CN1708606A - 硅晶片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅晶片的制造方法，包括：硅结晶制造工序，以进入无外延缺陷区域(α2)内的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中，所述无外延缺陷区域(α2)，是在硅晶片基板中无缺陷且在外延生长层中无缺陷的无缺陷区域，并且其将硅结晶中的硼浓度为1×1018atoms/cm3以上且随着硼浓度的上升而使生长速度V渐渐降低的线作为下限线(LN1)。另一种硅晶片的制造方法，以至少含有在硅晶片基板上出现OSF即氧化诱生层错缺陷且在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域(β1)的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制的同时，以使OSF核不显现化为OSF的方式，控制硅结晶的热处理条件和硅结晶中的氧浓度。再另一种硅晶片的制造方法，以处于在硅晶片基板中出现空洞缺陷且在外延生长层中成无缺陷的无外延缺陷区域(α1)内的下限线(LN3)附近的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶。
Description
技术领域
本发明涉及硅晶片的制造方法，尤其涉及在制造形成有外延生长层的硅晶片的时候，能使外延生长层无缺陷的制造方法。
背景技术
硅晶片是由CZ法(切克劳斯基单晶生长法)通过拉晶生长制造。经拉晶生长的硅晶片的锭块(ingot)被切片为硅晶片。半导体器件是经在硅晶片的表面形成器件层的器件工序而制成。
但是在生长结晶的过程中会产生称为原生(Grow-in)缺陷(结晶生长时的导入缺陷)的结晶缺陷。
近年来，随着半导体电路的高集成化、微细化的进展，已经不能允许在硅晶片当中的制作器件的表面附近存在这样的原生缺陷。为此很多人正在探讨无缺陷结晶的制造可能性。让器件特性劣化的结晶缺陷有以下三种缺陷。
A)称为COP(Crystal Originated Particle)的由空穴凝聚产生的空穴缺陷(空洞)。
B)OSF(氧化诱生层错缺陷，Oxidation Induced Stacking Fault)
C)由晶格间硅凝聚而产生的位错环团簇(晶格间硅型位错缺陷，I-defect)。
无缺陷的硅单晶可以认为或者定义为不含有或者实质上不含有以上3种缺陷中的任何一个的结晶。
作为在制作器件电路的表层附近获得不包含原生缺陷的硅晶片的方法之一，可以举出称为“通过外延生长，在晶片表面生长无缺陷层”的方法。
即，外延生长硅晶片是在硅晶片基板(外延衬底)上通过气相生长形成结晶完整性高的外延生长层(外延层)的高附加值硅晶片。外延生长层由于结晶完整性高因此认是为实质上无缺陷层，进而如果在外延生长层制作器件，则与在硅晶片基板的表层制作器件时相比，可以显著提高器件特性。另外，由于一般认为外延生长层的结晶完整性不受到外延衬底的结晶质量的很大影响，因此至今没有特别对硅晶片基板自身的质量引起足够重视。
(现有技术1)
但是近年来随着检查缺陷度装置越来越高敏感化以及缺陷评价的基准越来越严格，硅晶片基板中的缺陷传播到外延生长层并成为外延生长层的缺陷(称为外延缺陷)的事实己被人们清楚地认识到。该内容在非专利文献1(佐藤2000应用物理学会分科会硅技术No.16 24thApril(2000)p.35)中有记载。
从而器件制造商开始要求通过在不存在成为外延缺陷的原因的结晶缺陷的硅晶片基板上形成外延生长层，而制造使外延生长层无缺陷的无外延缺陷外延硅晶片。
在硅晶片基板中的原生缺陷中有容易传播到外延生长层的缺陷和不容易传播的缺陷。尤其是像OSF或者位错环团簇这样的缺陷由于容易传播到外延生长层并很可能成为外延缺陷，因此有必要从硅晶片基板去除。
当假定在结晶铅垂(轴)方向的温度梯度G一定的情况下，硅单晶中的缺陷随着硅单晶的拉晶速度V变化。即，已知随着拉晶速度V从高速变低的过程中，在硅单晶中依次产生空洞缺陷(COP)、OSF(Ring-OSF(Ring like-OSF)；在氧化性气氛下进行热处理后，能在晶片中心和同心环上观察的层错缺陷)、无缺陷区域、位错环团簇。
在P型的硅结晶中作为掺杂材料在硅结晶中添加硼(B)。对于以高浓度添加有硼的p/p+、p/p++外延硅晶片，在硅结晶中添加有1×1018atoms/cm3～1×1019atoms/cm3程度的硼。
(现有技术2)
在非专利文献2(E.Domverger，E.Graff，D.suhren，M.Lambert，U.Wagner，W.von.Ammon，Journal of Crystal Growth，180(1997)343)中，讨论了硼给结晶缺陷的举动带去的影响。根据该非专利文献2的记载可知，通过在硅结晶中添加高浓度的硼，能以更高的拉晶速度V产生R-OSF。
