单晶硅的生长方法与流程

本发明涉及一种基于切克劳斯基法(Czochralski method，以下简称为CZ法)的单晶硅的生长方法。

背景技术：

以往，在基于CZ法的单晶硅的制造中，将小片的单晶硅作为晶种使用，使其与原料熔融液(硅熔融液)接触后，一边使其旋转一边缓慢地进行提拉，从而生长单晶硅棒(单晶硅锭(ingot))。

此时，在使晶种与原料熔融液接触(引晶、下种)后，为了消除从因热冲击在晶种中高密度地发生的滑移位错(スリップ転位)(也简称为滑移)通过传播而产生的位错，多是进行所谓的种收束(缩颈(necking))，种收束(缩颈(necking))是形成使晶种收紧的锥状的收紧部以及与其连续的使直径一度变细为3mm程度的收束部(颈部)(dash缩颈法)。

在如此这样进行晶种与原料熔融液的接触、进行缩颈后，使单晶加粗达到所希望的直径，形成扩径部(也称为圆锥部)(圆锥工序)。接下来，生长直体部(直体工序)，然后在使直体部的直径逐渐缩径的同时生长圆化部(圆化工序)。将生长的单晶硅从熔融液切出，使单晶硅逐渐冷却(后热工序)。如此这样，生长了无位错的单晶硅。

以往，提出有多种用于提拉这样的无位错的单晶硅的技术方案。

例如，在专利文献1中公开了为了抑制引晶(下种)时位错的增殖而取入缩颈中的优选的晶格间氧浓度。

另外，近年来随着半导体器件用硅晶圆的大口径化的推进，对于直径300mm以上、进而是直径450mm的晶圆的需求日益高涨。相应地，直径450mm的硅晶圆制造用的单晶硅的制造也日益增加。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开平成11-349398号公报

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

以往，在进行这样的大口径、尤其是直径450mm以上的单晶硅的制造时，虽然至圆化工序为止能够以无位错的方式生长单晶硅，但是在圆化工序结束后使单晶硅逐渐冷却的后热工序中，随后会在生长的圆化部导入滑移位错，该导入的滑移位错有时会延伸扩展至作为产品部分的直体部。因此，存在使成品率显著降低的问题。

为此，本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种单晶硅生长方法，其在基于CZ法的单晶硅的制造中，能够抑制在圆化工序结束后使结晶逐渐冷却的后热工序中在单晶硅的圆化部发生滑移位错的情况，高成品率地生长大重量、大直径的单晶硅。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种单晶硅的生长方法，其采用切克劳斯基法，使晶种与原料熔融液接触，在圆锥工序中生长扩径部，在直体工序中与所述扩径部连续地生长直体部，在圆化工序中使所述直体部的直径逐渐地缩径而形成圆化部，在从所述熔融液切出单晶硅后，在后热工序中使所述单晶硅逐渐冷却，从而生长单晶硅，所述单晶硅的生长方法的特征在于，

预先确定使得在所述后热工序中使所述单晶硅逐渐冷却时的、所述圆化部上的相当应力与临界分切应力的比值成为最大的直径，

在所述圆化工序中，以使所述确定的直径的位置的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM’79)以上这样的条件来生长所述圆化部。

如果是这样的方法，由于对晶格间氧浓度进行如上所述的控制，因此能够有效地抑制在后热工序中在圆化部发生滑移位错的情况。因此，能够高成品率地生长大重量、大直径的单晶硅。

此外，在本说明书中，有时将临界分切应力称为CRSS(Critical Resolved Shear Stress)，将相当应力与临界分切应力的比值(相当应力除以临界分切应力得到的值)称为CRSS比。

此时，在所述圆锥工序中，可以以所述单晶硅的所述扩径部的直径成为450mm以上的方式进行生长。

如此这样，本发明能够有效地抑制尤其是在450mm以上这样的大口径单晶硅的生长的后热工序中导入圆化部的滑移位错。

另外，此时在所述圆化工序中，可以以所述单晶硅的所述圆化部的长度成为450mm以下的方式进行生长。

通过采取这样的条件，能够有效地、更加切实地抑制在后热工序中导入单晶硅的圆化部的滑移位错。

另外，此时可以为，在所述后热工序中，所述后热工序的时间为2.5小时以上，使得在所述后热工序结束时从所述熔融液的表面起到所述确定的直径的位置为止的高度为186mm以上。

