单晶硅锭的制造方法及单晶硅锭技术

本发明专利技术提供一种适合用于功率器件的、晶体生长方向上的电阻率的公差小的n型且高电阻的单晶硅锭的制造方法。将Sb或As作为n型掺杂剂的单晶硅锭的制造方法中，一边进行单晶硅锭(1)的提拉，一边调整包括腔室(30)内的压力、Ar气体的流量以及引导部(70)及硅熔液(10)的间隔(G)中的至少任一个的提拉条件值，由此n型掺杂剂从硅熔液(10)蒸发时的每单位固化率的蒸发量维持在每单位固化率的目标蒸发量的范围内。

Manufacturing method of monocrystalline silicon ingot and monocrystalline silicon ingot

The invention provides a manufacturing method of n-type and high resistance single crystal silicon ingot suitable for power devices with small tolerance of resistivity in the crystal growth direction. In the manufacturing method of monocrystalline silicon ingot using sb or as as as n-type dopant, the monocrystalline silicon ingot (1) is pulled while the pressure in the cavity (30), the Ar gas flow rate and the pull condition value of at least any one of the spacing (g) between the guide part (70) and the silicon melt (10) are adjusted, so that the evaporation amount of each unit curing rate of the n-type dopant evaporation from the silicon melt (10) is maintained at each unit The curing rate is within the range of target evaporation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单晶硅锭的制造方法及单晶硅锭
本专利技术涉及一种单晶硅锭的制造方法及单晶硅锭。尤其涉及一种适合用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)用的n型硅晶片的制造且将Sb(锑)或As(砷)作为n型掺杂剂的n型单晶硅锭的制造方法及通过该制造方法制造的单晶硅锭。
技术介绍
用作半导体器件的基板的硅晶片是通过将单晶硅锭切成薄片，经平面磨削(研磨)工序、蚀刻工序及镜面抛光(抛光)工序，进行最终清洗来制造的。并且，300mm以上的大口径的单晶硅通常通过切克劳斯基(CZ；Czochralski)法制造。利用CZ法的单晶硅提拉炉还称为CZ炉。在半导体器件中，作为功率器件之一的绝缘栅双极晶体管(IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor)为适于大功率控制的栅极电压驱动型开关元件，用于电车、电力、车载用等。在IGBT等功率器件用途中，目前使用将通过浮动区熔(FZ：FloatingZone)法及MCZ(磁控拉晶，MagneticfieldappliedCzochralski)法培育的直径200mm的掺杂有P(磷)的n型单晶硅锭进行切片而得的n型硅晶片。在此，在通过FZ法培育的单晶硅锭中，连续供给作为硅原料的硅熔液。并且，通过气体掺杂FZ法培育时，进一步在熔液保持部附近，通过喷吹连续且定量地供给掺杂剂气体。任意情况下，均能够使电阻率在锭的大致整个直体部恒定。