对于目前的p+、p++硅结晶的制造条件，下面参照本发明的附图进行说明。
图2(a)表示外延缺陷区域和无外延缺陷区域的分布，其中，纵轴表示当假定在结晶铅垂(轴)方向的温度梯度G一定的情况下的被归一化的拉晶速度V/Vcri、横轴表示在硅结晶中添加的硼的浓度atoms/cm3。在此，所谓被归一化的拉晶速度V/Vcri是指采用在添加硼浓度1×1017atoms/cm3时的临界速度Vcri进行归一化的拉晶速度，且其中的临界速度Vcri是指在将拉晶速度V渐渐降低时在硅结晶中心消除R-OSF时的拉晶速度。
在图2(a)中的无外延缺陷区域α1，是在硅晶片基板出现空洞缺陷、而在外延生长层中成为无缺陷的无外延缺陷区域。另外，外延缺陷区域β1，是在硅晶片基板中出现OSF、而在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域。另外，无外延缺陷区域α2，是在硅晶片基板中无缺陷且在外延生长层中成无缺陷的无外延缺陷区域。另外，外延缺陷区域β2，是在硅晶片基板中出现位错环团簇、且在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域。
在以往，P+硅结晶是在由图2(a)中的J表示的区域(这称为制造条件区域)制造，而在制造条件区域J中包含有外延缺陷区域β1。因此有人尝试着将为抑制外延缺陷的制造条件区域向低V侧、即图2(b)所示的制造条件区域K移动，并在无外延缺陷区域α2内制造硅结晶。
(现有技术3)
在非专利文献3(浅山等，1999秋应物学会3p-ZY-4)中报告了以下内容。即，在低硼浓度p-硅结晶(硼浓度小于1×1018atoms/cm3)的情况下，如果降低拉晶速度V，则会由位错环团簇而使外延生长层产生缺陷，但是在高硼浓度p+、p++硅结晶中，即使在相同的低拉晶速度V条件下，也能抑制位错环团簇的产生。
从而以往认为，当制造高硼浓度p+、p++硅结晶时如果降低拉晶速度V，则能比较简单地制造不产生外延缺陷的高质量的硅结晶。即预测，无外延缺陷区域α2的下限在低硼浓度(硼浓度小于1×1018atoms/cm3)时存在，但在高硼浓度(硼浓度为1×1018atoms/cm3～1×1019atoms/cm3)时不存在。
发明内容
本发明人等发现如果降低拉晶速度V，则即使是高硼浓度p+、p++硅结晶，也产生能成为外延缺陷的原因的位错环团簇，进而由此得出了与上述预测不同的见解。
本发明鉴于以上事实，其第一解决课题是通过明确无外延缺陷区域α2的下限LN1，以更高的成品率制造无外延缺陷的高质量的外延生长晶片。
另外，以往一般认为：由于外延缺陷区域β1在硅晶片基板中产生的OSF传播到外延生长层而作为缺陷出现，因此应在避开该区域的制造条件区域中制造硅结晶。
但是，尽管在包含外延缺陷区域β1的区域中制造硅结晶，本发明人等也发现了根据不同工序条件，外延生长层不出现缺陷的情况。
本发明鉴于以上事实，其第二解决课题是在包含外延缺陷区域β1的制造条件区域中以更高的成品率制造无外延缺陷的高质量的外延生长晶片。
另外，一直认为在无外延缺陷区域α1中即使在硅晶片基板上产生空洞缺陷，也不会在外延生长层中出现缺陷。
但是近年来器件制造商们要求将外延生长层形成为2μm以下的极薄的膜。而在这样以极薄的膜形成外延生长层的情况下，在通常膜厚(5μm左右)的外延生长层中认为不曾显现化的由空洞缺陷引起的缺陷，在外延生长层中作为外延缺陷出现了。
本发明鉴于以上事实，其第三解决课题是即使在将外延生长层形成为极薄的膜的情况下，也能在无外延缺陷区域α1内以高成品率制造无外延缺陷的高质量的外延生长晶片。
本发明之一，提供一种硅晶片的制造方法，其特征在于，包括：
硅结晶制造工序，以进入无外延缺陷区域(α2)内的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度，所述无外延缺陷区域(α2)，是在硅晶片基板中无缺陷且在外延生长层中无缺陷的无缺陷区域，并且将硅结晶中的硼浓度为1×1018atoms/cm3以上且随着硼浓度的上升而使生长速度V渐渐降低的线作为下限线(LN1)；
硅晶片基板获取工序，从所述硅结晶获取硅晶片基板；
外延生长工序，在所述硅晶片基板上形成外延生长层。
本发明之二，是在本发明之一中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之三，是在本发明之二中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过向拉晶硅结晶的硅熔液施加磁场，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之四，是在本发明之二中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制硅结晶的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之五，是在本发明之二中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制收纳硅熔液的石英坩锅的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之六，是在本发明之一中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