通过采取这样的条件，能够有效地、更加切实地抑制在后热工序中导入单晶硅的圆化部的滑移位错。

(三)有益效果

根据本发明，在采用CZ法的单晶硅的生长中，由于能够如以上这样抑制在后热工序中导入圆化部的滑移位错，因此能够高成品率地生长大重量、大直径的单晶硅。

附图说明

图1是表示通过数值解析求出的后热工序中的CRSS比(相当应力与临界分切应力之比)在结晶生长方向上的分布一例的图表。

图2是表示圆化部的长度、与在CRSS比(相当应力与临界分切应力之比)峰值位置处的圆化部直径之间的关系一例的图表。

具体实施方式

下面，参照图、表对本发明就实施方式的一例进行详细说明，但是本发明并不限定于此。

如前所述，在进行大口径、尤其是直径450mm的单晶硅的生长时，虽然至圆化工序为止单晶硅无位错地生长，但是在圆化结束后使单晶硅逐渐冷却的后热工序中，在单晶硅的圆化部导入滑移位错，该导入的滑移位错延伸扩展至作为产品部分的直体部，存在使成品率显著降低的问题。

为此，本发明的发明人对在后热工序中导入圆化部的滑移位错进行了深入研究。其结果发现：在后热工序中使单晶硅逐渐冷却时，圆化部上的相当应力与临界分切应力的比值成为最大的直径处，容易成为导入滑移位错的起点(也称为滑移起点)。

因此，发现：预先确定使得在后热工序中相当应力与临界分切应力的比值成为最大的直径，并在圆化工序中，以使所述确定的直径的位置的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM’79)以上这样的条件来生长圆化部，由此能够防止在后热工序中向圆化部导入滑移位错，基于此完成了本发明。

下面，对本发明的单晶硅的生长方法进行详述。

本发明的单晶硅的生长方法基于切克劳斯基法。对于使用的单晶硅制造装置无特别限定，例如可以使用与以往相同的装置。此外，例如也可以采用与一边施加磁场的一边进行单晶硅提拉的MCZ法(Magnetic Field Applied Czochralskimethod：磁场提拉法)相对应的制造装置。

(原料投入工序)

首先，向收容于装置内的石英坩埚内投入作为原料的多晶硅原料。

(下种工序)

在利用加热器使原料熔融而获得原料熔融液后，将小片的单晶硅用作晶种，使其与原料熔融液接触后，一边旋转一边缓慢地进行提拉，从而生长单晶硅。

此时，在使晶种与原料熔融液接触后，为了消除从因热冲击在晶种中高密度地发生的滑移位错通过传播而产生的位错，可以进行所谓的种收束，即形成使晶种收紧的锥状的收紧部以及与其连续的使直径一度变细为3mm程度的收束部(dash缩颈法)。

或者，也可以不进行这样的种收束，而是适用无位错下种法来提拉单晶硅，即：准备顶端尖细的晶种，使其轻轻地与原料熔融液接触，浸渍到规定直径后进行提拉。

(圆锥工序)

使单晶加粗直至成为所希望的直径，形成扩径部。

此外，对于在本发明中使扩径部加粗形成的大小并无特别限定，可以生长到450mm或者其以上。

(直体部工序)

与扩径部连续地生长直体部。

(圆化工序)

在开始圆化工序前，预先确定使得在后热工序中使单晶硅逐渐冷却时的、圆化部上的相当应力与临界分切应力的比值成为最大的直径。该直径的确定在圆化工序前进行即可，也可以在上述工序前后的任何点进行。例如可以如以下详述的那样通过仿真来确定该直径。

然后，在使直体部的直径逐渐地缩径的同时生长圆化部。

此时，以使所述确定的直径的位置的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM’79)以上这样的条件来生长圆化部。

通过这样设置，能够有效地抑制在后热工序中在CRSS比成为最大的位置产生的滑移位错，因此能够无位错且高效地生长大重量、大直径的单晶硅。

另外，此时优选将圆化部的长度设定为450mm以下。

通过这样设置，能够有效地、更加切实地抑制在后热工序中导入单晶硅的圆化部的滑移位错。

对于控制圆化部中所述确定的直径的位置的晶格间氧浓度的具体方法并无特别限定，例如可以通过控制提拉的单晶硅的旋转速度(SR)(也就是晶种的旋转速度)来控制扩径部的晶格间氧浓度。另外，只要是能够提高单晶硅中的晶格间氧浓度的方法，则也可以是除此以外的任意方法，例如，也可以将坩埚的旋转速度(CR)设定为高速旋转；也可以使氩气的流速低速化；也可以使提拉炉的炉内压力升高；也可以向石英坩埚内投入石英材料。另外，这些具体的条件可以通过实验确定。