因此，如图1所示，若为通过FZ法培育的单晶硅锭，则能够将大致整个直体部用作产品。然而，FZ晶体的培育技术的难度非常高，目前，能够通过FZ法稳定地制造的单晶硅锭的直径大多为150mm，直到最近才逐渐被直径200mm所取代，认为尤其通过FZ法制造直径300mm的大口径的单晶硅锭是非常困难的。另一方面，在利用CZ法或MCZ法的功率器件用n型单晶硅锭中实际使用的掺杂剂通常为P。从这种掺杂P的单晶硅锭获得的n型硅晶片例如相对于电阻率50[Ω·cm]±10％的规格，目前的成品率最大也只是10％左右(参考图1)。其理由在于，P的偏析系数小于1，因此随着进行单晶硅的提拉，熔液中的P浓度(n型掺杂剂浓度)变高，低电阻化逐渐进展。P的偏析系数0.35远小于B(硼)的偏析系数0.8，培育在晶体总长上成为目标电阻范围的晶体时，导致n型单晶硅锭的成品率低于p型单晶硅锭。因此，一直以来对用于改善n型单晶硅锭的成品率的方法进行了深入研究。因此，提出了将偏析系数比P更小但蒸发速度[atoms/sec]远快于P的Sb(锑)或As(砷)用于n型掺杂剂。通过对CZ炉的腔室内的压力进行减压来促进n型掺杂剂的蒸发，补偿该n型掺杂剂的偏析，由此能够减小单晶硅锭的平均电阻率的公差。对此，本申请申请人在专利文献1中提出了一种垂直硅器件用硅晶片的制造方法，其为通过切克劳斯基法从作为挥发性掺杂剂添加了Sb(锑)或As(砷)的硅熔液提拉单晶硅，由此制造垂直硅器件用硅晶片的方法，随着进行所述单晶硅的提拉，增加沿着所述硅熔液的表面流动的Ar气体的流量。如专利文献1中记载，硅熔液的表面上的所蒸发的含有挥发性掺杂剂的气体的浓度高，因此硅熔液中的挥发性掺杂剂的蒸发速度不仅受CZ炉的腔室内的压力的影响，还受Ar气体的流量的大幅影响。因此，通过专利文献1中记载的技术控制在熔液表面流动的Ar气体的流量来控制挥发性掺杂剂的蒸发速度，其结果，能够补偿掺杂剂的偏析。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2010-59032号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的技术问题IGBT等功率器件用硅晶片中容许的电阻的公差非常窄，以往相对于平均电阻率为±10％的公差，但近年来要求为±8％左右，今后会持续要求使公差成为±7％以下。通过专利文献1中记载的技术能够在一定程度上控制n型掺杂剂的蒸发速度，但为了在晶体生长方向上以高成品率实现今后要求的公差，尚有改良的余地。因此，鉴于上述诸技术问题，本专利技术的目的在于提供一种适合用于功率器件的、相对于平均电阻率的公差小的n型且高电阻的单晶硅锭的制造方法。用于解决技术问题的方案为了解决上述技术问题，本专利技术人等进行了深入研究。以下，本说明书中，将Sb及As简单统称为“n型掺杂剂”。利用图2对硅熔液中的n型掺杂剂的浓度与蒸发速度(蒸发量)之间的关系进行说明。图2表示通常的CZ炉的主要部分，示出硅熔液10储存于石英坩埚21，一边用加热器90加热，一边提拉单晶硅锭1的情况。另外，图2中，石英坩埚21为被碳坩埚22保持的双重结构。提拉过程中，在单晶硅锭1中，掺入以每单位固化率计dCs(fs)的量的n型掺杂剂，并且在硅熔液10中，剩下以每单位固化率计dCL(fs)的量的掺杂剂。并且，掺杂剂从硅熔液10以每单位时间计dCv的量蒸发。另外，本说明书中，“固化率”是指提拉过程中的单晶硅锭1的重量相对于原料质量(即，提拉前的硅熔液10的质量)的比。本专利技术人等认为，专利文献1中记载的使用挥发性n型掺杂剂的n型单晶硅的培育中，为了进一步减小晶体的生长方向上的电阻率的公差，理想的是以使硅熔液中的n型掺杂剂浓度始终保持恒定的方式进行控制即可。为了进行这种控制，需要使与通过偏析在熔液中逐渐富化的n型掺杂剂等量的n型掺杂剂的单体或化合物从熔液表面蒸发。因此，本专利技术人等首先对使晶体提拉过程中的n型掺杂剂的蒸发速度(每单位时间的蒸发量)维持恒定进行了研究。另外，认为n型掺杂剂自熔液的蒸发是以掺杂剂元素单体或氧化锑(SbxOy)或者氧化砷(AsxOy)等形态的蒸发。