本发明之七，是在本发明之二中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
根据本发明之一，以进入无外延缺陷区域α2内的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度，另外，所述无外延缺陷区域α2，是将如图1中的LN1所示的那样的硅结晶中的硼浓度为1×1018atoms/cm3以上且随着硼浓度的上升而使生长速度V渐渐降低的线作为下限线LN1。
接着，进行硅晶片基板获取工序，即从所述硅结晶获取硅晶片基板；
接着，进行外延生长工序，即在所述硅晶片基板上形成外延生长层。
这样制造后，硅晶片基板和外延生长层中都不出现缺陷，从而能获得高质量的外延硅晶片。
根据本发明，由于明确了无外延缺陷区域α2的下限LN1，因此可以正确地求出不超过下限LN1以下的硼浓度和生长条件V/G。因此，通过以在不超过下限LN1以下的硼浓度和生长条件V/G的情况下制造结晶，能够以高的成品率制造没有外延缺陷的高质量外延硅晶片。
本发明之二是在第一发明的硅结晶制造工序的基础上增加技术性限定的发明，即，在所述硅结晶制造工序中，硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
如图3所示，纵宽度是根据硅结晶10的硅结晶的轴方向温度梯度G的均匀性规定硅结晶的制造条件区域的纵宽度(纵轴V/Vcri方向的宽度)。硅结晶的结晶轴方向温度梯度G在硅结晶的结晶中心10c和结晶端10e之间越均匀，越能减小图3的制造条件区域中的纵宽度Be～Bc、Ac～Ae，容易进入无外延缺陷区域α2，从而能够以高的成品率制造没有外延缺陷的高质量外延硅晶片。
本发明之三是在本发明之二的硅结晶制造工序的基础上增加技术性限定的发明，即，在所述硅结晶制造工序中，通过向拉晶硅结晶的硅熔液施加磁场，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之四是在本发明之二的硅结晶制造工序的基础上增加技术性限定的发明，即，在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制硅结晶的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之五是在本发明之二的硅结晶制造工序的基础上增加技术性限定的发明，即，在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制收纳硅熔液的石英坩锅的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
本发明之六和之七是在本发明之一和之二的硅结晶制造工序的基础上分别增加技术性限定的发明，即，在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
根据第六和七发明，如果将硅结晶10中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下而变成低氧浓度，则即使例如制造条件区域跨到外延缺陷区域β1，也很难看到硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。因此可以宽缓硼浓度和生长条件V/G的设定条件，进一步提高成品率。
本发明之八，提供一种硅晶片的制造方法，其特征在于，
以至少含有在硅晶片基板上出现OSF即氧化诱生层错缺陷且在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域(β1)的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制的同时，以使OSF核不显现化为OSF的方式，控制硅结晶的热处理条件和硅结晶中的氧浓度，其中，V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度。
根据第八发明，即使制造条件区域成为含有外延缺陷区域β1的范围，通过控制硅结晶的热处理条件和硅结晶中的氧浓度，也不会使硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。因此可以在拉晶速度V高的制造条件区域中以高的成品率制造高质量的外延硅晶片。
