型点缺陷的聚集体的COP。COP是空洞缺陷的一种，但空洞缺陷根据检测方法而存在几种不同的称呼。对晶片表面照射激光光线，通过检测其反射光・散射光等的粒子计数器观察到的缺陷称作COP。向晶片表面入射红外激光光线，通过检测其散射光的红外散射断层摄影(Laser Scattering Tomography)观察到的缺陷称作LSTD(LaserScattering Tomography Defect)。虽然这些缺陷的检测方法不同，但认为均是空洞缺陷。

另一方面，在V/G较小的情况下，晶格间硅过剩，产生作为晶格间硅的聚集体的位错簇。位错簇是在选择蚀刻液内不摇动样品且放置较长时间后作为贝壳状的较大的凹坑被观察。

而且，在产生COP的区域和产生位错簇的区域之间，从V/G较大者起依次存在OSF区域、Pv区域、Pi区域这3个区域。OSF区域是在生成态(As-grown)状态(在单晶生长后没有进行任何热处理的状态)下包含OSF核，在施行了1000～1200℃的热氧化处理的情况下产生OSF(Oxidation Induced Stacking Fault：氧化诱生层错)的区域。另外，Pv区域是孔隙占优势的无缺陷区域，即使施行了热氧化处理也不会产生缺陷的区域。Pi区域是晶格间硅占优势的无缺陷区域，即使施行了热氧化处理也不会产生缺陷的区域。在本发明中，原生缺陷是指COP、位错簇和OSF核。

若逐渐降低提拉速度V，则COP区域缩小，且OSF区域从单晶的外周部呈现环状。随着提拉速度V的下降，该OSF区域的直径逐渐地缩小，若提拉速度达到V₁则该OSF区域消失。随之，出现无缺陷区域(Pv区域)代替了OSF区域，单晶的整个面内被Pv区域和Pi区域占据。然后，若提拉速度下降至V₂，则出现作为晶格间硅型点缺陷的聚集体的位错簇，其终于代替了无缺陷区域(Pi区域)，单晶的整个面内被位错簇占据。

因此，为了排除COP等各种的点缺陷、使在整个面内分布着无缺陷区域的单晶硅培育，需要管理提拉速度V，使V/G在整个面内落入(収まる)到不产生晶格间硅型点缺陷的聚集体的第1临界点(V₁/G)以上且不产生孔隙型点缺陷的聚集体的第2临界点(V₂/G)以下的范围内。

温度梯度G依赖于晶体生长界面附近的热区，热区由包围单晶硅的热屏蔽体17控制。由于单晶硅的提拉速度V在其径向的任何位置均恒定，所以需要预先设计好热区，使晶体生长方向的温度梯度G在径向的任何位置均尽可能地达到恒定。

单晶硅的直径控制主要通过调整提拉速度V来进行。为了抑制直径变动而使晶体提拉速度V适当变化，因此无法完全消除提拉速度V的变动。为此，将提拉速度V的目标设定在V₁与V₂之间(例如两者的中央值)进行管理，使得即使在培育中提拉速度V变动，也会落入(収まる)到V₁～V₂的范围(称作“提拉速度容限”或“PvPi容限”)。

在本实施方式中，由于在硅熔液2中掺杂有高浓度的氮使单晶硅3的主体部3c的氮浓度达到了1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下，所以可以扩大提拉速度容限，由此可以提高无缺陷晶体的产率。考虑到氮原子具有减小COP尺寸的作用，由此第1临界点(V₁/G)提升，认为可得到Pv区域的提拉速度容限扩大。

在晶体提拉工序中对硅熔液2施加会切磁场。会切磁场呈以晶体提拉轴为中心的轴对称，在磁场中心点彼此的磁场(磁界)相互抵消，使垂直方向的磁场强度为零。在偏离磁场中心点的位置存在垂直方向的磁场，形成朝向半径方向的水平磁场。如此，通过对硅熔液2施加会切磁场，可以抑制与磁力线垂直的方向的熔液对流，由此可以减少从石英坩埚11溶入到硅熔液2中的氧量。另外，来自硅熔液2的氧的蒸发也得到促进，从而可以稳定地制造氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅。