这种氧化物通过作为原料的硅和从石英坩埚21溶出的氧键合而在硅熔液内生成，并以气体形态从硅熔液10排出。在此，熔液表面上的n型掺杂剂的蒸发速度直接依赖于熔液正上方的Ar气体流速。这是因为，气液界面附近的气层侧的浓度边界层(在此，仅通过扩散实现物质移动)中的Sb化合物或As化合物的浓度梯度依赖于浓度边界层正上方的Ar气体流速。即，若Ar气体流速变快，则Sb化合物或As化合物的浓度梯度变大，从熔液蒸发的Sb化合物或As化合物的蒸发量也变多。如此，为了控制n型掺杂剂的蒸发速度即Sb化合物或As化合物的蒸发速度，需要控制硅熔液正上方的Ar气体流速。就CZ炉的结构而言，很难直接操作硅熔液正上方的Ar流速本身。因此，通过控制CZ炉的腔室内的压力、供给至腔室内的Ar气体流量以及Ar气体的引导部及硅熔液面的间隔(以下，称为“间隙”。)等，间接控制熔液表面上的Ar流速。另外，Ar流速与腔室内压力成反比关系，与Ar流量成正比关系，与间隙成反比关系，因此掺杂剂的蒸发速度也成为相同的关系。利用CZ炉进行的晶体提拉过程中，单晶硅锭的提拉速度及单晶硅锭的直径经时发生变动，而非始终恒定。而且，单晶硅锭的提拉速度也是用于控制锭直径的操作参数，因此需要随着提拉的进行，追随CZ炉内的热环境的变化而改变提拉速度。即，由于热环境的变化，硅的晶体生长速度也发生变化，因此实际的提拉速度也发生变化。如此，例如即使使Ar流速维持恒定且使n型掺杂剂的蒸发速度恒定，若提拉速度发生变动，则成为恒定的晶体长度或固化率所需的时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶硅锭的制造方法，其利用单晶硅提拉炉制造单晶硅锭，所述单晶硅提拉炉具有：坩埚，其储存硅熔液；腔室，其容纳该坩埚；压力调整部，其调整该腔室内的压力；提拉部，其从所述硅熔液提拉单晶硅锭；气体供给部，其向所述腔室内供给Ar气体；及引导部，其配置于所述硅熔液的表面的上方，且以使所述Ar气体沿着所述硅熔液的表面流动的方式进行引导，所述单晶硅锭的制造方法的特征在于，/n所述硅熔液中添加有由Sb或As构成的n型掺杂剂，/n所述制造方法包括：/n提拉工序，其中，通过切克劳斯基法提拉所述单晶硅锭；及/n蒸发量控制工序，其中，一边进行该提拉工序，一边调整包括所述腔室内的压力、所述Ar气体的流量以及所述引导部及所述硅熔液的间隔中的至少任一个的提拉条件值，由此使所述n型掺杂剂从所述硅熔液蒸发时的每单位固化率的蒸发量维持在每单位固化率的目标蒸发量的范围内。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170228 JP 2017-0376181.一种单晶硅锭的制造方法，其利用单晶硅提拉炉制造单晶硅锭，所述单晶硅提拉炉具有：坩埚，其储存硅熔液；腔室，其容纳该坩埚；压力调整部，其调整该腔室内的压力；提拉部，其从所述硅熔液提拉单晶硅锭；气体供给部，其向所述腔室内供给Ar气体；及引导部，其配置于所述硅熔液的表面的上方，且以使所述Ar气体沿着所述硅熔液的表面流动的方式进行引导，所述单晶硅锭的制造方法的特征在于，
所述硅熔液中添加有由Sb或As构成的n型掺杂剂，
所述制造方法包括：
提拉工序，其中，通过切克劳斯基法提拉所述单晶硅锭；及
蒸发量控制工序，其中，一边进行该提拉工序，一边调整包括所述腔室内的压力、所述Ar气体的流量以及所述引导部及所述硅熔液的间隔中的至少任一个的提拉条件值，由此使所述n型掺杂剂从所述硅熔液蒸发时的每单位固化率的蒸发量维持在每单位固化率的目标蒸发量的范围内。


2.根据权利要求1所述的单晶硅锭的制造方法，其中，
所述目标蒸发量在晶体生长方向上恒定。


3.根据权利要求1或2所述的单晶硅锭的制造方法，其中，
在所述提拉工序之前，还包括：
利用所述单晶硅提拉炉制作1个以上的评价用单晶硅锭的工序；及
根据该评价用单晶硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：宝来正隆，杉村涉，小野敏昭，藤原俊幸，
申请(专利权)人：胜高股份有限公司，
类型：发明
国别省市：日本;JP