TW202305198A - 單晶矽的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明的課題為：藉由柴可拉斯基法從矽融液拉提單晶矽時，即使將v／G的值維持為固定而產生週期性的晶體直徑變動，藉由將直徑變化量控制在一定的範圍內，仍於整個晶體長度培育缺陷密度小且無缺陷區域率高的單晶矽。解決手段為一種單晶矽的製造方法，係藉由加熱器的加熱以於坩堝內形成矽融液，並藉由柴可拉斯基法培育單晶矽，於製造前述單晶矽中對直體部進行拉提中係具備下述工序：一邊繞軸旋轉一邊將所拉提的單晶矽的拉提速度設為固定，並控制前述加熱器的輸出以使固液界面的溫度梯度成為固定；以及於控制前述加熱器的輸出之工序的期間控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。

Description

單晶矽的製造方法

本發明係關於單晶矽的製造方法，特別關於藉由柴可拉斯基法(Czochralski method，以下亦稱為CZ法)來培育無缺陷區域率高的單晶矽之單晶矽的製造方法。

藉由CZ法來培育單晶矽係藉由下述方式來進行：將作為原料之多晶矽填充至如圖4所示的腔室50內所設置的石英坩堝51，並藉由於石英坩堝51的周圍所設置的加熱器52將多晶矽加熱並使多晶矽熔融，以形成矽融液M之後，將安裝於晶種夾具(seed chuck)之種晶(seed crystal)(晶種(seed))P浸漬於該矽融液M，並一邊使晶種夾具以及石英坩堝51沿同方向或是反方向旋轉一邊拉提晶種夾具。

一般來說，在拉提開始之前，當矽融液M的溫度穩定之後，進行頸化(necking)，亦即使種晶P接觸矽融液M以熔解種晶P的前端部。頸化係為了要將因種晶P與矽融液M之間的接觸所產生的熱衝擊(thermal shock)而導致於單晶矽所產生的錯位(dislocation)予以去除而不可缺少的工序。 藉由該頸化而形成頸部P1。此外，該頸部P1的直徑通常為3mm至4mm，該頸部P1的長度最少需要為30mm以上，且視條件等而會需要長度為100mm至500mm。

此外，作為拉提開始後的工序，於頸化結束之後，進行：形成肩部C1之工序，係將晶體加寬至直體部的直徑；形成直體部C2之工序，係培育作為製品之單晶；以及形成尾部(圖未示)之工序，係在形成直體部之工序之後，將單晶的直徑逐漸減小。

另外，藉由CZ法而培育的晶體在晶體化時會有點缺陷(point defect)混入。該點缺陷會導致形成原生(Grown-in)缺陷，惟通常稱為無缺陷晶體的晶體係在將拉提速度設為v並將固液界面中的溫度梯度設為G時，控制v／G成為某種固定值，並以此為指標而培育缺陷密度非常低的晶體。

然而，於培育單晶中，為了形成無缺陷區域的v／G值的餘裕(margin)非常地小，因此存在難以於整個晶體長度獲得無缺陷晶體的課題。 針對如此的課題，於專利文獻1中揭示了一種方法，係事先預測晶體長度方向的溫度梯度(G)的變化，並配合該溫度梯度(G)的變化而使拉提速度(v)變化。根據該方法，若溫度梯度(G)的變化的預測正確，則能將v／G的值維持為固定。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2005-15297號公報。

[發明所欲解決之課題]

專利文獻1所揭示的單晶拉提方法係以單晶的晶體直徑係常態地為固定之情況為前提。 然而，在一般的單晶拉提中，將拉提速度(v)設為固定並改變用於加熱石英坩堝之加熱器的輸出，以固液界面中的溫度梯度(G)成為固定之方式進行控制，因此坩堝內的融液對流係受到加熱量的影響而變化，如圖5示意性地顯示般，於培育直體部C2時係產生微小但週期性的直徑變動。 當發生如此的週期性的晶體直徑變動時，缺陷密度也在晶體長度方向週期性地變化。而且，當變動大時，存在有局部性地空位(vacancy)或晶格間矽主導區域變化，使得培育出包含高密度缺陷的晶體，導致產率降低之課題。

