单晶硅及其制造方法以及硅晶片
技术领域
本发明涉及一种单晶硅及其制造方法以及硅晶片，尤其涉及一种基于MCZ(Magnetic field applied CZ/磁控拉晶法)法的单晶硅的制造方法和通过该方法制造的单晶硅及硅晶片。
背景技术
以IGBT(Gate Insulated Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)为中心面向功率半导体的硅晶片中优选使用晶格间氧浓度低的单晶硅。在这种单晶硅的制造中，利用不使用成为氧供给源的石英坩埚的FZ法的情况较多，但为了提高批量生产性而正在研究通过CZ法(提拉法)来进行制造。
作为制造低氧浓度的单晶硅的CZ法之一，已知有一边施加磁场一边提拉单晶硅的MCZ法。根据MCZ法，能够抑制熔液对流，并且抑制由石英坩埚的熔损引起的氧向硅熔液中的熔入而能够减少单晶硅中的氧浓度。例如，专利文献1中记载有如下内容，即，在使用水平磁场或勾形磁场的MCZ法中，通过将水平磁场强度设为2000G(高斯)以上，将石英坩埚的转速设为1.5rpm以下，将晶体转速设为7.0rpm以下，并且设为单晶成为无位错簇缺陷的晶体提拉速度，培育晶格间氧浓度为6×1017atoms/cm3以下的单晶。
并且，专利文献2中记载有如下内容，即，具有包含于真空腔室的坩埚中使多晶硅熔融而形成熔液的工序、在真空腔室中形成勾形磁场的工序、将籽晶浸渍于熔液的工序及从熔液提取籽晶而形成具有约大于150mm的直径的单晶硅锭的工序，并且，以使硅锭具有约低于5ppma的氧浓度的方式同时调整多个工艺参数。多个工艺参数包含坩埚的侧壁温度、从坩埚向单晶的一氧化硅(SiO)的移动及自熔液的SiO的蒸发速度，并且将坩埚转速设为1.3～2.2rpm，将晶体转速设为8～14rpm，将固液界面中的单晶的边缘的磁场强度设为0.02～0.05T(特斯拉)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-222241号公报
专利文献2：日本特表2016-519049号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在一边施加水平磁场一边提拉单晶硅的HMCZ法中，虽然能够实现单晶硅的低氧化，但氧浓度或电阻率的面内均匀性成为问题。例如，专利文献1中所记载的以往的制造方法中，将坩埚转速设为1.5rpm以下，将晶体转速设为7rpm以下，但若实际适用其制造条件，则存在氧浓度及电阻率的面内分布变得不均匀的问题。并且，专利文献2中所记载的以往的制造方法中，将坩埚转速设为1.3～2.2rpm，将晶体转速设为8～14rpm，但若实际适用其制造条件，则存在氧浓度及电阻率的面内分布变得不均匀的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种施加有能够制造氧浓度低且氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性高的单晶硅的勾形磁场的基于提拉法的单晶硅的制造方法。并且，本发明提供一种氧浓度低且氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性高的单晶硅以及硅晶片。
用于解决技术问题的方案
本申请发明人对使单晶硅中的氧浓度或电阻率的面内分布发生变化的主要原因进行了深入研究，其结果发现，当一边施加勾形磁场一边提拉单晶时，即便使单晶高速旋转，也不会导致氧浓度的增加或晶体变形(有位错化)，而能够提高氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性。通常，若要制造低氧浓度的单晶硅，则需要使晶体旋转变慢，但氧浓度的面内均匀性变差。但是，通过使用勾形磁场，即便加快晶体旋转，也获得低氧浓度的单晶硅，并且氧浓度及电阻率的面内分布也稳定，从而完成了本发明。
本发明是基于这种技术见解的发明，基于本发明的单晶硅的制造方法为一边施加勾形磁场一边从硅熔液提拉单晶硅的基于提拉法的单晶硅的制造方法，其特征在于，一边使所述单晶硅旋转一边进行提拉时的晶体转速为17rpm以上且19rpm以下。
在本发明中，优选保持所述硅熔液的石英坩埚的转速为4.5rpm以上且8.5rpm以下。并且，优选所述勾形磁场的磁场强度为500～700G，垂直方向的磁场中心位置相对于所述硅熔液的液面位置在+40mm至-26mm的范围内。根据该条件，能够提高单晶中的氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性。