在主体部培育工序S15中，会切磁场的垂直方向的磁场中心位置优选位于硅熔液2的液面上方，优选设定在液面上方10mm以上且100mm以下的范围内。在磁场中心位置较液面的上方10mm低的情况下，无法抑制氧沉淀评价热处理后的氧沉淀。另外，在磁场中心位置较液面的上方100mm高的情况下，单晶硅的有位错化的概率变高。

另外，会切磁场的磁场强度优选为500～700G。这是由于：在磁场强度小于500G的情况下，无法得到抑制熔液对流的效果，难以提拉4×10¹⁷atoms/cm³以下的低氧浓度的单晶。另外，使用现有的磁场产生装置，难以稳定地输出超过700G的磁场，从消耗电力的角度考虑也希望尽可能低的磁场强度。需要说明的是，会切磁场的磁场强度值在垂直方向为磁场中心位置、在水平方向为石英坩埚11的侧壁位置。

在施加水平磁场的HMCZ(Horizontal Magnetic field applied CZ：应用了水平磁场的CZ)法的情况下，磁力线的方向为单一方向，所以具有抑制与磁力线垂直的方向的熔液对流的效果，但无法抑制与磁力线平行的方向的熔液对流。另一方面，在会切磁场的情况下，由于磁力线的方向为放射状、且以提拉轴为中心俯视下具有对称性，所以抑制石英坩埚的圆周方向的熔液对流的效果高。因此，能够抑制氧从石英坩埚中溶出，降低单晶硅中的氧浓度。

在主体部培育工序S15中，单晶硅3的旋转速度优选为15～20rpm。这是由于：在晶体旋转速度小于15rpm的情况下，无法提高电阻率和氧浓度的面内分布的均匀性，另外，在晶体旋转速度大于20rpm的情况下，不仅单晶硅3变形成螺旋状而容易发生有位错化，而且在晶体提拉后磨削单晶硅3的外周时会产生晶体直径不足晶片直径的不良部位。

在主体部培育工序S15中，石英坩埚11的旋转速度优选为3～6rpm。这是由于：在坩埚旋转速度小于3rpm的情况下，氧浓度和电阻率的面内分布恶化。在坩埚旋转速度大于6rpm的情况下，坩埚的熔损量增加，硅熔液中的氧浓度变高，难以提拉4×10¹⁷atoms/cm³以下的低氧浓度的单晶。

通过在上述的晶体提拉条件下提拉单晶硅3，不仅能够使单晶硅3主体部的晶格间氧浓度达到4×10¹⁷atoms/cm³以下，还能够将电阻率的面内偏差抑制在3.5%以下，可以制造即使添加了氮在热处理后也不会产生源于氧沉淀的缺陷的单晶硅3。如此地抑制氧沉淀的理由尚不明确，但推测是由于：与施加水平磁场的情形相比，在施加会切磁场的情况下，固液界面形状发生较大变化，这会给晶体生长速度带来影响，无缺陷晶体的提拉速度增加，晶体提拉中的氧沉淀核的形成受到阻碍。

如以上所说明的那样，本实施方式所涉及的单晶硅的制造方法是边对掺杂了氮的硅熔液施加会切磁场边以不会产生原生缺陷的提拉速度来提拉单晶硅，因此可以提拉氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下、氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下、且氧沉淀评价热处理后的LSTD密度为检测限以下的单晶硅。因此，可以利用CZ法制造IGBT用低氧硅晶片，可以提高IGBT用晶片的量产性。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明主旨的范围可以进行各种变更，这些变更当然也包含在本发明的范围内。

实施例

在CZ法中边施加水平磁场边进行单晶硅的提拉。起初，将多晶硅原料投入到石英坩埚内，将原料熔融生成了硅熔液。在硅原料中追加了作为掺杂剂的磷。进一步在硅原料中追加了带氮化膜的硅晶片。调整了氮的掺杂量，使单晶硅的主体部的上端部的氮浓度达到1×10¹⁴atoms/cm³。

接下来，边对硅熔液施加水平磁场边进行了直径为8英寸的单晶硅的提拉。磁场强度设定为3500G，磁场中心位置设定为液面的上方25mm的位置。坩埚的旋转速度设为0.1rpm、晶体旋转速度设为5rpm。