本发明之九，提供一种硅晶片的制造方法，其特征在于，包括：
硅结晶制造工序，以处于在硅晶片基板中出现空洞缺陷且在外延生长层中成无缺陷的无外延缺陷区域(α1)内的下限线(LN3)附近的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度；
硅晶片基板获取工序，从所述硅结晶获取硅晶片基板；
外延生长工序，在所述硅晶片基板上形成2μm以下的薄膜外延生长层。
本发明之十，是在本发明之九中，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
本发明之九基于以下见解，即，在无外延缺陷区域α1内越接近下限线LN3则空洞缺陷(COP)的尺寸、数量变得比远离下限线LN3的区域更小。因此，通过对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，将制造条件区域设定为无外延缺陷区域α1内的下限线LN3附近，则可以减小空洞缺陷(COP)的尺寸、数量，因此即使将外延生长层形成为2μm以下的极薄膜，也不会使硅晶片基板中的空洞缺陷传播到外延生长层并作为外延缺陷显现化。因此，可以在拉晶速度V高的制造条件区域中以高的成品率制造高质量的极薄膜外延硅晶片。
根据本发明之十，如果将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下而变成低氧浓度，则即使例如制造条件区域跨到外延缺陷区域β1，也很难看到硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。因此可以宽缓硼浓度和生长条件V/G的设定条件，进一步提高成品率。
附图说明
图1表示适用于实施方式的硅结晶10中的硼浓度(atoms/cm3)和生长条件V/Vcri(生长条件V/G)与外延缺陷区域、无外延缺陷区域之间的关系图。
图2(a)、(b)与图1对应，且表示与成为目标的制造条件区域之间的关系图。
图3(a)与图1对应，表示与制造条件区域的纵宽度Be～Bc、Ac～Ae之间的关系图；图3(b)表示固液界面附近的结晶轴方向温度梯度G的结晶半径方向分布图；图3(c)表示固液界面附近的结晶中的各等温线的图。
图4表示作为使用于实施方式的硅晶片制造方法中的硅结晶制造装置(单晶硅生长装置)的构成一例的图。
图5(a)是表示固液界面成为凸形状的样子的图；图5(b)是表示对根据结晶拉晶条件的不同，固液界面的凸形状发生变化的情况进行调查的实验结果的图。
图6表示对根据坩锅转速的不同，固液界面的凸形状发生变化的情况进行调查的实验结果的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的硅晶片制造方法的实施方式。
图4表示从侧面观察使用于实施方式的硅结晶制造装置的一例的图。
在该图4中，实施方式的单晶拉晶装置1具备作为单晶拉晶用容器的CZ炉(腔室)2。
在CZ炉2内设置有将多晶硅的原料熔融并作为熔液5进行收纳的石英坩锅3。石英坩锅3的外侧被石墨坩锅11所覆盖。在石英坩锅3的外侧的侧方设置有对石英坩锅3内的多晶硅原料进行加热而熔融的主加热器9。在石英坩锅3的底部设置有对石英坩锅底面进行辅助性加热而防止石英坩锅3底部的熔液5固化的辅助加热器(底部加热器)19。主加热器9、辅助加热器19的输出(功率；kW)被独立控制，独立调整对熔液5的加热量。例如，检测熔液5的温度、将检测温度作为反馈量，以熔液5的温度成为目标温度的方式，对主加热器9、辅助加热器19的各输出进行控制。
在主加热器9和CZ炉2的内壁之间设有保温筒13。
在石英坩锅3的上方设置有拉晶机构4。拉晶机构4包含拉晶轴4a和拉晶轴4a的前端的籽晶夹4c。由籽晶夹4c把持种晶14。
在石英坩锅3内多晶硅(Si)被加热并熔融。如果熔液5的温度稳定化，则拉晶机构4工作并从熔液5拉晶形成单晶硅10(以下称为硅结晶10)。即拉晶轴4a下降，使由拉晶轴4a的前端的籽晶夹4c所把持的种晶14浸渍在熔液5中。将种晶14在熔液5中融合后提升拉晶轴4a。随着被籽晶夹4c把持的种晶14上升，生长硅结晶10。在拉晶时，石英坩锅3绕着转动轴110以转速ω1转动。另外，拉晶机构4的拉晶轴4a在转动轴110的反方向或者相同方向上以转速ω2转动。
在本实施方式中，为了在提拉的硅结晶10中添加硼(B)，预先将硼投入到石英坩锅3内的熔液5中。
另外，转动轴110可以在铅垂方向驱动，让石英坩锅3上下移动，可以移动到任意位置。
通过将CZ炉内和外部气体隔绝，炉2内维持为真空(例如20Torr程度)。即，在CZ炉2中供给作为惰性气体的氩气7，并从CZ炉2的排气口由泵排气。由此，炉2内可以减压为规定的压力。
在进行单晶拉晶的工序(1批)之间，在CZ炉2内产生各种蒸发物。因此向CZ炉2内供给氩气7并向CZ炉2外与蒸发物一同排气，从而去除来自CZ炉2内的蒸发物，使其清洁。氩气7的供给流量根据1批中的各工序分别设定。