并且，基于本发明的单晶硅的特征在于，氧浓度为1×1017atoms/cm3以上且8×1017atoms/cm3以下，与晶体生长方向正交的晶体截面内的ROG(Radial Oxygen Gradient：氧浓度梯度)为15％以下，所述晶体截面内的RRG(Radial Resistivity Gradient：电阻率梯度)为5％以下。根据本发明，能够提供作为面向功率半导体的硅晶片的材料适当的氧浓度低的单晶硅。
此外，基于本发明的硅晶片的特征在于，氧浓度为1×1017atoms/cm3以上且8×1017atoms/cm3以下，ROG为15％以下，RRG为5％以下。根据本发明，能够提供作为功率半导体的基板材料适当的硅晶片。
发明效果
根据本发明，能够提供一种氧浓度低且氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性高的单晶硅的制造方法。并且，根据本发明，能够提供一种氧浓度低且氧浓度及电阻率的面内分布的均匀性高的单晶硅以及硅晶片。
附图说明
图1是概略地表示基于本发明的实施方式的单晶制造装置的结构的侧视剖视图。
图2是对基于本发明的实施方式的单晶硅的制造方法进行说明的流程图。
图3是表示单晶硅锭的形状的简略剖视图。
图4是表示基于实施例1(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图5是表示基于实施例1(CUSP)的硅晶片样品的RRG的图表。
图6是表示基于实施例2(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图7是表示基于实施例3(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图8是表示基于实施例4(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图9是表示基于实施例5(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图10是表示基于比较例1(CUSP)的硅晶片样品的ROG的图表。
图11是表示基于比较例2(HMCZ)的硅晶片样品的ROG的图表。
图12是表示基于比较例2(HMCZ)的硅晶片样品的RRG的图表。
图13是表示基于比较例3(FZ)的硅晶片样品的RRG的图表。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。
图1是概略地表示基于本发明的实施方式的单晶制造装置的结构的侧视剖视图。
如图1所示，单晶制造装置1具备腔室10(CZ炉)、在腔室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、支承基座12的旋转轴13、旋转及升降驱动旋转轴13的轴驱动机构14、配置于基座12周围的加热器15、在加热器15的外侧沿腔室10的内面配置的隔热材料16、配置于石英坩埚11上方的隔热体17、在石英坩埚11的上方在与旋转轴13同轴上配置的单晶提拉用线材18及配置于腔室10上方的线材卷取机构19。
并且，单晶制造装置1具备配置于腔室10外侧的磁场产生装置21；拍摄腔室10内的CCD相机22；对通过CCD相机22拍摄的图像进行处理的图像处理部23；以及根据图像处理部23的输出控制轴驱动机构14、加热器15及线材卷取机构19的控制部24。
腔室10由主腔室10a及与主腔室10a的上部开口连结的细长圆筒状的拉晶室10b构成，石英坩埚11、基座12、加热器15及隔热体17设置于主腔室10a内。在拉晶室10b设置有用于向腔室10内导入氩气等不活泼气体(吹扫气体)的气体导入口10c，在主腔室10a的下部设置有用于排出不活泼气体的出气口10d。并且，在主腔室10a的上部设置有观察窗10e，从观察窗10e能够观察单晶硅3的培育状况(固液界面)。
石英坩埚11为具有圆筒状的侧壁部及弯曲的底部的石英玻璃制的容器。基座12保持成为了维持通过加热软化的石英坩埚11的形状而与石英坩埚11的外表面密合以包围石英坩埚11。石英坩埚11及基座12构成在腔室10内支承硅熔液的双重结构的坩埚。
基座12固定于沿铅垂方向延伸的旋转轴13的上端部。并且，旋转轴13的下端部贯穿腔室10的底部中央而与设置于腔室10外侧的轴驱动机构14连接。基座12、旋转轴13及轴驱动机构14构成石英坩埚11的旋转机构及升降机构。
