TW201800626A - 單晶矽的製造方法 - Google Patents

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Abstract

依據既定的條件，預先求出以CZ法拉起時的單晶(C)的直徑(D)、施加於熔液(M)的水平磁場強度(G)、拉起時的單晶(C)的結晶旋轉速度(V)、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性(δ)之間的相關關係；從該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、該水平磁場強度的界限值、該拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及該相關關係，求出拉起時的單晶的最小直徑；將該求出的最小直徑做為目標直徑，在該既定的製造條件下，製造單晶矽。

Description

單晶矽的製造方法
本發明係有關於單晶矽的製造方法。
有一種提案是在水平磁場施加柴可拉斯基法(HMCZ法)下，藉由在坩堝內的熔液的表面部使對流容易產生，在坩堝的底部抑制對流，使結晶成長軸方向的氧濃度分布均一化(專利文獻1)。
先行技術文獻
專利文獻1：日本特開平9-188590號公報
另外，晶圓的外周端部往內10mm左右以內的範圍(以下也稱為外周部)的氧濃度會比在其他的中央部分低。這樣的外周部會成為發生裝置製程不良的主要原因，因此為了提高裝置的良率，會追求到外周部為止的氧濃度的均一化。
本發明所欲解決的問題是提供一種單晶矽的製造方法，能夠一邊將單晶矽的製造成本抑制到最小限定，一邊使晶圓面上的氧濃度到外周部為止能夠均一化。
第1觀點的發明，依據既定的製造條件，預先求出拉起時的單晶的直徑、水平磁場強度與單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該 被容許的在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、該水平磁場強度的界限值與單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及該相關關係，求出拉起時的單晶的直徑；在該既定的製造條件下，製造該求出的直徑之單晶矽。藉此，解決上述的問題。
第2觀點的發明，依據既定的製造條件，預先求出拉起時的單晶的直徑、水平磁場強度、單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該被容許的在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、該拉起時的單晶的直徑的界限值、該拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及該相關關係，求出要施加的水平磁場強度；在該求出的水平磁場強度以及該既定的製造條件下，製造單晶。藉此，解決上述的問題。
第3觀點的發明，依據既定的製造條件，預先求出拉起時的單晶的直徑、水平磁場強度、單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該被容許的在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、該拉起時的單晶的界限值、該水平磁場強度的界限值、以及該相關關係，求出該單晶的結晶旋轉速度；在該求出的結晶旋轉速度以及該既定的製造條件下，製造單晶。藉此，解決上述的問題。
雖然沒有特別限定，但在上述第1至第3觀點的發明中，將該拉起時的單晶的直徑假設為D(mm)，將水平磁場強度假設為G(高斯)，將拉起時的單晶的結晶旋轉速度假設為V(rpm)，將該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性假設為δ(1017atoms/cm3)，假設a、b、c、d為常數時，藉由δ= aD+bG+cV+d這個式子定義出上述相關關係，在該既定的製造條件下預先求出該常數a、b、c、d為佳。