本案發明人將拉提速度(v)設為固定，並改變用於加熱石英坩堝之加熱器的輸出，以使固液界面中的溫度梯度(G)的值成為固定(v／G的值係維持為固定)之情況為前提(亦即以產生上述週期性的晶體直徑變動為前提)，為了培育無缺陷區域率高的單晶而致力研究，進而完成本發明。 本發明的目的在於提供一種單晶矽的製造方法，當藉由柴可拉斯基法而從矽融液拉提矽單晶時，即使將v／G的值維持為固定而產生週期性的晶體直徑變動，藉由將直徑變化量控制於固定的範圍內，仍能於整個晶體長度培育缺陷密度小且無缺陷區域率高的單晶矽。 [用以解決課題之手段]

為了解決上述課題而完成的本發明的單晶矽的製造方法，係藉由加熱器的加熱以於坩堝內形成矽融液，並藉由柴可拉斯基法培育單晶矽，於製造前述單晶矽中對直體部進行拉提中係具備下述工序：一邊繞軸旋轉一邊將所拉提的前述單晶矽的拉提速度設為固定，並控制前述加熱器的輸出以使固液界面的溫度梯度以及前述單晶矽的直徑成為固定；以及於控制前述加熱器的輸出之工序的期間控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。

此外，理想地，於控制前述加熱器的輸出之工序的期間控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，根據上一批次的拉提時的晶體轉速來設定晶體轉速的初始值。 此外，理想地，於控制前述加熱器的輸出之工序的期間控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，根據晶體長度方向上晶體直徑變化至少達經過一個週期的單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)與晶體轉速之間的關係來控制此後的晶體轉速。 此外，理想地，於控制前述加熱器的輸出之工序的期間控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，當將單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)設為y，將相距晶體轉速的基準值之調整幅度(rpm)設為x時，根據y=0.0049x之關係式來控制晶體轉速。

如上所述，根據本發明，於拉提單晶直體部中，將拉提速度設為固定，並控制加熱器的輸出使得固液界面的溫度梯度以及單晶矽的直徑成為固定，除此之外控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。 藉此能將晶體直徑的週期性的變化量抑制地較小，且能防止於單晶的晶體長度方向上產生缺陷密度過高的區域(空位、晶格間矽主導區域)，並能抑制所培育的單晶的產率降低。 [發明功效]

根據本發明，能提供一種單晶矽的製造方法，當藉由柴可拉斯基法從矽融液拉提單晶矽時，即使將v／G的值維持為固定而產生週期性的晶體直徑變動，藉由將直徑變化量控制於一定的範圍內，能於整個晶體長度培育缺陷密度小且無缺陷區域率高的單晶矽。

以下使用圖式針對本發明的單晶矽的製造方法進行說明。圖1係實施本發明的單晶矽的製造方法之單晶拉提裝置的剖面圖。 該單晶拉提裝置1係具備於圓筒形狀的主室10a上層疊拉提室(pull chamber)10b而形成的爐體10，並於該爐體10內具備：碳坩堝(或黑鉛坩堝)2，係能夠以鉛直軸為軸而旋轉，且設置為能夠升降；以及石英玻璃坩堝3(以下僅稱為坩堝3)，係被該碳坩堝2所保持。該坩堝3係形成為能夠隨著碳坩堝2的旋轉而以鉛直軸為軸而旋轉。

此外，於碳坩堝2的下方係設有：旋轉驅動部14，係如旋轉馬達等，使該碳坩堝2以鉛直軸為軸而旋轉；以及升降驅動部15，係使碳坩堝2升降移動。 此外，於旋轉驅動部14係連接有旋轉驅動控制部14a，於升降驅動部15係連接有升降驅動控制部15a。

此外，單晶拉提裝置1係具備：側加熱器4，係基於電阻加熱，將裝填至坩堝3的半導體原料(原料多晶矽)熔融以形成矽融液M(以下僅稱為熔融液M)；以及拉提機構9，係捲繞線6並拉提所培育的單晶C。該拉提機構9所具有的線6的前端係安置有種晶P。

此外，側加熱器4係與用於控制供給電力量之加熱器控制部4a連接，拉提機構9係與用於進行控制拉提機構9的旋轉驅動之旋轉驅動控制部9a連接。 此外，於本實施形態中，於該單晶拉提裝置1中，例如於爐體10的外側設置有磁場施加用電磁線圈8。當對該磁場施加用電磁線圈8施加預定的電流時，對坩堝3內的矽融液M施加預定強度的水平磁場。磁場施加用電磁線圈8係與用於進行磁場施加用電磁線圈8的動作控制之電磁線圈控制部8a連接。 亦即，於本實施形態中，係實施對熔融液M內施加磁場以培育單晶之MCZ法(Magnetic field applied CZ法；施加了磁場的柴可拉斯基法)，藉此控制矽融液M的對流，並達到使單晶化穩定。

