單晶矽的生長方法
2023-05-10 16:41:41 1
專利名稱::單晶矽的生長方法
技術領域:
:本發明涉及作為矽片材料的單晶矽的生長方法,特別是涉及可以抑制熱應力所引起的位錯的、以高成品率生長無位錯部分的單晶矽的生長方法。本申請根據2005年6月20日提出的日本特願2005-179995號主張了優先權,在此引用其內容。
背景技術:
:作為矽片材料的單晶矽的製作方法,已知利用卓克拉爾斯基法(以下稱為CZ法)的生長方法。一直以來,為了通過CZ法高效地製造所需品質的單晶矽,眾所周知的是調整生長中的單晶矽溫度的技術。例如,通過急劇冷卻提拉中的單晶矽的固液界面附近,增大最大提拉速度的技術(例如專利文獻l:日本特開平11-199385號公報)。
發明內容但是,在專利文獻1所記載的技術中具有以下問題由於冷卻單晶矽,結晶易於發生熱應力所引起的位錯,生產性和成品率很差。通常,當在提拉中的單晶矽中產生位錯時,通過熔融被提拉過的單晶矽、再次進行提拉,來實現無位錯部分長的單晶矽生長。但是,當反覆進行單晶矽的提拉和熔融時,提拉所需要的時間變長,結晶的生產性降低。另外,當放棄生長無位錯晶體、終止結晶生長時,多量的矽熔融液殘留在坩堝內,會浪費原料。另外,由於殘留在坩堝內的矽熔融液凝固時的體積膨脹,有導致坩堝或加熱器破損的顧慮。因而,一直以來,在位錯多次發生,即使將提拉過的單晶矽熔融再次進行提拉,也無法期待在無位錯部分長的單晶矽的提拉的情況下,對產生位錯的單晶矽直接進行提拉。多次發生位錯的單晶矽在生長中的熱應力所引起的結晶粒偏差很大。因此,將提拉過的單晶矽冷卻至室溫後,發生結晶粒偏差所導致的較大殘留應力。因而,當將提拉過的單晶取出到爐外、或者對取出到爐外的單晶矽進行搬運時等,存在以下不良情況稍加衝擊就會輕易地產生矽的屈服應力以上的應力,使結晶碎裂。本發明鑑於上述事實而完成,提供一種單晶矽的生長方法,其可以抑制在調整生長中單晶矽的側面部溫度時所產生的熱應力所引起的位錯、以高成品率生長難以碎裂、具有長的無位錯部分的單晶矽,且生產性優異。本發明的單晶矽的生長方法為在生長中的單晶矽的至少一部分負荷熱應力的條件下通過卓克拉爾斯基法生長單晶矽的方法,生長單晶的氣氛氣體為含氫原子物質氣體。這裡,所謂的負荷於生長中單晶矽的至少一部分的熱應力是指施加在從接觸於單晶主體部側面部的熔融液表面之處至距離熔融液表面高度400mm之間的至少一部分的熱應力。在上述單晶矽的生長方法中,上述熱應力可以為30MPa以上。在上述單晶矽的生長方法中,上述熱應力可以為40MPa以上。在上述單晶矽的生長方法中,上述含氫原子物質氣體可以為氫氣。在上述單晶矽的生長方法中,上述氣氛氣體中的含氫原子物質氣體的氫分子分壓可以為40~400Pa。本發明的單晶矽通過上述單晶矽生長方法製造。這裡,對通過CZ法製造的單晶矽的品質(缺陷狀態)和生產性(提拉速度)進行說明。已知在通過cz法製造的單晶矽中產生在設備製造過程中表現出來的微小缺陷,即原生(Grown-in)缺陷。圖1為用於說明通過CZ法獲得的單晶矽直徑方向的缺陷分布狀態的截面圖。如圖1所示,通過CZ法獲得的單晶矽原生缺陷包括被稱為紅外線散射體缺陷或COP(crystaloriginatedparticle,晶體原生顆粒)等大小為0.1~0.2|um左右的空孔缺陷以及被稱為位錯簇的大小為10)iim左右的微小位錯。在圖1所示的單晶矽中,在外徑的大約2/3區域處,出現環狀氧化i秀生層4普擊夾陷(以下,稱為OSF(OxygeninducedStackingFault))。在OSF發生區域的內側具有經檢測為105~106個/113左右的紅外線散射體缺陷區域(紅外線散射體缺陷發生區域),在外側部分具有位錯簇以103~104個/cm3左右存在的區域(位錯簇發生區域)。