随着硅结晶10的提拉，熔液5变少。随着熔液5变少，熔液5和石英坩锅3之间的接触面积变化，使来自石英坩锅3的氧溶解量变化。该变化影响被拉晶的硅结晶10中的氧分布浓度。因此，为防止该情况发生，可以在减少了熔液5的石英坩锅3内在拉晶后或者拉晶过程中追加供给多晶硅原料或者单晶硅原料。
在石英坩锅3的上方的硅结晶10的周围，设置有大致倒圆锥台形状的热遮蔽板8(气体整流筒)。该热遮蔽板8被保温筒13支撑。热遮蔽板8将从上方对CZ炉2内供给的作为运载气体的氩气7引导至熔液表面5a，再通过熔液表面5a并引导到熔液表面5a的周缘部。然后，氩气7与从熔液5蒸发的气体一同，从设在CZ炉2的下部的排气口排出。由此可稳定化液面上的气体流速，将从熔液5蒸发的氧保持为稳定状态。
另外，热遮蔽板8发挥将种晶14以及从种晶14生长的硅结晶10，从石英坩锅3、熔液5、主加热器9等的高温度产生的热辐射进行遮蔽、隔绝的作用。另外，热遮蔽板8防止在硅结晶10上附着在炉内产生的杂质(例如硅氧化物)等，进而防止阻碍单晶育成。热遮蔽板8的下端和熔液表面5a之间的间隙的间隔H的大小，可通过提升下降转动轴110、改变石英坩锅3的上下方向位置而进行调整。另外还可以通过用升降装置移动热遮蔽板8的上下方向而调整间隔H。
通过调整间隔H、拉晶轴4a的拉晶速度V，对硅结晶10的生长条件V/G(V：生长速度、G：结晶的轴方向温度梯度)进行控制。
另外，通过调整石英坩锅3内的硼投入量，可以控制硅结晶10中的硼浓度(硼添加量，atoms/cm3)
另外，在拉晶过程中，通过调整坩锅转速ω1、拉晶轴转速ω2、氩气流量、炉内压力等，控制硅结晶10中的氧浓度(atoms/cm3)。
由图4所示的装置制造的硅结晶10的锭块(ingot)通过切断装置切断，这样就能获得硅晶片。
将硅晶片载置于外延生长装置的炉内，并在硅晶片的表面供给作为薄膜原料的原料气体、例如供给三氯硅烷(SiHCl3)。这样，通过三氯硅烷的化学反应，在硅晶片基板的表面经外延生长形成相同硅的薄膜。由此，作为外延生长模，在基板上形成原子排列与硅晶片基板相同的结晶。
图1表示适用于实施方式的硅结晶10中的硼浓度(atoms/cm3)和生长条件V/G与外延缺陷区域、无外延缺陷区域之间的关系图。
图1的纵轴表示当假定在结晶铅垂(轴)方向的温度梯度G一定的情况下被归一化后的拉晶速度V/Vcri、横轴表示在硅结晶中添加的硼的浓度atoms/cm3。在这里，所谓被归一化的拉晶速度V/Vcri是指采用在添加硼浓度1×1017atoms/cm3时的临界速度Vcri进行归一化后的拉晶速度，且其中的临界速度Vcri是指在将拉晶速度V渐渐降低时在硅结晶中心消除R-OSF时的拉晶速度。
在图1中的无外延缺陷区域α1，是在硅晶片基板出现空洞缺陷、而在外延生长层中成为无缺陷的无外延缺陷区域。另外，外延缺陷区域β1，是在硅晶片基板中出现OSF、而在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域。另外，无外延缺陷区域α2，是在硅晶片基板中无缺陷且在外延生长层中成无缺陷的无外延缺陷区域。另外，外延缺陷区域β2，是在硅晶片基板中出现位错环团簇、且在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域。
将图1与现有技术比较进行说明。
根据现有技术3，预测了无外延缺陷区域β2的下限在低硼浓度(小于1×1018atoms/cm3)存在、但在高硼浓度(1×1018atoms/cm3～1×1019atoms/cm3)不存在。
但是，本发明者们发现如果降低拉晶速度V，则即使是高硼浓度p+、p++硅结晶，也产生能成为外延缺陷的原因的位错环团簇，进而由此得出了与上述预测不同的见解。
即，如在图1中的LN1所示，将随着硅结晶中的硼浓度达到1×1018atoms/cm3以上，生长速度渐渐下降的线看作为无外延缺陷区域α2的下限。
(第一制造方法)
因此，以不超过下限线LN1以下而处于无外延缺陷区域α2内的方式，控制硅结晶10中的硼的浓度和生长条件V/G(V：生长速度、G：结晶的轴方向温度梯度)，制造硅结晶10。
接着，从制造的硅结晶10制造硅晶片基板。
然后，在获得的硅晶片基板上形成外延生长层。
其结果制造出了在硅晶片基板和外延生长层都没有缺陷出现的高质量的外延硅晶片。
缺陷评价可通过铜装饰(Cu Decoration)之后的X射线物相拍摄法进行。另外，还可以采用红外散射法、氧析出热处理后的X射线物相拍摄法、氧析出热处理后的蚀刻光学显微镜观察、Secco蚀刻法等，也可以将各方法并用。
根据本实施方式，由于明确了无外延缺陷区域α2的下限LN1，因此可以求出不超过下限线LN1以下的硼浓度和生长条件V/G。通过在不超过下限线LN1以下的硼浓度和生长条件V/G下制造硅结晶10，能以高成品率制造物缺陷的高质量外延硅晶片。