如图5所示，在晶体提拉工序中，进行提拉速度V由高速逐渐变化至低速的速度变量提拉，在单晶中依次形成了COP区域(空洞缺陷区域)、无缺陷区域、位错簇区域。如此操作，得到了比较例所涉及的单晶硅锭。

之后，将所提拉的硅锭的无缺陷区域切片，切出晶片，施行了研磨、蚀刻等表面处理。如此操作，制造了直径为200mm、厚度为0.75mm的硅晶片。然后，测定了这些硅晶片的氧浓度和电阻率分布。

在除外从晶片外周起向内侧5mm的面内区域，利用四探针法从晶片中心起沿径向以2mm的间距测定了电阻率分布。再由电阻率的测定结果求出了显示电阻率的面内偏差的RRG(Radial Resistivity Gradient：径向电阻率分布)。将测定范围内的电阻率的最大值设为ρ_Max、最小值设为ρ_Min时，RRG的计算式如下。

RRG(%)＝｛(ρ_Max-ρ_Min)/ρ_Min｝×100

接下来，对由无缺陷区域切出的多个硅晶片进行氧沉淀评价热处理，通过红外散射断层摄影测定了各晶片的LSTD密度。详细而言，在氧化环境下进行了780℃下3小时和1000℃下16小时的热处理，之后切割(劈開)晶片，用光蚀刻液将切割截面蚀刻2μm，之后使用表面检查装置(Raytex公司制造的MO-441)测定了切割截面的LSTD密度。

其结果，首先，无缺陷区域的氧浓度均为4×10¹⁷atoms/cm³以下。另外，由无缺陷区域切出的晶片面内(径向)的电阻率分布见图6(a)。具体而言，在图6(a)中，实线显示由晶体固化率为0.271%的晶体位置切出的晶片的面内电阻率分布、而虚线显示由晶体固化率为0.280%的晶体位置切出的晶片的面内电阻率分布，各晶片的电阻率的面内偏差(RRG)值分别为4.92%、4.54%。

另外，单晶培育方向(单晶直筒部的晶体顶～晶体底位置)的LSTD密度分布见图7。虽然是由无缺陷区域切出的硅晶片，但氧沉淀评价热处理后的LSTD密度在晶体顶侧变高，其值超过1×10⁷个/cm³。这是由于：在通过添加高浓度的氮而扩大的Pv区域产生了源于氧沉淀的缺陷。

接下来，边施加会切磁场以代替水平磁场边进行了直径8英寸的单晶硅的提拉。磁场强度设为600G、磁场中心位置设定在液面的上方25mm。坩埚的旋转速度设为4.5rpm、晶体旋转速度设为18rpm，得到了实施例所涉及的单晶硅锭。

之后，将所提拉的硅锭的无缺陷区域切片，切出晶片，施行了研磨、蚀刻等表面处理。如此操作，制造了直径为200mm、厚度为0.75mm的硅晶片。然后，测定了这些硅晶片的氧浓度和电阻率分布。再对这些硅晶片进行氧沉淀评价热处理，通过红外散射断层摄影测定了各晶片的LSTD密度。

由实施例所涉及的无缺陷区域切出的晶片面内(径向)的电阻率分布见图6(b)。具体而言，在图6(b)中，实线显示由晶体固化率为0.262%的晶体位置切出的晶片的面内电阻率分布、而虚线显示由晶体固化率为0.297%的晶体位置切出的晶片的面内电阻率分布，各晶片的电阻率的面内偏差(RRG)分别为3.37%、3.41%，均得到了电阻率的面内偏差为3.5%以下的面内电阻分布优异的结果。

另外，单晶培育方向(单晶直筒部的晶体顶～晶体底位置)的氧浓度分布见图8(a)、LSTD密度分布见图8(b)。

由图8(a)可知：无缺陷区域的氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下。进一步由图8(b)可知：虽然添加了高浓度的氮，但无缺陷区域的氧沉淀评价热处理后的LSTD密度为检测限值的1×10⁵个/cm³。需要说明的是，用于LSTD测定的表面检查装置(MO-441)的LSTD检测下限尺寸为20nm。