圖2為用於說明慢慢降低提拉時的提拉速度而生長得到的單晶矽截面上的缺陷分布狀態的圖。圖1為在相當於圖2的A位置的提拉速度下生長得到的單晶矽的截面圖。如圖2所示,在提拉速度快的階段中,在結晶周邊部呈現環狀的OSF發生區域,OSF發生區域的內側部分成為紅外線散射體缺陷多發的紅外線散射體缺陷發生區域。隨著提拉速度的降低,OSF發生區域的直徑慢慢減小,在OSF發生區域的外側部分呈現位錯簇發生的位錯簇發生區域。當提拉速度進一步降低時,OSF發生區域消失,在整個面上呈現位錯簇發生區域。在接觸於環狀的OSF發生區域的外側上具有可以形成氧析出物(BMD:bulkmicrodefect,體內微缺陷)的氧析出促進區域(PV區域),在氧析出促進區域區域)氧析出抑值區域(PI區域)、環狀OSF發生區域均為原生缺陷極少的無缺陷區域。檢測到紅外線散射體缺陷的單晶矽與檢測到位錯醋的單晶矽相比,對設備的不良影響小,可以加快提拉速度,因此生產性優異。但是,近年來隨著集成電路的微細化,指出紅外線散射體缺陷所導致的氧化膜耐壓性有所降低。因而,需求包括既未檢測到紅外線散射體缺陷也未檢測到位錯蔟缺陷的無缺陷區域的高品質單晶矽。所需缺陷狀態的單晶矽通過控制提拉速度V(mm/min)和固液界面附近的結晶側溫度梯度G(℃/mm)之比V/G而獲得。使用圖1和圖2說明的單晶矽生長例為使用在單晶矽的側面部不進行用於控制溫度梯度G的溫度調整的加熱區域結構所生長的。在這種加熱區域結構中,結晶中心部處的溫度梯度(Gc)小於結晶外周部的溫度梯度(Ge)(Gc<Ge)。另外,生長中的單晶矽的溫度為1000~800℃範圍的時間,即生長中的單晶矽通過1000-800。C溫度範圍的時間超過200分鐘。在100080(TC範圍時,在單晶矽中OSF核生長。這裡,舉例說明通過控制固液界面附近的結晶側溫度梯度G,生長所需缺陷狀態的單晶矽的方法。例如,考慮使用結晶中心部的溫度梯度(Gc)與結晶外周部的溫度梯度(Ge)相同或更大(Gc≧Ge)的加熱區域結構,在矽片整個面上生長包括均勻無缺陷區域的單晶矽的方法。具體地說,通過改良包圍剛凝固後的單晶周圍的隔熱體的尺寸、位置、冷卻用部件使用等加熱區域結構,調整生長中的單晶矽的側面部溫度,控制固液界面附近的結晶側溫度梯度G,在熔點至125(TC附近的溫度域中使Gc≧Ge。圖3為用於說明使用具有結晶中心部的溫度梯度(Gc)與結晶外周部溫度梯度(Ge)相同或更大(Gc≧Ge)的加熱區域結構的結晶生長裝置,慢慢降低提拉時的提拉速度所生長得到的單晶矽截面的缺陷分布狀態的圖。由圖3可知,使用具有(Gc≧Ge)的加熱區域結構的結晶生長裝置,以圖3所示B至C範圍的提拉速度生長結晶,則固液界面附近的結晶側溫度梯度G被控制,獲得結晶內部成為無缺陷區域的單晶矽。另外,在使用圖3說明的單晶矽生長例中,與圖2所示例子相比,可以相對地加快能夠提拉無缺陷結晶的提拉速度。將能夠提拉無缺陷結晶的提拉速度範圍(圖3中B至C的範圍)稱為無缺陷結晶的提拉速度界限。在使用圖3說明的單晶矽的生長例中,生長中的單晶矽的溫度為1000~800°C範圍的時間,即生長中的單晶矽通過1000~800。C溫度範圍的時間為180-200分鐘。因而,使用圖3說明的單晶矽的生長例中,與圖2所示例子相比,生長中的單晶矽溫度為1000800°C的範圍的時間變短,在單晶矽中OSF核的生長被抑制,可以增大無缺陷結晶的提拉速度界限。但是,在使用圖3說明的單晶矽生長例中,調整生長中的單晶矽側面部的溫度,控制固液界面附近的結晶側溫度梯度G。因而,與在單晶矽側面部不進行用於控制溫度梯度G的溫度調整的圖2所示例相比,負荷在生長中的單晶矽的熱應力變大,易於發生熱應力所引起的位錯。