在上述的第一制造方法中还可以追加以下的控制并实施。
(第二制造方法)
在第二制造方法中，基于第一制造方法追加了以下控制，即：在制造硅结晶10时，将硅结晶10的轴方向温度梯度G控制在从结晶中心10c到结晶端10e之间的规定水平以下且均匀。
图2(b)是表示在第一制造方法中制造硅结晶10时的制造条件区域K的一例。
本发明者发现以下事实：制造条件区域K的图2(b)的纵宽度是根据硅结晶10的轴方向温度梯度G的结晶半径方向的均匀性而规定，而其中，结晶轴方向温度梯度G可通过将作为在硅结晶拉晶过程中的熔液5和硅结晶10之间的边界的固液界面形成为向上凸出的形状，而使其变得均匀。
图3(a)与图1对应，在图3(a)中，将制造条件区域的纵宽度分别例示为Be～Bc、Ac～Ae。
图3(c)表示了在硅结晶的拉晶过程中的熔液5和硅结晶10之间的边界即固液界面的附近的各等温线L1、L2、L3、L4、L5。在图3(c)中，等温线L1是固液界面上的等温线，而L2、L3、L4、L5是依次从固液界面朝结晶轴方向远离的位置的等温线。等温线L1、L2、L3、L4、L5作为硅结晶10的结晶中心10c和作为结晶外周的结晶端10e之间的等温线表示。结晶中心10c和结晶端10e之间的距离相当于硅结晶10的半径R。在该图3(c)中，固液界面朝上形成凸形状，而与此相伴，硅结晶10的轴方向温度梯度G在结晶中心10c～结晶端10e的各位置r中都变得均匀。
图3(b)是表示固液界面附近的结晶轴方向温度梯度G的结晶半径方向分布的图。图3(b)中的横轴表示由硅结晶10的半径R归一化后的硅结晶10的半径方向位置r/R，纵轴表示固液界面附近的结晶轴方向温度梯度G。
图3(b)中的线A表示在结晶端10e的结晶轴方向温度梯度Ae大于在结晶中心10c的结晶轴方向温度梯度Ac的情况。图3(b)中的线B表示在结晶端10e的结晶轴方向温度梯度Be小于在结晶中心10c的结晶轴方向温度梯度Bc的情况。另外，例示了线A在整体上与线B相比，其结晶轴方向温度梯度G更大的情况。
通过比较图3(a)和图3(b)可知，结晶轴方向温度梯度G整体上小的制造条件区域Be～Bc，与结晶轴方向温度梯度G整体上大的制造条件区域Ac～Ae相比，位于图3(a)的相对更上侧。即，结晶轴方向温度梯度G越减小，制造条件区域Ac～Ae或者Be～Bc越接近无外延缺陷区域α2的上限LN2(外延缺陷区域β1的下限)，相反，结晶轴方向温度梯度G越增大，制造条件区域Ac～Ae或者Be～Bc越接近无外延缺陷区域α2的下限LN1(外延缺陷区域β2的上限)。
另外，通过使结晶中心10c中的结晶轴方向温度梯度Ac小于结晶端10e中的结晶轴方向温度梯度Ae，可以将结晶轴方向温度梯度G小的结晶中心10c(Ac)在图3(a)中位于上侧的同时，将结晶轴方向温度梯度G大的结晶中心10e(Ae)在图3(a)中位于下侧。同样，通过使结晶中心10c中的结晶轴方向温度梯度Bc大于结晶端10e中的结晶轴方向温度梯度Be，可以将结晶轴方向温度梯度G小的结晶中心10e(Be)在图3(a)中位于上侧的同时，将结晶轴方向温度梯度G大的结晶中心10c(Bc)在图3(a)中位于下侧。
而且，在图3(b)中如果让线A越接近平坦、即在结晶中心Ac～结晶端Ae的各位置r/R中越均匀化结晶轴方向温度梯度G，则越能减小图3(a)中的制造条件区域的纵宽度Ac～Ae。同样，在图3(b)中人线B越接近平坦、即在结晶中心Bc～结晶端Be的各位置r/R中越均匀化结晶轴方向温度梯度G，则越能减小图3(a)中的制造条件区域的纵宽度Bc～Be。
在这里，可通过如图3(c)所示的那样在固液界面向上形成凸形状，使结晶轴方向温度梯度G变得均匀。
因此，在本实施方式中，通过进行在固液界面向上形成凸形状的控制，使结晶轴方向温度梯度G均匀化。由此可以减小在图3(a)中的制造条件区域的纵宽度Ac～Ae或者制造条件区域的纵宽度Bc～Be。如果减小图3(a)中的制造条件区域的纵宽度Ac～Ae，则可以防止图中下侧的结晶端10e(Ae)向下超过无外延缺陷区域α2的下限LN1而进入外延缺陷区域β2。同样，如果减小图3(a)中的制造条件区域的纵宽度Bc～Be，则可以防止图中上侧的结晶端10e(Be)向下超过无外延缺陷区域α2的上限LN2而进入外延缺陷区域β1。
根据本实施方式，可以很容易地将作为图2(b)的目标的制造条件区域K进入到无外延缺陷区域α2，从而能以高的成品率制造没有外延缺陷的高质量的外延硅晶片。
(第三制造方法)
接着，对将固液界面控制为向上凸出的形状的具体例进行说明。
在该第三制造方法中，在制造硅结晶10的时候，通过对提拉硅结晶10的硅熔液5施加磁场，将固液界面形成为向上凸出的形状，从而使硅结晶10的结晶轴方向温度梯度G从结晶中心10c到结晶端10e之间均匀化至规定水平以下。
作为向熔液5施加磁场的方法，可以采用例如使用超导磁铁施加横磁场的方法、或者施加尖点(cusp)磁场的方法。