此外，於坩堝3內所形成的熔融液M的上方係配置有用於包圍單晶C的周圍之輻射防護件(radiation shield)7。該輻射防護件7的上部以及下部係形成開口，且對於培育中的單晶C遮蔽來自如側加熱器4、熔融液M等的多餘的輻射熱，並且對爐內的氣流進行整流。 此外，對輻射防護件7的下端與融液面M1之間的間隙進行控制，根據所培育的單晶的所需的特性將預定的距離維持為固定(例如50mm)。

此外，單晶拉提裝置1係具備用來測量培育中的單晶的直徑之如CCD(Charge Coupled Device；電荷耦合元件)照相機等之光學式的直徑測量感測器16。於主室10a的上表面部係設有觀測用的小窗10a1，並設為對該小窗10a1的外側至固液界面中的結晶端(虛線箭頭所示位置)的位置變化進行檢測。

此外，單晶拉提裝置1係具備用於測量融液面M1的溫度之輻射溫度計17。於主室10a的上表面部係設有與該小窗10a1不同的小窗10a2，並設為對從該小窗10a2的外側至融液面M1的溫度進行測量。

此外，該單晶拉提裝置1係具備電腦11，電腦11係具有儲存裝置11a以及運算控制裝置11b，且旋轉驅動控制部14a、升降驅動控制部15a、電磁線圈控制部8a、旋轉驅動控制部9a、直徑測量感測器16、輻射溫度計17係分別連接至運算控制裝置11b。

於如上述般構成之單晶拉提裝置1中，例如當培育直徑310mm的單晶C時，以下述方式進行拉提。 亦即，首先將原料多晶矽(例如350kg)裝填至坩堝3，並根據儲存於電腦11中的儲存裝置11a的程式而開始晶體培育工序。

首先，將爐體10內設為預定的氛圍(atmosphere)(主要是氬氣等惰性氣體)。例如形成爐內壓65torr(托)且氬氣流量90l／min之爐內氛圍。 然後，於坩堝3以預定的旋轉速度(rpm)而沿預定方向進行旋轉動作之狀態下，裝填至坩堝3內的原料多晶矽係因側加熱器4所進行的加熱而熔融，並形成熔融液M(圖2中的步驟S1)。

接著，使預定的電流流至磁場施加用電磁線圈8，以設定為1000高斯(gauss)至4000高斯之範圍內的磁通密度(例如3000高斯)開始對熔融液M內施加水平磁場(圖2中的步驟S2)。 此外，將對側加熱器4的供給電力、拉提速度、磁場施加強度等作為參數來調整拉提條件，使得種晶P開始以預定的旋轉速度繞軸旋轉。旋轉方向係設為與坩堝3的旋轉方向為反方向。然後，將線6降下以使得種晶P與熔融液M接觸，並將種晶P的前端部熔解之後，進行頸化，以形成頸部P1(圖2的步驟S3)。

然後，逐漸擴大晶體直徑以形成肩部C1(圖2的步驟S4)，並移動至形成作為製品部分之直體部C2之工序(圖2的步驟S5)。 於此，電腦11係藉由升降驅動控制部15a而對升降驅動部15進行驅動控制，並將拉提速度(v)設為固定成例如0.55mm ／min。 此外，電腦11係使加熱器控制部4a以下述方式控制對側加熱器4的供給電力量：針對藉由輻射溫度計17所檢測到的固液界面中的溫度，係使得溫度梯度(G)為成固定亦即使得v／G的值成為固定，並將藉由直徑測量感測器16所檢測到的固液界面中的結晶端的位置變化換算為晶體直徑，並使該晶體直徑的值成為固定。 藉由該控制，能使晶體直徑接近固定值(於本實施形態情況中為310mm)，惟實際上坩堝內的融液對流會變化，使得於單晶C中產生週期性的微小直徑變動。

為了抑制該週期性的直徑變動，於本實施形態中控制晶體轉速。具體而言，電腦11係根據上一批次中的直體部形成工序中的晶體轉速(例如平均值)而設定晶體轉速的初始值，而開始控制。 由於晶體長度方向的晶體直徑係週期性地變化，因此電腦11係監測晶體直徑的變化至少達經過一個週期(例如直體部長度達250mm)的單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)與晶體轉速(rpm)之間的關係，並根據此結果來調整此後的直體部形成中的晶體轉速。 更具體地說，電腦11係監測每分鐘的晶體直徑的變化量(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))，並且判定於晶體直徑的變化達經過一個週期的期間中是否維持著-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。