根據第1觀點的發明，預先求出水平磁場強度、單晶的結晶旋轉、在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、再加上拉起的單晶的直徑之間的相關關係，製造單晶時，從在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、水平磁場強度的界限值、單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及相關關係，求出要拉起的單晶的最小的直徑。藉此，被拉起的單晶的直徑變為最小，因此能夠將單晶矽的生產成本抑制到最小限度。又，在晶圓外周部的氧濃度的分布特性維持在界限值，因此能夠使晶圓面的氧濃度均一化。
根據第2觀點的發明，預先求出水平磁場強度、單晶的結晶旋轉、在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、再加上拉起的單晶的直徑之間的相關關係，製造單晶時，從在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、要拉起的單晶的直徑的界限值、單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及相關關係，求出要施加的水平磁場強度。藉此，被拉起的單晶的直徑變為最小，因此能夠將單晶矽的生產成本抑制到最小限度。又，在晶圓外周部的氧濃度的分布特性維持在界限值，因此能夠使晶圓面的氧濃度均一化。
根據第3觀點的發明，預先求出水平磁場強度、單晶的結晶旋轉、在晶圓外周部的氧濃度的分布特性、再加上拉起的單晶的直徑之間的相關關係，製造單晶時，從在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、要拉起的單晶的直徑的界限 值、水平磁場強度的界限值、以及相關關係，求出單晶的結晶旋轉速度。藉此，被拉起的單晶的直徑變為最小，因此能夠將單晶矽的生產成本抑制到最小限度。又，在晶圓外周部的氧濃度的分布特性維持在界限值，因此能夠使晶圓面的氧濃度均一化。
1‧‧‧單晶矽的製造裝置
11‧‧‧第1腔室
12‧‧‧第2腔室
13‧‧‧氣體導入口
14‧‧‧氣體排出口
21‧‧‧石英製的坩堝
22‧‧‧石墨製的坩堝
23‧‧‧支持軸
24‧‧‧驅動機構
25‧‧‧加熱器
26‧‧‧保溫筒
27‧‧‧熱遮蔽構件
28‧‧‧托架
31‧‧‧線
32‧‧‧拉起機構
41‧‧‧磁場產生裝置
C‧‧‧單晶矽
M‧‧‧矽熔液
S‧‧‧種晶
第1圖係顯示適用本發明的單晶矽的製造方法的製造裝置的一例的剖面圖。
第2圖係顯示第1圖所示的製造裝置的水平磁場強度、與在晶圓外周部的氧濃度分布特性之間的關係的一例。
第3圖係顯示第1圖所示的製造裝置的單晶的結晶旋轉、與在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的關係的一例。
第4圖係顯示由第1圖所示的製造裝置所製造的單晶矽的晶圓的直徑方法的位置、與氧濃度之間的關係的一例。
第5圖係顯示由第1圖所示的製造裝置所拉起的單晶的直徑、與在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的關係的一例。
以下，根據圖式說明本發明的實施型態。第1圖係顯示適用本發明的單晶矽的製造方法的製造裝置的一例的剖面圖。適用本實施型態的製造方法的單晶矽的製造裝置1(以下簡單稱為製造裝置1)具備圓筒狀的第1腔室11、相同圓筒狀的第2腔室12，它們氣密地連接。
在第1腔室11的內部，收容矽熔液M的石英製的坩 堝21、以及保護這個石英製的坩堝21的石墨製的坩堝22會被支持軸23支持，且被驅動機構24旋轉或升降。又，以包圍石英製的坩堝21與黑鉛製的坩堝22的方式，配置了環狀的加熱器25以及同樣是環狀的由隔熱材所組成的保溫筒26。坩堝21的下方追加加熱器。
在第1腔室11的內部，石英製的坩堝21的上部設置有圓筒狀的熱遮蔽構件27。熱遮蔽構件27是由鉬、鎢等的等價金屬或碳所組成，遮斷從矽熔液M往單晶矽C的放射，且整流在第1腔室11內的氣體。熱遮蔽構件27會透過托架28固定到保溫筒26。這個熱遮蔽構件27的下端也可以設置與矽熔液M的全面相對的遮熱部，阻隔來自矽熔液M的表面的輻射，且保溫矽熔液M的表面。