接下来，就会切磁场中心位置给晶体品质带来的影响进行了评价。为此，除了变更磁场中心位置以外，在与实施例相同的条件下进行了单晶硅的提拉。磁场中心位置设为-25mm、+10mm、+40mm、+100mm这四种。

之后，测定了由所提拉的硅锭的无缺陷区域切出的晶片的氧浓度。进一步对这些硅晶片进行氧沉淀评价热处理，通过红外散射断层摄影测定各晶片的LSTD密度，评价了氧沉淀的有无。

图9是显示在会切磁场中心位置不同的4种条件下提拉的单晶硅锭的无缺陷区域的氧浓度在晶体生长方向的变化的图，横轴显示晶体生长方向的位置，纵轴显示氧浓度。

如图9所示，在会切磁场中心位置处于熔液面的下方25mm的情况下，氧浓度超过4×10¹⁷atoms/cm³。相对于此，在会切磁场中心位置处于熔液面的上方10mm、40mm和100mm的情况下，氧浓度为4×10¹⁷atoms/cm³以下。

接下来，对这些硅晶片进行氧沉淀评价热处理(780℃×3小时+1000℃×16小时)，利用红外散射断层摄影测定各晶片的LSTD密度，研究了氧沉淀物的有无。其结果，如表1所示，在会切磁场中心位置处于液面位置-25mm的情况下，热处理后产生了氧沉淀物。然而，在会切磁场中心位置处于液面位置+10mm、+40mm和+100mm的情况下，热处理后没有产生氧沉淀物。

[表1]

磁场中心位置	氧浓度(atoms/cm<sup>3</sup>)	热处理后的氧沉淀物
			-25mm	4.7×10<sup>17</sup>	有
+10mm	3.5×10<sup>17</sup>	无
			+40mm	2.8×10<sup>17</sup>	无
+100mm	2.7×10<sup>17</sup>	无

符号说明

1：单晶制造装置；

2：硅熔液；

3：单晶硅(锭)；

3a：颈部；

3b：肩部；

3c：主体部；

3d：尾部；

10：室；

10a：主室；

10b：拉伸室；

10c：气体导入口；

10d：气体排出口；

10e：窥视窗；

11：石英坩埚；

12：基座；

13：旋转轴；

14：轴驱动机构；

15：加热器；

16：绝热材料；

17：热屏蔽体；

18：引线；

19：引线卷取机构；

21：磁场产生装置；

21a：上部线圈(磁场产生用线圈)；

21b：下部线圈(磁场产生用线圈)；

22：照相机；

23：图像处理部；

24：控制部。

Claims

1.单晶硅的制造方法，其特征在于：该方法是通过提拉法制造氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下、氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下的单晶硅，其中，

生成添加有氮的硅熔液，

将会切磁场的垂直方向的磁场中心位置设定在上述硅熔液的液面的上方，

边对上述硅熔液施加上述会切磁场边以不会产生原生缺陷的提拉速度来提拉上述单晶硅。

2.权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其中，上述会切磁场的垂直方向的磁场中心位置设定在上述硅熔液的液面的上方10mm以上且100mm以下的范围内。

3.权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，其中，上述会切磁场的强度为500G以上且700G以下。

4.权利要求1～3中任一项所述的单晶硅的制造方法，其中，保持上述硅熔液的坩埚的旋转速度为3rpm以上且6rpm以下。

5.权利要求1～4中任一项所述的单晶硅的制造方法，其中，上述单晶硅的旋转速度为15rpm以上且20rpm以下。

6.硅晶片，其特征在于：

氮浓度为1×10¹⁴atoms/cm³以上且5×10¹⁵atoms/cm³以下，

氧浓度为1×10¹⁷atoms/cm³以上且4×10¹⁷atoms/cm³以下，

电阻率的面内偏差为3.5%以下，

不存在原生缺陷，

在氧沉淀评价热处理后不会产生氧沉淀物。

7.权利要求6所述的硅晶片，其中，上述氧沉淀评价热处理为780℃下、3小时和1000℃下、16小时的两阶段的热处理，

上述氧沉淀评价热处理后的LSTD密度为检测限以下。