加热器15熔融填充到石英坩埚11内的硅原料并且为了维持熔融状态而使用。加热器15为碳制的电阻加热式加热器，且为以包围基座12内的石英坩埚11整周的方式设置的大致圆筒状的部件。而且，加热器15的外侧被隔热材料16包围，由此提高腔室10内的保温性。
隔热体17抑制硅熔液2的温度变动而在固液界面附近形成适当的热区，并且为了防止因来自加热器15及石英坩埚11的辐射热而加热单晶硅3而设置。隔热体17为覆盖除了单晶硅3的提拉路径以外的硅熔液2的上方区域的石墨制的圆筒部件。
在隔热体17的下端中央形成有大于单晶硅3的直径的圆形开口，以确保单晶硅3的提拉路径。如图示，单晶硅3通过隔热体17的开口提拉到上方。隔热体17的开口的直径小于石英坩埚11的口径，隔热体17的下端部位于石英坩埚11的内侧，因此即便将石英坩埚11的边圈上端上升至比隔热体17的下端更靠上方，隔热体17也不会与石英坩埚11发生干扰。
与单晶硅3生长的同时石英坩埚11内的熔液量减少，但通过以使熔液面与隔热体17之间的间隙成为恒定的方式提升石英坩埚11，能够抑制硅熔液2的温度变动，并且将流过熔液面附近的气体的流速设为恒定而能够控制来自硅熔液2的SiO气体的蒸发量。因此，能够提高单晶的提拉轴方向的晶体缺陷分布、氧浓度分布及电阻率分布等的稳定性。
在石英坩埚11的上方设置有单晶硅3的提拉轴即线材18及卷曲线材18的线材卷取机构19。线材卷取机构19具有与线材18一同使单晶旋转的功能。线材卷取机构19配置于拉晶室10b的上方，线材18从线材卷取机构19通过拉晶室10b内而向下方延伸，线材18的前端部到达至主腔室10a的内部空间。在图1中示出了培育途中的单晶硅3被线材18吊设的状态。在提拉单晶时，通过将籽晶浸渍于硅熔液2并且一边分别使石英坩埚11及籽晶旋转一边缓慢提拉线材18，以使单晶生长。
在拉晶室10b的上部设置有用于向腔室10内导入不活泼气体的气体导入口10c，在主腔室10a的底部设置有用于排出腔室10内的不活泼气体的出气口10d。不活泼气体从气体导入口10c导入于腔室10内，其导入量由阀控制。并且，密闭的腔室10内的不活泼气体从出气口10d排出至腔室10的外部，因此能够回收腔室10内所产生的SiO气体或CO气体而干净地保持腔室10内。虽然未图示，但在出气口10d经由配管连接有真空泵，通过真空泵一边抽吸腔室10内的不活泼气体一边通过阀控制其流量，由此腔室10内保持为恒定的减压状态。
磁场产生装置21使用在上下方向上对置的上部线圈21a及下部线圈21b构成，并且通过对一对磁场产生用线圈分别流通反向的电流，在腔室10内产生勾形磁场。在图中，“·”表示从纸面流出的电流的流动，“×”表示向纸面流入的电流的流动。
勾形磁场相对于提拉轴轴对称，在磁场中心点，彼此的磁场相互抵消而垂直方向的磁场强度成为零。在偏离磁场中心点的位置，存在垂直方向的磁场，且形成有朝向半径方向的水平磁场。并且，勾形磁场的磁场中心位置为硅熔液2的液面附近，且优选设定为相对于液面位置在+40mm至-26mm的范围内。如此，通过对硅熔液施加勾形磁场，能够抑制与磁力线正交的方向的熔液对流。
勾形磁场的磁场强度优选为500～700G。这是因为，当磁场强度小于500G时变得难以提拉8×1017atoms/cm3以下的低氧浓度的单晶硅。并且，在已有的磁场产生装置中难以稳定地输出超过700G的磁场强度，从耗电量的观点出发，也要求尽可能低的磁场强度。本申请中所记载的勾形磁场的磁场强度的值在垂直方向上为磁场中心位置的值，在水平方向上为石英坩埚的侧壁位置的值。
施加水平磁场的HMCZ法的情况下，磁力线的方向为单向，因此具有抑制与磁力线正交的方向的对流的效果，但无法抑制与磁力线平行的方向的对流。另一方面，勾形磁场的情况下，磁力线的方向为放射状，并且在俯视观察下以提拉轴为中心具有对称性，因此能够抑制石英坩埚11内的周向的熔液对流。因此，能够抑制氧从石英坩埚11的熔出而降低单晶硅中的氧浓度。
在主腔室10a的上部设置有用于观察内部的观察窗10e，CCD相机22设置于观察窗10e的外侧。在单晶提拉工序中，CCD相机22拍摄从观察窗10e通过隔热体17的开口所观察的单晶硅3与硅熔液2的边界部的图像。CCD相机22与图像处理部23连接，摄影图像由图像处理部23处理，处理结果在控制部24中使用于晶体提拉条件的控制。
图2是对基于本发明的实施方式的单晶硅的制造方法进行说明的流程图。并且，图3是表示单晶硅锭的形状的简略剖视图。
如图2及图3所示，在单晶硅3的制造中，加热石英坩埚11内的硅原料而生成硅熔液2(步骤S11)。然后，降落安装于线材18前端部的籽晶而使籽晶在硅熔液2中着液(步骤S12)。