通过向熔液5施加磁场，可以抑制熔液5内的对流。因此为控制固液界面的目标温度(例如1412℃)，增加由主加热器9施加的加热量。由此，从熔液5流入固液界面的热量增加，使固液界面成为向上的凸形状。
(第四制造方法)
下面对将固液界面控制为向上的凸形状的另一例进行说明。
在该第四制造方法中，在制造硅结晶10的时候，拉晶硅结晶10的硅熔液5处于无磁场的状态，通过控制硅结晶10的转速ω2，使硅结晶10的结晶轴方向温度梯度G从结晶中心10c到结晶端10e之间均匀化至规定水平以下。
通过将硅结晶10的转速ω2上升为一定水平以上，在熔液5中产生从下卷上的流动，并使热输送在熔液5的中心部被活性化。由此，可以将固液界面形成为向上凸出的形状。
图5(b)是表示在拉晶直径为200mm的硅结晶10的时候，对根据结晶拉晶条件的不同、固液界面的凸形状发生变化的情况进行调查的实验结果的图。图5(b)中的横轴表示拉晶速度V、纵轴表示固液界面中心高度(突出量)Xcen。当固液界面中心高度(突出量)Xcen是正值时表示固液界面向上凸出；当固液界面中心高度(突出量)Xcen是负值时表示固液界面向下凸出。在图5(a)中定义了固液界面中心高度(突出量)Xcen。
在图5(b)中，S/R26表示硅结晶10的转速ω2为26rpm的情况；S/R30表示硅结晶10的转速ω2为30rpm的情况；H30表示热遮蔽板8的下端和熔液表面5a之间的间隙的间隔H为30mm的情况；H50表示同样间隔为50mm的情况。但是采用了无磁场的状态。
(第五制造方法)
在将固液界面形成为向上凸出的形状时，还可以采用控制石英坩锅3的转速ω1的方法，以替代控制硅结晶10的转速ω2的方法。
在该第五制造方法中，在制造硅结晶10的时候，拉晶硅结晶10的硅熔液5处于无磁场的状态，通过控制石英坩锅3的转速ω1，使硅结晶10的结晶轴方向温度梯度G从结晶中心10c到结晶端10e之间均匀化至规定水平以下。
图6是对根据石英坩锅3的转速ω1而使固液界面的凸形状变化的情况进行调查的实验结果的图。图6中的横轴表示石英坩锅3的转速ω1、纵轴表示固液界面中心高度(突出量)Xcen。但是拉晶速度是1.5mm/min、磁场条件是无磁场状态。
(第六制造方法)
在该第六制造方法中，基于第一制造方法，追加了以下控制：在制造硅结晶10的时候，将硅结晶10中的氧浓度限制在12.5atoms/cm3以下。
在第一制造方法中，如图2(b)所示，将制造条件区域K收纳于无外延缺陷区域α2作为前提。但是可根据情况宽缓制造条件，而在跨到外延缺陷区域β1的制造条件区域中制造硅结晶10。
为此，进行将硅结晶10中的氧浓度限制在12.5atoms/cm3以下的控制。如果硅结晶10处于低氧浓度，则即使例如结晶制造条件区域跨到外延缺陷区域β1，也很难看到硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。为此，可以宽缓硼浓度和生长条件V/G的设定条件，更加提高成品率。
(第七制造方法)
在该第七制造方法中，如图2(a)所例示的那样，对硅结晶10中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，使得成为至少含有外延缺陷区域β1的制造条件区域J，并在此条件下制造硅结晶10。在这里所谓“至少含有外延缺陷区域β1”是指：制造条件区域收纳在外延缺陷区域β1内的情况；横跨外延缺陷区域β1和无外延缺陷区域α1的情况；横跨外延缺陷区域β1和无外延缺陷区域α2的情况；以及横跨外延缺陷区域β1、无外延缺陷区域α1和无外延缺陷区域α2的情况。
而且在第七制造方法中，在以不使OSF核显现化为OSF的方式控制硅结晶10中的氧浓度的同时，对硅晶片基板实施热处理。
下面例示了为使OSF核不显现化为OSF的氧浓度和热处理条件。
1)将硅结晶10中的氧浓度限制在12.5atoms/cm3以下，在干燥的O2气体气氛下(干O2)实施1000℃×16小时的热处理。
2)将硅结晶10中的氧浓度限制在11atoms/cm3以下，在潮湿的O2气体气氛下(湿O2)实施650℃×3+1100℃×2小时的热处理。
3)将硅结晶10中的氧浓度限制在11atoms/cm3以下，在干燥的O2气体气氛下(干O2)实施650℃×3+1000℃×16小时的热处理。
在以上的氧浓度和热处理条件下控制硅结晶10中的氧浓度并对硅晶片基板实施热处理的结果，没有观察到硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。
这样，依据本实施方式，即使成为制造条件区域包含外延缺陷区域β1的范围，也不发生OSF引起的外延缺陷。为此，如图2(a)所示，可以在拉晶速度V高的制造条件区域J中，以高成品率制造高质量的外延硅晶片。
(第八制造方法)