於此，當每分鐘的晶體直徑的變化量(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))並不為-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335時，電腦11係藉由旋轉驅動控制部9a來控制晶體的轉速。 每時間單位的晶體轉速越少，晶體直徑的變化量就越小，而晶體轉速越多，晶體直徑的變化量就越大，惟具體而言，當將單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)設為y並將相距晶體轉速的基準值之調整幅度(rpm)設為x時，電腦11係根據式1：y=0.0049x之關係式來控制晶體轉速。當單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)為y=0.0335以上時(圖2的步驟S6)，由該式1來決定晶體轉速(x)的調整幅度(圖2的步驟S7)。

此外，當單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)超過±0.0335時，由於直徑變化量過大且缺陷密度亦於結晶長度方向週期性地變化，使得缺陷密度過高的區域產生，因此為不佳。 藉由以此方式控制晶體轉速，以將週期性的晶體直徑的變化量抑制在較小範圍內，能防止於單晶C的晶體長度方向上產生缺陷密度過高的區域(空位、晶格間矽主導區域)，並能抑制所培育的單晶的產率降低。

當直體部C2形成達預定長度時，移動至最後的尾部工序(圖2的步驟S8)。於該尾部工序中，晶體下端與熔融液M之間的接觸面積係逐漸變小，使得單晶C與熔融液M分離，進而製造出單晶矽。

如上述般，根據本實施形態，於拉提單晶直體部C2中，將拉提速度(v)設為固定，並且以固液界面的溫度梯度(G)成為固定且單晶矽的直徑成為固定之方式控制側加熱器4的輸出，並且控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。 藉此，能將晶體直徑的週期性變化量抑制為較小，並能防止於單晶C的晶體長度方向上產生缺陷密度過高的區域(空位、晶格間矽主導區域)，並能抑制所培育的單晶的產率降低。

此外，於上述實施形態中，將晶體轉速的初始值設為根據上個批次的拉提時的設定值，惟於本發明中並不限於此例。亦即，本發明的最大特徵在於：無論晶體轉速的初始值為何，都控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。 此外，於上述實施形態中，應用了於熔融液M內施加磁場以培育單晶之MCZ法，惟於本發明中並不限於此，亦可應用於不施加磁場之CZ法。

[實施例] 根據實施例進一步說明本發明的單晶矽的製造方法。 [實驗1] 於實驗1中，將350kg的矽原料填充至石英坩堝並使該矽原料熔融。此外，將輻射防護件與融液面之間的距離設為50mm，爐內壓設為65torr，使氬氣於流量90l／min下流動，並製作橫向磁場(水平磁場)的強度為3000高斯的爐內環境。然後，將坩堝轉速設為0.5rpm，並將作為基準之晶體轉速設為10.0rpm(與坩堝旋轉為反方向)，於拉提速度0.55mm／min下進行以晶體直徑310mm為目標之單晶培育。

於此，於晶體拉提工序中，使晶體轉速(rpm)從基準值10.0rpm往負向變化，並測量此時的單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)。 於圖3的圖表顯示實驗1的結果。圖3的圖表的橫軸x係相距晶體轉速(rpm)的基準值10.0rpm之調整幅度(rpm)，縱軸y係單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)。 如圖3的圖表所示般，觀察到晶體轉速與單晶矽的直徑變化量／時間的比例關係(關係式y=0.0049x)。 確認到，為了根據此關係式控制單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)的值，只要調整晶體轉速(rpm)的調整幅度即可。

[實驗2] 於實驗2中，形成與實驗1相同的爐內環境，並將坩堝轉速設為0.5rpm，將作為基準之晶體轉速設為10.0rpm(與坩堝旋轉為反方向)，控制加熱器的輸出以使得固液界面的溫度梯度與單晶矽的直徑成為固定。於實施例中，一邊調整晶體轉速一邊進行單晶培育。於比較例中，並未實施調整晶體轉速。 並且，驗證了直徑變化量的大小與所培育的單晶的無缺陷區域率(良品率)之間的關係。 於實施例1中，於拉提速度0.55mm／min下，使晶體長度51mm期間的週期性的直徑變化量成為±3.1mm之單晶矽培育至直體長度達1500mm，計算無缺陷區域率(良品率)。 於實施例2中，於拉提速度0.56mm／min下，使晶體長度41mm期間的週期性的直徑變化量成為±2.3mm之單晶矽培育至直體長度達1500mm，計算無缺陷區域率(良品率)。