如圖2中所示,在單晶矽的側面部不進行用於控制溫度梯度G的溫度調整時,負荷於通過加熱區域的單晶矽側面部的熱應力通常為28MPa左右、小於30MPa。與此相比,如圖3所示,當使用具有(Gc≧Ge)加熱區域結構的結晶生長裝置時,將30MPa以上、通常3045MPa左右的熱應力負荷在生長中的單晶矽側面部。熱應力所引起的位錯在熱應力為30MPa以上時變得顯著,在熱應力為40MPa以上時,非常易於發生位錯或碎裂。苯發明的單晶矽的生長方法海可以優選地用於使用具有再生長中的單晶矽側面部負荷30~45MPa左右熱應力(Gc≧Ge)的加熱區域結構的結晶生長裝置的情況中。本發明的單晶矽生長方法中,使生長單晶的氛圍氣體為惰性氣體和含氫原子物質氣體的混合氣體等含有含氫原子物質氣體的氣體。因此,如調整生長中的單晶矽的側面部的溫度,控制固液界面附近結晶側的溫度梯度G的情況,即便在生長中的單晶矽側面部負荷熱應力的條件下,也可以抑制熱應力所引起的位錯。以下對其進行說明。滑動的發生為熱應力所引起的位錯之一例。滑動在結晶無法抵抗熱應力時,以位錯簇作為起點而發生。本發明中,含氫原子物質氣體中的氫元素進入到矽晶的晶格間。因而,等同於提高矽晶格間原子的濃度的狀態,在矽凝固的過程中從矽熔融液中進入到結晶內的晶格間原子的數量減少。如此,由於可以通過氫抑制由於晶格間原子所引起的位錯簇的發生,因此難以發生以位錯簇為起點的滑動,抑制了位錯。結果,與在氣氛氣體中不添加氫的情況相比,可以生長位錯少、難以碎裂、具有較長無位錯部分的高品質單晶矽。通過本發明,即便在熱應力所引起的位錯變得顯著的30MPa以上熱應力負荷於生長中的單晶矽側面部的條件下,也可以有效地抑制熱應力所引起的位錯。在40MPa以上的熱應力負荷在生長中的單晶矽側面部的條件下,以往會多次發生位錯化,在生長冷卻後的單晶矽上會產生接近矽的屈服應力的殘留應力。在這種條件下,本發明可以有效地抑制熱應力所引起的位錯。在本發明的單晶矽的生長方法中,含氫原子物質氣體可以是氫氣。例如還可以使用選自含有H20、CH4、HC1等氫原子的無機化合物,矽烷氣體、CH4.C2H2等烴、醇、羧酸等含有氫原子的各種物質的氣體中的1種或多種氣體。作為含氫原子物質氣體使用氫氣時,可以通過專用的導管將氫從市售氬氣液化氣瓶、氫氣儲存罐、使氫儲存在儲氫合金中的氫罐等供至提拉爐內。另外,作為惰性氣體(稀有氣體)可以使用選自Ar、He、Ne、Kr、Xe的1種或多種氣體。通常使用廉價的氬(Ar)氣體,還可以使用在Ar氣體中混合有He、Ne、Kr、Xe等其它惰性氣體的混合氣體。氣氛氣體中的氧氣(02)濃度在將含氫原子物質氣體用氫分子換算的濃度定為oc、使氧氣(02)濃度定為P時,滿足01-2(3^3%(體積%)。氣氛氣體中的氧氣(o2)濃度β與含氫原子物質氣體用氫分子換算的濃度a不滿足上式時,無法獲得抑制進入單晶矽中的氫原子所引起的原生缺陷生成的效果。圖4為用於說明使用本發明單晶矽生長方法獲得的單晶矽截面的缺陷分布狀態的圖。圖4所示單晶矽與圖3相同,為使用具有(Gc^Ge)加熱區域結構的結晶生長裝置,向提拉爐內提供氬氣分壓為250Pa的添加有氫的惰性氣體,慢慢降低提拉時的提拉速度生長而成。當使生長單晶的氣氛氣體為惰性氣體和氫的混合氣體時,如上所述,由於氳抑制了晶格間原子所引起的位錯簇的發生,因此無缺陷區域向提拉速度的低速側移動。因而,與使氣氛氣體為惰性氣體的圖3所示例子相比,如圖4所示,可以提拉無缺陷結晶的最低提拉速度變慢,可以提拉無缺陷結晶的提拉速度範圍(無缺陷結晶的提拉速度界限(圖4中DE的範圍))變大。對原生缺陷形成有影響的氫的大部分在之後的冷卻過程逸出到單晶矽外。