連接到第1腔室11的上部的第2腔室12是收容育成的單晶矽C且將其取出用的腔室。第2腔室12的上部設置有拉起機構32，以線31一邊旋轉一邊拉起單晶矽。從拉起機構32垂下的線31的下端的夾頭安裝了種晶S。氬氣等的非活性氣體從設置在第1腔室11的上部的氣體導入口13導入。這個非活性氣體過拉起中的單晶矽C與熱遮蔽構件27之間後，通過熱遮蔽構件27的下端與矽熔液M的熔液面之間，再往石英製的坩堝21的上端升起後，從氣體排出口14排出。
第1腔室11(由非磁性材料組成)的外側，配置有包圍第1腔室11的磁場產生裝置41，對石英製的坩堝21內的熔液M施加磁場。磁場產生裝置41是朝向石英製的坩堝21產生水平磁場的裝置，由電磁線圈構成。磁場產生裝置41會控制在石 英製的坩堝21內的熔液M產生的熱對流，藉此使結晶成長穩定，抑制結晶成長方向的不純物分布的微細的不均。特別是製造大口徑的單晶矽的情況下，其效果較大。另外，以下所示的磁場強度是在石英製的坩堝21內的溶液M的液面的中心位置測量的值。
使用本實施型態的製造裝置1，要以CZ法育成單晶矽的話，首先在石英製的坩堝21內，填充多晶矽及因應必要而添加摻雜物的矽原料，開啟加熱器25，在石英製的坩堝21內熔解矽原料，做成矽熔液M。接著，開啟磁場產生裝置41開始對石英製的坩堝21施加水平磁場，一邊提高矽熔液M的溫度以調溫至開始溫度。矽熔液M的溫度與磁場強度穩定的話，一邊將非活性氣體從氣體導入口13導入並從氣體排出口14排出，一邊利用驅動機構24以既定的速度旋轉石英製的坩堝21，將安裝於線31的種晶S浸漬於矽熔液。然後，一邊以既定的速度旋轉線31一邊慢慢拉起，形成縮種後，再將直徑增大到希望的直徑大小，成長出具有略圓柱形狀的直胴部的單晶矽C。
隨著單晶矽C的拉起，石英製的坩堝21的矽熔液M的液面下降，包括從磁場產生裝置41對石英製的坩堝21的水平磁場的施加，熱區的條件變動。為了抑制這個液面條件的變動，在單晶矽C的拉起中的矽熔液M的液面的鉛直方向的高度會被驅動機構24控制為一定值。這個驅動機構24的控制，例如會因應坩堝21的位置，CCD相機等所測量的矽熔液M的液面的位置、單晶矽C的拉起長度、第1腔室11內的溫度、矽熔液M的表面溫度、非活性氣體流量等的資訊來執行，藉此石英製的坩 堝21的上下方向的位置會被驅動機構24所移動。
另外，例如製造300mm的晶圓的情況下，單晶矽C的拉起直徑在考慮不一致的情況下會設定成比300mm稍大的既定值。第4圖係顯示這樣製造的單晶矽C的晶圓狀態下的氧濃度的分布特性的一例。橫軸顯示以晶圓中心為0的直徑方向的位置，縱軸顯示氧濃度(×1017atoms/cm3)。另外，本說明書中所說的氧濃度全部都是規範於ASTM F-121(1979)的FT-IR法(傅立葉轉換紅外分光光度法)所作的測量值。又，本說明書中所說的晶圓外周部是指從晶圓的外周端部往10mm內側的領域。以下的例子中，關於晶圓外周部的氧濃度的下跌，會於第2、3、5圖來顯示從外周端部往內5mm的事例，但這只是做為晶圓外周部的代表例，並不是限定於5mm的位置。根據這個例子，在晶圓的外周部的氧濃度比其他的部位低0.5×1017atoms/cm3左右。隨著晶圓的大徑化，施加水平磁場來控制在石英製的坩堝21內的矽熔液M產生的熱對流，藉此改善拉起直徑的控制性的話，熱對流產生的熔液氧的攪拌執行困難，氧蒸發的表層的熔液會被吸入結晶外周部，而使得結晶外周部的氧濃度容易降低。
因此，將磁場產生裝置41的水平磁場強度下降的話，能夠抑制在晶圓的外周部的氧濃度的降低。然而，降低磁場產生裝置41的水平磁場強度的話，因為在石英製的坩堝21內的矽熔液M產生的熱對流的控制性降低，所以拉起速度的控制性下降。又，降低磁場產生裝置41的水平磁場強度的話，因為在石英製的坩堝21內的矽熔液M產生的熱對流的控制性降 低，所以氧濃度上昇。因此即使下降水平磁場強度，也有一定的界限值。
又，增加拉起時的單晶矽C的結晶旋轉速度(指單以線31讓單晶矽C旋轉的速度，並不是加入石英製的坩堝21的旋轉速度在內的相對旋轉速度)的話，能夠抑制在晶圓的外周部的氧濃度的降低。然而，增大拉起時的單晶矽C的結晶旋轉速度的話，單晶矽C會發生彎曲。又，增大拉起時的單晶矽C的結晶旋轉速度的話，氧濃度會上升。因此即使增大拉起時的單晶矽C的結晶旋轉速度，也有一定的界限值。