(后热工序)

如上所述生长圆化部，在从原料熔融液切出单晶硅后，在对单晶硅进行提拉的同时使其逐渐地冷却。

此时，后热工序的设定时间优选为2.5小时以上。进而在该设定时间的情况下，优选地，以使得在后热工序结束时从熔融液表面起到确定的所述直径的位置为止的高度为186mm以上的方式设定提拉速度。

若这样设置，则能够更加切实地抑制滑移位错。

下面，结合实验结果，对在后热工序中在使得圆化部上的相当应力与临界分切应力的比值成为最大的直径的位置导入滑移位错的情况进行详述。

(实验1)

采用CZ法使晶种与原料熔融液接触，使扩径部的直径生长至450mm。与扩径部连续地生长直体部，然后生长圆化部，使其长度达到350mm。然后，将单晶硅从熔融液切出，在其后的后热工序中将提拉速度设定为0.5mm/分钟、将后热设定时间设定为5小时，进行了多个单晶硅的生长。

在形成的单晶硅的圆化部中，在后热工序中发生了滑移位错。求出此时发生的滑移位错的位置(称为滑移起点)、滑移起点上的单晶硅的晶格间氧浓度、以及滑移位错发生率，将其结果示出于表1。在这里，滑移位错发生率是表示发生了滑移位错的单晶硅的个数相对于单晶硅的生长个数的比例的值。

(表1)

如表1所示，滑移位错的起点在实验1所生长的所有单晶硅中均为圆化部的直径为185mm的位置。另外，滑移位错发生率极高，为85-100％。

本发明的发明人推断：由于不是在圆化工序而是在后热工序中在单晶硅的圆化部发生了滑移位错，因此导入圆化部的滑移位错是由于在后热工序中使单晶硅逐渐冷却的过程中的热应力而产生的。

于是，发明人进行了以下的实验2，以验证在后热工序中导入圆化部的滑移位错是否为在后热工序中使单晶硅逐渐冷却时的热应力导致的。

(实验2)

对于以实验1的条件(圆化部的长度为350mm、提拉速度为0.5mm/分钟、后热设定时间为5小时)来生长单晶硅的情况进行了数值解析。

此外，本发明的发明人按照如下所述进行了数值解析。

首先，通过使用FEMAG(综合传热解析软件：F.Dupret，P.Nicodeme，Y.Ryckmans，P.Wouters，and M.J.Crochet，Int.J.Heat Mass Transfer(《国际传热与传质杂志》)，33，1849(1990))进行的综合传热解析来求出单晶硅内的温度分布，以该温度分布为基础使用ANSYS(美国ANSYS Inc.制)来进行考虑了重力的应力解析，从而求出单晶硅内部的相当应力。使其除以具有温度依存性的临界分切应力(CRSS)，算出该值(CRSS比)的结晶生长方向分布。采取这样的仿真解析方法的原因在于：提拉中的单晶硅在内部具有温度分布，因此仅通过对相当应力进行比较，是无法对单晶硅的位错化的容易程度进行评价的。

如上所述进行数值解析的结果是得到了图1。凡例是示出经过的时间相对于后热设定时间的比例。如由图1所示可知，使得在后热工序中的CRSS比成为最大(也称为CRSS比峰值)的圆化部直径处于185mm的位置。该结果与由实验1求出的“滑移位错的起点处于圆化部的直径为185mm的位置”的结果匹配。由此可知：在后热工序中会由于热应力而在使得单晶硅圆化部的CRSS比值成为最大的直径的位置导入滑移位错。

因此，在本发明中，通过应用“在单晶硅中作为杂质存在的氧能够提高单晶硅的强度，抑制在单晶硅中发生滑移位错”这样的效果，能够抑制在圆化部的无位错生长后的后热工序中向圆化部导入滑移位错的情况。

(实施例)

下面，示出本发明的实施例及比较例，更加具体地对本发明进行说明，但是本发明并不限定于这些例子。

(实施例1)

采用CZ法，执行圆锥工序、直体工序、圆化工序，然后进行后热工序，由此从石英坩埚内的原料熔融液得到多个单晶硅。

此外，在直体工序中使直体直径达到450mm，在圆化工序中使圆化部的长度达到350mm，在后热工序中将提拉速度设定为0.5mm/分钟，将设定时间设定为5.0小时，对单晶硅进行提拉。

另外，预先通过数值解析求出使得在后热工序中圆化部的CRSS比成为最大的圆化部的直径。其结果是，求出在后热工序中CRSS比成为最大是在圆化部的直径为185mm的位置。