本发明者发现在无外延缺陷区域α1内越接近下限线LN3则空洞缺陷(COP)的尺寸、数量变得越小，并由此得出了以下见解：在制造极薄膜的外延硅晶片时，在从无外延缺陷区域α1的下限线LN3远离的图中左上区域中出现空洞缺陷会传播到外延生长层而显现为外延缺陷，但在无外延缺陷区域α1内的下限线LN3附近的区域由空洞缺陷引起的外延缺陷不会被显现化。
在该第八制造方法中，以使制造条件区域处于无外延缺陷区域α1内的下限线LN3附近的方式，对硅结晶10中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶10。
接着，从所述硅结晶10获取硅晶片基板。
再接着，在所述硅晶片基板上形成2μm以下的极薄膜外延生长层。
其结果，可以制造没有外延缺陷的高质量的极薄膜外延硅晶片。根据本实施方式，可以在拉晶速度V高的制造条件区域以高成品率制造高质量的极薄膜外延硅晶片。
(第九制造方法)
在该第九制造方法中，基于第八制造方法，追加了以下控制，即：在制造硅结晶10的时候，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
在第八制造方法中，将制造条件区域收纳于无外延缺陷区域α1作为前提。但是可根据情况宽缓制造条件，而在跨到外延缺陷区域β1的制造条件区域中制造硅结晶10。
为此，进行将硅结晶10中的氧浓度限制在12.5atoms/cm3以下的控制。如果硅结晶10处于低氧浓度，则即使例如结晶制造条件区域跨到外延缺陷区域β1，也很难看到硅晶片基板中的OSF核生长为称为OSF的缺陷并作为外延缺陷在外延生长层中显现化。为此，可以宽缓硼浓度和生长条件V/G的设定条件，进一步提高成品率。
Claims (10)
1、一种硅晶片的制造方法，其特征在于，包括：
硅结晶制造工序，以进入无外延缺陷区域(α2)内的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度，所述无外延缺陷区域(α2)，是在硅晶片基板中无缺陷且在外延生长层中无缺陷的无缺陷区域，并且将硅结晶中的硼浓度为1×1018atoms/cm3以上且随着硼浓度的上升而使生长速度V渐渐降低的线作为下限线(LN1)；
硅晶片基板获取工序，从所述硅结晶获取硅晶片基板；
外延生长工序，在所述硅晶片基板上形成外延生长层。
2、如权利要求1所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
3、如权利要求2所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过向拉晶硅结晶的硅熔液施加磁场，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
4、如权利要求2所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制硅结晶的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
5、如权利要求2所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，通过使拉晶硅结晶的硅熔液处于无磁场状态的同时控制收纳硅熔液的石英坩锅的转速，使硅结晶的轴方向温度梯度G从结晶中心到结晶端之间在规定水平以下均匀化。
6、如权利要求1所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
7、如权利要求2所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
8、一种硅晶片的制造方法，其特征在于，
以至少含有在硅晶片基板上出现OSF即氧化诱生层错缺陷且在外延生长层中出现缺陷的外延缺陷区域(β1)的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制的同时，以使OSF核不显现化为OSF的方式，控制硅结晶的热处理条件和硅结晶中的氧浓度，其中，V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度。
9、一种硅晶片的制造方法，其特征在于，包括：
硅结晶制造工序，以处于在硅晶片基板中出现空洞缺陷且在外延生长层中成无缺陷的无外延缺陷区域(α1)内的下限线(LN3)附近的方式，对硅结晶中的硼浓度和生长条件V/G进行控制，制造硅结晶，其中V表示生长速度、G表示结晶的轴方向温度梯度；
硅晶片基板获取工序，从所述硅结晶获取硅晶片基板；
外延生长工序，在所述硅晶片基板上形成2μm以下的薄膜外延生长层。
10、如权利要求9所述的硅晶片的制造方法，其特征在于，
在所述硅结晶制造工序中，将硅结晶中的氧浓度控制在12.5atoms/cm3以下。
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