當使氣氛氣體為惰性氣體和氬的混合氣體時,在生長中的裝置內,與惰性氣體氣氛中所含氫分壓成比例的氫溶入到矽熔融液中,分配到由熔融液凝固的單晶矽中。由亨利定律可知,矽熔融液中的氬濃度依賴於氣相中的氳分壓,表示為PH2=kCLH2。這裡,Pm為氣氛中的氫分壓、CLH2為矽熔融液中的氫濃度、k為兩者間的係數。另一方面,單晶矽中的濃度通過矽熔融液中的濃度和偏析的關係決定,表示為下式CSH2=k'CLH2=(k'/k)PH2其中,CsH2為結晶中的氫濃度、k'為氬的矽熔融液-結晶間的偏析係數。由以上可知,在含氬惰性氣體氣氛中進行生長時,通過控制氣氛中的氬分壓,使剛凝固的單晶矽中的氬濃度在結晶軸方向上以所需濃度控制在一定。該氫的分壓可以通過氫濃度和爐內壓力而控制。圖5為表示氣氛中的氫分壓和V/G的關係的曲線。在加熱區域結構相同時,即便提拉速度變化,提拉中的單晶內部的溫度分布也基本不會變化。因此。圖5的縱軸V/G主要表示提拉速度的變化。如圖5所示,隨著氣氛中的氫分壓增加,無缺陷結晶的所得提拉速度降低,但無缺陷結晶的提拉速度界限變大。另外,OSF區域的提拉速度界限隨著氫分壓的增加而變得狹窄。PI區域的提拉速度界限隨著氫分壓的增加而大幅度擴大。另外,PV區域的提拉速度界限隨著氫分壓的增加而變寬或變窄,但在氫分壓為100~250Pa時提拉速度界限變大。在本發明的單晶矽的生長方法中,通過使氣氛氣體中的含氫原子物質氣體的氫分子分壓為40~400Pa,可以有效地抑制熱應力所引起的位錯。當使氫分子分壓小於40Pa時,則有可能無法充分地獲得位錯抑制效果。當氬分子分壓超過400Pa時,易於發生被稱為氫缺陷的巨大空洞缺陷,因此不優選。如果使氣氛氣體中的含氬原子物質氣體的氫分子分壓為400Pa以下,則即便由於漏氣而使空氣流入到單晶矽的生長裝置內,氬也不會燃燒,可以安全地操作。如圖5所示,通過使氣氛氣體中的含氫原子物質氣體的氫分子分壓為40-400Pa,可以增大無缺陷結晶的提拉速度界限。當使氫分子分壓小於40Pa時,則無法充分地獲得增大無缺陷結晶的提拉速度界限的效果。如圖5所示,通過使氣氛氣體中的含氬原子物質氣體的氫分子分壓為40~160Pa(圖5中為I範圍),可以容易地生長獲得整個面均為PV區域的矽片的單晶矽。氫分子分壓超過160Pa時,則PI區域易於混存在結晶內,難以生長獲得整個面為PV區域的矽片的單晶矽。PV區域易於形成氧析出物,在包括PV區域的矽片中,例如當在表面上實施所謂DZ(denudedzone,除雜區)層形成處理時,可以容易地形成內部具有除氣作用的BMD。如圖5所示,通過使氣氛氣體中的含氫原子物質氣體的氫分子分壓為160~400Pa(圖5中II的範圍),可以容易地生長獲得整個面為PI區域的矽片的單晶矽。當氫分子分壓小於160Pa時,則PI區域易於混存在結晶內,難以生長獲得整個面為PV區域的矽片的單晶矽。本發明的單晶矽的生長方法還可以優選用於使用熔點~135(TC的結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc和熔點~135(TC的結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge之比Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5。C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,將含有氫的惰性氣體供給提拉爐內,由此生長包括無缺陷區域的單晶矽的情況。在使用具有加熱區域結構的結晶生長裝置時,通常將3045MPa左右的熱應力負荷在生長中的單晶矽側面部,生長中的單晶矽的溫度為1000-800。C範圍的時間,即生長中的單晶矽通過1000~800。