接着，实施一边维持与硅熔液2的接触状态一边缓慢提拉籽晶而培育单晶的单晶提拉工序。在单晶提拉工序中，依次实施为了无位错化而形成晶体直径缩小为很细的颈部3a的缩径工序(步骤S13)、为了获得规定的直径而形成晶体直径缓慢增加的肩部3b的肩部培育工序(步骤S14)、形成晶体直径维持为恒定的躯体部3c(直胴部)的躯体部培育工序(步骤S15)及形成晶体直径缓慢减少的尾部3d的尾部培育工序(步骤S16)，并且单晶通过最终离开熔液面而结束尾部培育工序。通过以上，完成从单晶的上端(顶部)朝向下端(底部)依次具有颈部3a、肩部3b、躯体部3c及尾部3d的单晶硅锭3。
在单晶提拉工序中，为了控制单晶硅3的直径及硅熔液2的液面位置，通过CCD相机22拍摄单晶硅3与硅熔液2的边界部的图像，由摄影图像计算固液界面上的单晶的直径及熔液面与隔热体17的间隔(间隙)。控制部24以使单晶硅3的直径成为目标直径的方式控制线材18的提拉速度、加热器15的功率等提拉条件。并且，控制部24以使熔液面与隔热体17的间隔成为恒定的方式控制石英坩埚11的高度位置。
在本实施方式中，单晶硅3的转速设定为17～19rpm的范围内。这是因为，当晶体转速小于17rpm时，无法提高氧浓度的面内分布的均匀性，并且当大于19rpm时不仅晶体中的氧浓度变高，而且若晶体轴心偏离，则因偏心旋转而单晶容易以螺旋状变形，并且在提拉晶体之后对晶体进行外径磨削时，出现晶体直径变得小于晶片直径的不良部位。并且，伴随晶体变形，变得容易有位错化也是问题。
在晶体提拉中，石英坩埚11的转速优选为4.5～8.5rpm。这是因为，当石英坩埚11的转速小于4.5rpm时，氧浓度及电阻率的面内分布恶化。这是因为，当石英坩埚11的转速大于8.5rpm时，石英坩埚的熔损量增加而硅熔液中的氧浓度变得非常高。
当在以上的晶体提拉条件下提拉单晶硅时，不仅能够降低单晶硅的晶格间氧浓度，而且能够抑制单晶外周部的氧浓度的下降，从而能够实现氧浓度的面内分布的均匀化。
如此提拉的单晶硅3(参考图3)的躯体部3c的氧浓度成为1×1017atoms/cm3～8×1017atoms/cm3，与晶体生长方向正交的晶体截面内的ROG成为15％以下，晶体截面内的RRG成为5％以下。而且，从该单晶硅3切出加工的硅晶片也成为相同的质量。即，能够获得氧浓度为1×1017atoms/cm3以上且8×1017atoms/cm3以下，ROG为15％以下，RRG为5％以下的硅晶片。另外，本说明书中规定的氧浓度均为基于符合ASTM F-121(1979)标准的FTIR(FourierTransform Infrared Spectroscopy：傅里叶变换红外光谱学)的测量值。并且，电阻值为基于四探针法的测量值。
如以上进行的说明，基于本实施方式的单晶硅的制造方法在施加勾形磁场的提拉法中，通过一边以17～19rpm的转速使单晶高速旋转一边进行提拉，能够制造氧浓度低且氧浓度及电阻率的面内分布尽可能均匀的单晶硅。因此，能够通过CZ法而非FZ法制造IGBT用低氧硅晶片，从而能够提高批量生产性。
以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够进行各种变更，这些也包含于本发明的范围内是不言而喻的。
例如，在上述实施方式中，作为例子举出了使用图1所示的单晶制造装置1的情况，但单晶制造装置的详细结构并无特别限定，能够使用各种结构的单晶制造装置。
实施例
<实施例1>
在使用了勾形(CUSP)磁场的基于提拉法的直径200mm的晶片用单晶硅的提拉中，评价了勾形磁场及晶体转速对氧浓度及电阻率的面内分布的影响。在晶体提拉工序中，将勾形磁场的磁场强度设定为600G，将磁场中心位置设定为从硅熔液的液面位置向上方40mm的位置。并且，将坩埚转速设为6rpm，将晶体转速设为18rpm。然后，对被提拉的三根单晶硅锭进行加工而准备了直径200mm的硅晶片的样品各两片共计六片。
接着，测量了硅晶片样品的氧浓度的面内分布。从晶片的中心沿径向以5mm间距测量了氧浓度。由于无法测量晶片的最外周部的氧浓度，因此将氧浓度的晶片面内的测量范围设为从晶片的中心至径向95mm的范围(除了测量晶片外周部以外的宽度：5mm)。而且，由氧浓度的测量结果求出了硅晶片的ROG(Radial Oxygen Gradient：径向氧浓度分布)。当测量范围内的氧浓度的最大值设为DMax，将最小值设为DMin时，ROG的计算式如下。
ROG(％)＝{(DMax-DMin)/DMin}×100