此外，在实施例中，在圆化工序时，通过对单晶硅和石英坩埚的旋转速度进行调整，从而对使得在后热工序中圆化部的CRSS比成为最大的圆化部的直径的位置处的晶格间氧浓度进行了调整。在实施例1中具体为，以使所述求出的位置的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷、9.6×10¹⁷、11.2×10¹⁷、12.8×10¹⁷、8.8×10¹⁷[atoms/cm³(ASTM’79)]以上的方式进行控制，来执行圆化工序。按照上述条件得到的结果示出于表2。

(表2)

如表2所示，以上述条件生长的单晶硅的滑移位错发生率在任何情况下均为0％，与比较例相比非常良好。

(实施例2)

在圆化工序中使圆化部的长度在350到460mm的范围内变化，此时，以使得在后热工序中圆化部的CRSS比成为最大的圆化部的直径的位置上的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷[atoms/cm³(ASTM’79)]的方式进行控制，来进行圆化工序，除此以外与实施例1同样地进行单晶硅的生长。

另外，通过数值解析来求出圆化部的长度与CRSS比峰值位置处的圆化部的直径之间的关系，并示出于图2。如图2所示可知，若圆化部的长度发生变化，则CRSS比峰值位置的圆化部直径的值会发生变化。

按照上述条件得到的结果示出于表3。

(表3)

如表3所示，通过将使得CRSS比成为最大的圆化部的直径的位置的晶格间氧浓度设定为8.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM’79)，能够将滑移发生率抑制在较低水平。此时，进一步通过将圆化部的长度设定为450mm以下，能够更加切实地抑制在后热工序中在圆化部导入滑移位错的情况。但是，毋庸多言，即便以圆化部的长度为460mm那样超过450mm的条件进行生长，也能够获得比以往良好的结果。

(实施例3)

在圆化工序中使圆化部的长度在350至450mm的范围内变化，此时，以使得在后热工序中圆化部的CRSS比成为最大的圆化部的直径的位置处的晶格间氧浓度达到8.8×10¹⁷[atoms/cm³(ASTM’79)]的方式进行控制，来执行圆化工序。在后热工序中，使后热设定时间在1.0到4.0小时的范围内变化，使后热工序结束时的从熔融液起到CRSS比峰值位置的圆化部直径的位置为止的高度变化。除了上述的条件以外，与实施例1同样地进行单晶硅的生长。

按照上述条件得到的结果示出于表4。

(表4)

如表4所示那样，如果使后热工序设定时间为2.5小时以上，进而使后热工序结束时的、从熔体(melt)到使得CRSS比成为最大的直径的位置的距离达到186.0mm以上，则能够更加切实地抑制在后热工序中向圆化部导入滑移位错的情况。但是，毋庸多言，即便以使后热工序设定时间低于2.5小时(例如表4的1.0小时)、或者后热工序结束时的、从熔融液到使得CRSS比最大的直径的位置的距离不足186.0mm这样的条件(例如表4的172.0mm等)进行生长，也能够得到比以往良好的结果。

(比较例)

另一方面，在比较例中，除了没有像实施例1那样对圆化部中的晶格间氧浓度进行特别考虑以外，与实施例1同样地以CZ法进行了多个单晶硅的生长。此外，将圆化部的长度设定为350mm、将后热提拉速度设定为0.5mm/分钟、将后热设定时间设定为5.0小时来进行单晶硅的生长。其结果示出于表5。

(表5)

如表5所示，以上述条件进行单晶硅生长的结果是：在后热工序中导入了滑移位错。其位置是在圆化部的直径为185mm的位置。

该圆化部的导入滑移位错的位置处的晶格间氧浓度如表5所示，与实施例1不同，均不足8.8×10¹⁷atoms/cm³(ASTM’79)。其结果是，如表5所示，滑移发生率为85％到100％，与实施例1相比非常差。

在圆化工序中，石英坩埚中的硅熔融液的量少，石英坩埚与硅熔融液的接触面积变小，而且随着结晶直径的减小，自由熔体(melt)表面积扩大，熔融液中的氧的蒸发增大，因此熔融液中的氧浓度降低。因此，通常单晶的圆化部的氧浓度比直体部大幅降低。在本发明中，对此进行了改善，通过提高圆化部的氧浓度，能够抑制滑移位错的发生。

此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式是例示，具有与本发明权利要求书记载的技术性思想实质相同的结构、发挥同样作用效果的方案均包含于本发明的技术范围内。