C溫度範圍的時間為80~180分鐘。本發明的單晶矽生長方法中,由於使生長單晶的氣氛氣體為惰性氣體和含氬原子物質氣體的混合氣體,因此即便在使用具有熔點~1350°C的結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc和熔點~135(TC的結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge之比Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,也可以有效地抑制熱應力所引起的位錯。圖7為用於說明使用本發明單晶矽生長方法的其它單晶矽截面缺陷分布狀態的圖。圖7所示的單晶矽通過改良包圍剛凝固的單晶周圍的隔熱體的尺寸、位置、冷卻用部件的使用等,使用Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,調整生長中的單晶矽的側面部溫度,控制固液界面附近的結晶側溫度梯度G,且向提拉爐內供給添加有氫的惰性氣體,以使氫分壓達到240Pa,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長。圖6為用於說明使用具有與圖7相同加熱區域結構的結晶生長裝置,調整生長中單晶矽側面部的溫度,控制固液界面附近的結晶側的溫度梯度G,僅將惰性氣體供給至提拉爐內,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長的單晶矽的截面缺陷分布狀態的圖。如圖7所示,通過利用上述方法進行生長,與使氣氛氣體為惰性氣體的圖6所示例子相比,可以增大無缺陷結晶的提拉速度界限(圖6中F至G的範圍、圖7中F至G的範圍)。另外,通過使用具有Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,可以增大固液界面附近的結晶側溫度梯度G、在不會改變V/G的情況下增大提拉速度V,可以提高能夠提拉無缺陷結晶的最低提拉速度。另外,通過利用上述方法生長,可以提高在提拉單晶矽時的V/G控制性。另外,如圖7所示,通過利用上述方法生長,氧析出促進區域(PV區域)的提拉速度界限和氧析出抑制區域(PI區域)的提拉速度界限(圖7中HG的範圍)增大,因此可以獲得在矽片整個面上均為PV區域的單晶矽、在矽片整個面上均為PI區域的單晶矽。如圖6和7所示,通過使用具有Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,使與PV區域和OSF發生區域之間形成的界面中的圖6所示中央部分在晶軸方向上隆起部分m的生長相當速度為fpD、與圖6所示隆起成環狀的部分(結晶直徑方向上在結晶中心和最外部的中間位置處在結晶軸方向上呈現凸狀的部分)n的生長相當的速度為fpR時,可以如下進行控制,達到(fpD-fpR)/fpDxl00=±20(%)。本發明中,爐內壓為4~6.7kPa(3050Torr)的範圍時,在氣氛氣體中,還可以以20體積%以下的濃度存在氮(N2)。氮濃度超過20體積%時,單晶矽有位錯的可能。根據本發明,可以提供能夠抑制由於調整生長中單晶矽的側面部溫度而產生的熱應力所引起的位錯,能夠以高成品率生長出難以碎裂、無位錯部分的單晶矽的生長方法。圖1為用於說明通過CZ法獲得的單晶矽直徑方向的缺陷分布狀態的截面圖。圖2為用於說明使用具有結晶中心部的溫度梯度(Gc)小於結晶外周部溫度梯度(Ge)(Gc<Ge)的加熱區域結構的結晶生長裝置,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長得到的單晶矽截面缺陷分布狀態的圖。