接着，测量了硅晶片样品的电阻率的面内分布。通过四探针法，从晶片的中心沿径向以2mm间距测量了电阻率。由于无法测量晶片的最外周部的电阻率，因此将电阻率的晶片面内的测量范围设定为从晶片的中心至径向96mm的范围(除了测量晶片外周部以外的宽度：4mm)。而且，由电阻率的测量结果求出了硅晶片的RRG(Radial Resistivity Gradient：径向电阻率分布)。当将测量范围内的电阻率的最大值设为ρMax，将最小值设为ρMin时，RRG的计算式如下。
RRG(％)＝{(ρMax-ρMin)/ρMin}×100
图4是表示硅晶片样品的氧浓度分布的图表。如图示，任一晶片样品的面内的氧浓度均成为3×1017atoms/cm3以下，ROG均成为7.1～14.8％。
图5是表示硅晶片样品的电阻率分布的图表。如图示，任一硅晶片的面内的电阻率分布均成为3.5～4.9％。
<实施例2>
除了将晶体转速设为17rpm的点以外，在与实施例1相同的一条件下提拉单晶硅之后，在与实施例1相同的条件下，求出了对其进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度分布及ROG。其结果，如图6所示，晶片面内的氧浓度成为3×1017atoms/cm3以下，ROG约成为12.3％。
<实施例3>
除了将晶体转速设为19rpm的点以外，在与实施例1相同的条件下提拉单晶硅之后，在与实施例1相同的条件下，求出了对其进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度分布及ROG。其结果，如图7所示，晶片面内的氧浓度成为3×1017atoms/cm3以下，ROG约成为7.5％。
<实施例4>
除了将勾形磁场的中心位置设定于从硅熔液的液面位置向上方7mm的位置的点以外，在与实施例1相同的条件下提拉单晶硅之后，在与实施例1相同地同条件下，求出了对其进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度分布及ROG。其结果，如图8所示，晶片面内的氧浓度成为4.3×1017atoms/cm3以下，ROG成为5.9～11.7％。
<实施例5>
除了将勾形磁场的中心位置设定为从硅熔液的液面位置向下方26mm的位置的点以外，在与实施例1相同的条件下提拉单晶硅之后，在与实施例1相同地同条件下，求出了对其进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度分布及ROG。其结果，如图9所示，晶片面内的氧浓度成为5.3×1017atoms/cm3以下，ROG成为3.0～10.4％。
<比较例1>
除了将晶体转速设为9rpm的点以外，在与实施例1相同的条件下提拉单晶硅之后，在与实施例1相同地同条件下，求出了对其进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度分布及ROG。其结果，如图10所示，晶片面内的氧浓度成为5.7×1017atoms/cm3以下，ROG成为84.8～135.1％，从而氧浓度的面内均匀性非常差。
<比较例2>
通过施加水平磁场的HMCZ法提拉了单晶硅。将此时的晶体转速设为5rpm。然后，在与实施例1相同的条件下，求出了对单晶硅进行加工而获得的硅晶片样品的氧浓度及电阻率的面内分布。其结果，如图11所示，晶片面内的氧浓度虽然成为3.1×1017atoms/cm3以下，但ROG成为57.3～83.4％，从而氧浓度的面内均匀性差。并且，如图12所示，RRG成为3.2～5.8％，电阻率的面内均匀性良好。
<比较例3>
通过FZ法制造出直径200mm的晶片用单晶硅之后，在与实施例1相同的条件下，求出了对其进行加工而获得的直径200mm的硅晶片样品的电阻率的面内分布。其结果，如图13所示，RRG成为7.7～11.9％，电阻率的面内均匀性比实施例1差。
从以上结果可知，在使用了勾形磁场的基于提拉法的单晶硅的提拉中，通过将晶体转速设为17～19rpm，能够将单晶硅中的氧浓度设为8×1017atoms/cm3以下，RRG及RRG也变小。
附图标记说明
1-单晶制造装置，2-硅熔液，3-单晶硅(锭)，3a-颈部，3b-肩部，3c-躯体部，3d-尾部，10-腔室，10a-主腔室，10b-拉晶室，10c-气体导入口，10d-出气口，10e-观察窗，11-石英坩埚，12-基座，13-旋转轴，14-轴驱动机构，15-加热器，16-隔热材料，17-隔热体，18-线材，19-线材卷取机构，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-相机，23-图像处理部，24-控制部。