另外，拉起的單晶矽的直徑會設定考慮了起因於拉起速度等的控制不均造成的直徑的不均的情況的最小值，加大這個直徑的話，廢棄的量變多、製造良率下降。又，製造裝置1的石英製的坩堝21等的大小也有限制。因此，即使增大拉起時的單晶矽C的直徑，也有一定的界限值。
因此，本發明人們對於水平磁場強度單晶矽C的結晶旋轉速度及直徑各自相對於結晶外周部的氧濃度的分布特性有什麼影響，驗證了它們的相關關係。
第2圖係顯示使用第1圖所示的製造裝置1以既定條件製造單晶矽C的情況下，水平磁場強度、以及在晶圓外周部的氧濃度分布特性之間的關係的一例。橫軸顯示磁場產生裝置41的水平磁場強度(高斯，G，右側表示大，左側表示小)，縱軸顯示在從晶圓的外周端朝向中心5mm的位置(以下也稱為In5)、以及在同樣從晶圓的外周端朝向中心10mm的位置(以下也稱為In10)的氧濃度差(Oi[In10]-Oi[In5]，1017 atoms/cm3)。如上述，可知道降低水平磁場強度的話，氧濃度的差會接近0。
第3圖係顯示使用第1圖所示的製造裝置1以既定條件製造單晶矽C的情況下，單晶的結晶旋轉速度(稱為單晶C本身的旋轉速度)、以及在晶圓外周部的氧濃度分布特性之間的關係的一例。橫軸顯示單晶的旋轉速度(rpm，右側表示大，左側表示小)，縱軸顯示與第2圖同樣的氧濃度差(Oi[In10]-Oi[In5]，1017atoms/cm3)。如上述，可知道加大結晶旋轉速度的話，氧濃度的差會接近0。
第4圖係製造如上述300mm的晶圓的情況下，單晶矽C的晶圓狀態下的氧濃度的分布特性一例。第5圖係使用第4圖所示的結果，假設拉起直徑的外周部的氧濃度的分布特性(氧舉動)不受直徑影響而沒有變化的條件下，推測直徑增加時的氧濃度。橫軸顯示拉起時設定的單晶的直徑(mm，右側表示大，左側表示小)，縱軸顯示與第2圖及第3圖同樣的氧濃度差(Oi[In10]-Oi[In5]，1017atoms/cm3)。如上述，可知道加大拉起時的單晶的直徑的話，氧濃度的差會接近0。
從第2圖~第5圖的結果，可知結晶外周部的氧濃度的分布特性(Oi[In10]-Oi[In5]，1017atoms/cm3)與水平磁場強度、單晶矽C的旋轉速度及直徑分別有關係，因此本發明人們將拉起時的單晶的直徑假設為D(mm)，將水平磁場強度假設為G(高斯)，將拉起時的單晶的結晶旋轉速度假設為V(rpm)，將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性假設為δ(1017atoms/cm3)，假設a、b、c、d為常數，定義出以下的相關式： [數1]δ=aD+bG+cV+d…(式1)
其中常數a、b、c、d相當於對於水平磁場強度、單晶矽的旋轉速度及直徑的權重。
然後，在每個單晶矽的製造裝置1的既定的製造條件下預先求出常數a、b、c、d，將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值(也可以是容許值)、水平磁場強度的界限值、拉起時的單結晶的結晶旋轉速度的界限值代入上式1，將求出的單晶矽的直徑D(=(δ-bG-cV-d)/a)，設定為要拉起的單晶矽C的直徑。
在此，所謂在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值(容許值)是指做為產品的晶圓所被容許的外周部的氧濃度的分布值(下跌值)的最大值，是因應裝置等而設定的產品出貨基準等。例如Oi[In10]-Oi[In5]=0.5×1017atoms/cm3。又，所謂水平磁場強度的界限值是指如上述考慮了拉起速度的控制性或氧濃度的增加的下限值，根據經驗值或模擬而對每個單晶矽的製造裝置1的每次製造條件設定。例如2000G、3000G或4000G。又，所謂拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值是指考慮了彎曲或氧濃度的增加的上限值，根據經驗值或模擬而對每個單晶矽的製造裝置1的每次製造條件設定。例如8rpm、9rpm、10rpm、12rpm或15rpm。
藉由回歸分析第2圖~第5圖所示的實例，求出式1的常數a、b、c、d，如下：[數2] δ=-0.0166D+0.0005G-0.4836V+8.1984…(式2)