圖3為用於說明使用具有結晶中心部的溫度梯度(Gc)與結晶外周部溫度梯度(Ge)相同或更大的(Gc^Ge)的加熱區域結構的結晶生長裝置,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長得到的單晶矽截面缺陷分布狀態的圖。圖4為用於說明使用本發明單晶矽生長方法獲得的單晶矽的截面缺陷分布狀態的圖。圖5為表示氣氛中氫分壓和V/G關係的曲線。圖6為用於說明使用具有Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長得到的單晶矽截面的缺陷分布狀態的圖。圖7為用於說明使用Gc/Ge為1.1~1.4、軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.5℃/mm的加熱區域結構的結晶生長裝置,且向提拉爐內供給添加有氬的惰性氣體,慢慢降低提拉時的提拉速度而生長得到的單晶矽截面的缺陷分布狀態的圖。圖8為實施本發明單晶矽生長方法而優選的CZ爐的縱截面圖。圖9為用於說明導熱計算方法的流程圖。圖10為用於說明熱應力計算方法的流程圖。圖11為表示每個實驗例的位錯次數的曲線。圖12為表示每個實驗例的位錯部分長度的曲線。符號說明1坩堝、la石英坩堝lb石墨坩堝2加熱器3矽溶融液4提拉軸5籽晶夾頭6單晶7隔熱體8水冷裝置9磁場供給裝置具體實施例方式以下根據本發明的第1實施方式。圖8為實施本實施方式單晶矽生長方法所優選的CZ爐縱截面圖。圖8所示的CZ爐具有配置在爐室中心部位的坩堝1、配置在坩堝1外側的加熱器2、配置在加熱器2外側的磁場供給裝置9。坩堝1為用外側石墨坩堝lb保持內側裝有矽熔融液3的石英坩堝la的雙重結構,通過被稱為基座的支撐軸進行旋轉和升降驅動。在蚶堝1的上方設置有圓柱狀的隔熱體7。隔熱體7為由石墨製作外殼、內部填充有石墨毛氈的結構。隔熱體7的內面成為自上端部至下端部內徑逐漸減小的錐面。隔熱體7的上部外表面是與內表面對應的錐面,下部外表面形成為大體上水平的面使搏—7高熱體7的厚度朝向下方逐漸增大。該CZ爐在結晶生長時具有熔點~135(TC結晶中心部分的軸方向溫度梯度Gc與熔點~135(TC結晶外周部分的軸方向溫度梯度Ge之比Gc/Ge為1.1~1.4、更優選1.2~1.4,溫度梯度Gc為3.0~3.5°C/mm、更優選3.2~3.3的加熱區域結構,生長中的單晶矽溫度為1000~80CTC範圍的時間,即生長中的單晶矽通過1000~80CTC溫度範圍的時間為80~180分鐘、更優選100~150分鐘。這種加熱區域結構由隔熱體7和水冷裝置8構成。隔熱體7阻擋由加熱器2和-圭熔融液3面向單晶^圭6側面部的輻射熱,在包圍生長中的單晶珪6側面的同時,包圍矽熔融液3面。列舉隔熱體7的i兌明例如下所示。半徑方向的寬度W例如為50mm、倒圓錐面的內表面相對於垂直方向的傾斜9例如為21°、隔熱體7的下端距離熔融液液面的高度H1例如為60mm。水冷裝置8安裝在隔熱體7的內側。通過將水冷裝置8安裝在隔熱體7的內側,可以在有效地冷卻單晶矽6側面部分,同時通過以高速流下隔熱體7內側的惰性氣流抑制SiO在水冷裝置8中的析出。作為水冷裝置8,可以使用由銅或不鏽鋼等形成的線圏狀通水管、具有通水隔壁的水冷套管等。水冷裝置8的通水量優選為10升/分鐘以上。水冷裝置8的冷卻能力可以通過調整水冷裝置8在結晶提拉方向上的高度、距離熔融液表面的設置距離進行調整,還可以根據通水量適當改變通水管或水冷套管的構成。另外,通過調整水冷裝置8的冷卻能力,可以使負荷在生長中單晶矽側面的熱應力在30~45MPa範圍內變化,同時還可以使生長中的單晶矽溫度在1000-800。C範圍的時間在80~180分鐘內變化。