於比較例1中，於拉提速度0.55mm／min下，使晶體長度57mm期間的週期性的直徑變化量成為±4.1mm之單晶矽培育至直體長度達1500mm，計算無缺陷區域率(良品率)。 於比較例2中，於拉提速度0.55mm／min下，使晶體長度60mm期間的週期性的直徑變化量成為±9.8mm之單晶矽培育至直體長度達1500mm，計算無缺陷區域率(良品率)。 於比較例3中，於拉提速度0.54mm／min下，使晶體長度63mm期間的週期性的直徑變化量為±4.0mm之單晶矽培育至直體長度達1500mm，計算無缺陷區域率(良品率)。

將實施例1、2以及比較例1、2、3的結果顯示於表1。此外，於表1的結果係顯示了無缺陷區域率(良品率)，並且顯示了單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)相對於單晶矽的直徑變化量／時間=0.0000(mm／min)之變動幅度。

[表1]

	晶體長度 (mm)	單晶矽的直徑變化量 (mm)	拉提速度 (mm／min)	單晶矽的直徑變化量／時間 (mm／min)	無缺陷區域率 (%)
實施例1	51	±3.1	0.55	±0.0334	88.6
實施例2	41	±2.3	0.56	±0.0314	89.1
比較例1	57	±4.1	0.55	±0.0396	75.8
比較例2	60	±9.8	0.55	±0.0898	58.1
比較例3	64	±4.0	0.54	±0.0338	77.3

確認到如表1所示，若單晶矽的直徑變化量／時間(min／min)為±0.0335(min／min)內的範圍，則無缺陷區域率(良品率)會充分地變高。

由以上的實施例的結果確認到，若控制晶體轉速(rpm)以使得單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)大於-0.0335至小於0.0335的範圍，能獲得無缺陷區域率高的單晶。

1:單晶拉提裝置 2:碳坩堝 3:坩堝(石英玻璃坩堝) 4:側加熱器 4a:加熱器控制部 6:線 7:輻射防護件 8:電磁線圈 8a:電磁線圈控制部 9:拉提機構 9a:旋轉驅動控制部 10:爐體 10a:主室 10a1:小窗 10a2:小窗 10b:拉提室 11:電腦 11a:儲存裝置 11b:運算控制裝置 14:旋轉驅動部 14a:旋轉驅動控制部 15:升降驅動部 15a:升降驅動控制部 16:直徑測量感測器 17:輻射溫度計 50:腔室 51:石英坩堝 52:加熱器 C:單晶 C1:肩部 C2:直體部 M:矽融液(熔融液) M1:融液面 P:種晶 P1:頸部 S1至S8:步驟

[圖1]係實施本發明的單晶矽的製造方法之單晶拉提裝置的剖面圖。 [圖2]係本發明的單晶矽的製造方法的流程圖。 [圖3]係表示本發明的實施例中的實驗1的結果之圖表。 [圖4]係表示以往的單晶拉提裝置的概略構成之剖面圖。 [圖5]係示意性表示晶體直徑的週期性變化之剖面圖。

S1至S8:步驟

Claims (4)

1. 一種單晶矽的製造方法，係藉由加熱器的加熱以於坩堝內形成矽融液，並藉由柴可拉斯基法培育單晶矽； 於製造前述單晶矽中對直體部進行拉提中係具備下述工序： 一邊繞軸旋轉一邊將所拉提的前述單晶矽的拉提速度設為固定，並控制前述加熱器的輸出以使固液界面的溫度梯度以及前述單晶矽的直徑成為固定；以及 於控制前述加熱器的輸出之工序的期間，控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335。
2. 如請求項1所記載之單晶矽的製造方法，其中於控制前述加熱器的輸出之工序的期間，控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，根據上一批次的拉提時的晶體轉速來設定晶體轉速的初始值。
3. 如請求項1所記載之單晶矽的製造方法，其中於控制前述加熱器的輸出之工序的期間，控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，根據晶體長度方向上晶體直徑變化至少達經過一個週期的單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)與晶體轉速之間的關係來控制此後的晶體轉速。
4. 如請求項1所記載之單晶矽的製造方法，其中於控制前述加熱器的輸出之工序的期間，控制晶體轉速以維持-0.0335＜(單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min))＜0.0335之工序中，當將單晶矽的直徑變化量／時間(mm／min)設為y，將相距晶體轉速的基準值之調整幅度(rpm)設為x時，根據y=0.0049x之關係式來控制晶體轉速。

Images