上述式2中，將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值(容許值)以0.1×1017atoms/cm3，將水平磁場強度的界限值以2500G，將拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值以8rpm代入上述式2，藉此求出單晶矽的直徑D為330mm。以這個直徑D為設定值來製造單晶矽的話，能夠得到一種晶棒，滿足在晶圓外周部的氧濃度的分布特性在0.5×1017atoms/cm3以下，拉起速度的控制性良好，氧濃度的增加或彎曲被抑制，又加工到規定直徑時所廢棄的外周部的量變為最小。
在上述例子中，將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值、水平磁場強度的界限值、以及拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值代入式2，藉此求出單晶矽的直徑D，但也除此之外，也可以將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值、單晶矽的直徑的界限值、以及拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值代入式2，藉此求出水平磁場強度，設定求出來的水平磁場強度來製造單晶矽。或者是除此之外，也可以也可以將在晶圓外周部的氧濃度的分布特性δ的界限值、單晶矽的直徑的界限值、以及水平磁場強度的界限值代入式2，藉此求出拉起時的單晶的結晶旋轉速度，設定求出來的結晶旋轉速度來製造單晶矽。
1‧‧‧單晶矽的製造裝置
11‧‧‧第1腔室
12‧‧‧第2腔室
13‧‧‧氣體導入口
14‧‧‧氣體排出口
21‧‧‧石英製的坩堝
22‧‧‧石墨製的坩堝
23‧‧‧支持軸
24‧‧‧驅動機構
25‧‧‧加熱器
26‧‧‧保溫筒
27‧‧‧熱遮蔽構件
28‧‧‧托架
31‧‧‧線
32‧‧‧拉起機構
41‧‧‧磁場產生裝置
C‧‧‧單晶矽
M‧‧‧矽熔液
S‧‧‧種晶

Claims (4)

  1. 一種單晶矽的製造方法，包括：依據既定的條件，預先求出以CZ法拉起時的單晶的直徑、施加於熔液的水平磁場強度、拉起時的單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、該水平磁場強度的界限值、該拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及該相關關係，求出拉起時的單晶的最小直徑；將該求出的最小直徑做為目標直徑，在該既定的製造條件下，製造單晶矽。
  2. 一種單晶矽的製造方法，包括：依據既定的條件，預先求出以CZ法拉起時的單晶的直徑、施加於熔液的水平磁場強度、拉起時的單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、該拉起時的單晶的直徑的界限值、該拉起時的單晶的結晶旋轉速度的界限值、以及該相關關係，求出要施加的水平磁場強度；在該求出的水平磁場強度以及該既定的製造條件下，製造單晶。
  3. 一種單晶矽的製造方法，包括：依據既定的條件，預先求出以CZ法拉起時的單晶的直徑、 施加於熔液的水平磁場強度、拉起時的單晶的結晶旋轉速度、以及在晶圓外周部的氧濃度的分布特性之間的相關關係；從該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性的界限值、該拉起時的單晶的直徑的界限值、該水平磁場強度的界限值、以及該相關關係，求出該拉起時的單晶的結晶旋轉速度；在該求出的結晶旋轉速度以及該既定的製造條件下，製造單晶。
  4. 如申請專利範圍第1~3項任一項所述之單晶矽的製造方法，其中：將該拉起時的單晶的直徑假設為D(mm)，將水平磁場強度假設為G(高斯)，將拉起時的單晶的結晶旋轉速度假設為V(rpm)，將該在晶圓外周部的氧濃度的分布特性假設為δ(1017atoms/cm3)，假設a、b、c、d為常數時，藉由δ=aD+hG+cV+d這個式子定義出上述相關關係，在該既定的製造條件下預先求出該常數a、b、c、d。
TW106105220A 2016-06-28 2017-02-17 單晶矽的製造方法 TWI635199B (zh)

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