當使提拉單晶直徑為Dc時,水冷裝置8的冷卻用部件一般設置成其內周面直徑為1.20Dc2.50Dc、長度0.25Dc以上、熔融液表面至冷卻用部件下端面的距離為0.30Dc0.85Dc範圍。由磁場供給裝置9提供的磁場強度對於水平磁場(橫磁場)為2000~4000G、更優選為2500-3500G,磁場中心高度相對於溶融液液面設定為-150~+100mm、更優選為-75~+50mm的範圍內。對於會切磁場,由J茲場供給裝置9供給的磁場強度為200~1000G、更優選為300~700G,磁場中心高度相對於熔融液液面設定為-100~+100mm、更優選-50~+50mm的範圍內。通過以上述》茲場強度在上述磁場中心高度範圍內由磁場供給裝置9提供磁場,可以抑制對流,可以使固液界面的形狀為優選形狀。使用圖8所示CZ爐進行單晶矽6的提拉時,熔點~135(TC在結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc為3.0~3.2°C/mm、結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge為2.3~2.5°C/mm,Gc/Ge為1.3左右。另外,負荷在生長中單晶矽的側面部的熱應力為3045MPa。該狀態即便改變提拉速度,也基本不會變化。接著,說明使用圖8所示CZ爐,使用惰性氣體和氫氣的混和氣體作為生長單晶的氣氛氣體進行單晶矽6生長的方法。(操作條件的設定)首先,設定用於生長目標無缺陷狀態的單晶矽的操作條件。這裡,作為操作條件的設定例子,說明用於生長無缺陷結晶的操作條件的設定方法。首先,為了把握氫濃度和獲得無缺陷結晶的提拉速度的容許範圍,使氣氛氣體中的氫分子分壓例如為0、20、40、160、240、400Pa的混合比例,在各個條件下生長目標直徑為例如300mm的單晶。即,在坩堝內裝入例如300Kg高純度多晶矽,添加p型(B、Al、Ga等)或n型(P、As、Sb等)摻雜劑使得單晶的電阻率達到所需值,例如lOQcm。使裝置內在氬氣氛下減壓至1.33~26.7kPa(10~200torr),設定氣氛氣體中氫分子分壓達到上述規定混合比例使氣體流入到爐內。接著,從磁場供給裝置9供給例如3000G的水平磁場,以使磁場中心高度相對於熔融液液面為-75~+50mm,通過加熱器2加熱多晶矽,製成矽熔融液3,將裝在籽晶夾頭5上的籽晶浸漬在矽熔融液3中,一邊旋轉坩堝1和提拉軸4,一邊提拉結晶。結晶方位為{100}、{111}或{110}中的任一種,進行用於結晶無位錯化的晶種收縮後,形成肩部,進^"肩部改變成為目標主體直徑。然後,在主體長度達到例如300mm時,將提拉速度調整至比臨界速度足夠大的例如1.0mm/min,之後根據提拉長度使提拉速度大致呈線性地降低,在主體長度達到例如600mm時達到小於臨界速度的例如0.3mm/min,之後利用該提4立速度生長主體部分直至例如1600mm,在通常條件下進行尾部收縮後,結束結晶生長。這樣,沿著提拉軸將以不同氫濃度生長的單晶縱切,製作含有提拉軸附近的板狀試驗片,為了觀察原生缺陷分布,進行Cu裝飾。首先,將各個試驗片浸漬在硫酸銅水溶液後進行自然乾燥,在氮氣氛中、900'C下實施20分鐘左右的熱處理。之後,為了除去試驗片表層的Cu矽化物層,浸漬在HF/HN03混合溶液中,將表層數十微米刻蝕除去後,利用X射線形貌檢測法研究OSF環的位置、各缺陷區域的分布。另外,分別使用例如OPP法研究該切片的COP密度,使用Secco刻蝕法研究位錯簇的密度。通過上述提拉實驗,獲得紅外線散射體缺陷發生區域、OSF發生區域、PV區域、PI區域、位錯簇發生區域的各缺陷區域的V/G和氫濃度的關係。另外,通過在300mm~600mm、500mm~800mm和700mm~1000mm的不同幾處部位實施改變提拉速度的位置,求得目標無缺陷狀態的單晶矽提拉速度界限和結晶軸方向位置的關係,可以設定用於獲得所需缺陷狀態的無缺陷結晶的操作條件。(單晶矽的生長)接著,使用圖8所示CZ爐,使用惰性氣體和氫氣的混合氣體作為生長單晶的氣氛氣體,在通過上述方法設定的適當操作條件下生長主體部分為不含原生缺陷的無缺陷區域的單晶矽6。通過本實施方式單晶矽的生長方法,由於使生長單晶的氣氛氣體為惰性氣體和氫氣的混合氣體,因此即便在使用具有3045MPa熱應力負荷在生長中單晶矽側面部的加熱區域結構的結晶生長裝置的情況下,也可以有效地抑制熱應力所引起的位錯。在上述實施方式中,舉例說明了生長中的單晶矽的側面部負荷30~45MPa熱應力的例子,但本發明並不限於熱應力所引起的位錯變得顯著的3OMPa以上熱應力負荷在生長中單晶矽側面部的情況,即便在負荷小於30MPa熱應力的情況下,也可以荻得抑制熱應力所引起的位錯的效果。在上述實施方式中,舉例說明了主體部為不含原生缺陷的無缺陷區域的單晶矽6的生長方法,但本發明並不局限於生長無缺陷結晶的方法,可以作為生長所需缺陷狀態的單晶矽的方法使用。實施例1(實驗例)為了驗證本發明,進行以下所示的實驗。即,使用具有表1和以下所示1~3加熱區域結構的結晶生長裝置,使用氬氣或氬氣和氫氣的混和氣體作為氣氛氣體,進行外徑為300mm、主體長為1800mm的無缺陷結晶的單晶矽的生長。表1加熱區域結構結晶側面熱應力(Mpa)140235.7328(加熱區域結構1)使用圖8所示CZ爐,設置水冷裝置8的冷卻能力,使得尺寸為內徑600mm、高200mm,其下面距離熔融液表面150mm,同時由》茲場供給裝置9供給3000G的水平磁場,使得磁場中心高度距離熔融液液面為Omm,製成供給溶點至1350。C在結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc為3.2。C/mm、結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge為2.2°C/mm、Gc/Ge為1.3的加熱區域結構。(加熱區域結構2)使用圖8所示CZ爐,設置水冷裝置8的冷卻能力,使得尺寸為內徑600mm、高150mm,其下面距離熔融液表面200mm,同時與加熱區域結構1同樣地提供水平磁場,製成熔點至135(TC在結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc為3.(TC/mm、結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge為2.5°C/mm、Gc/Ge為1.2的加熱區域結構。(加熱區域結構3)使用沒有水冷裝置8和隔熱體7的CZ爐,與加熱區域結構1同樣地提供水平磁場,製成熔點至135(TC在結晶中心部的軸方向溫度梯度Gc為2.8。C/mm、結晶外周部的軸方向溫度梯度Ge為2.5°C/mm、Gc/Ge為1.1的加熱區域結構。使用具有這種1-3加熱區域結構的結晶生長裝置生長單晶矽時,通過以下所示方法求得負荷在生長中單晶矽側面部的熱應力。(導熱計算)熱應力使用進行圖9所示導熱計算的結果求得。導熱計算中,首先進行提拉爐的模擬(Sl)。在提拉爐的模擬中,對下述進行設定外形及網格形狀進行數值化的形狀數值化;熱導率;表面輻射率根據材質進行設定的材料的物性值。接著,對表示2個表面要素相互間如何顯示的形態態係數進行計算(S2)。對每個表面要素進行形態係數的計算。接著,實施導熱計算(S3)。在導熱計算中,通過SOR法反覆實施計算,求得輻射導熱,根據熱平衡,進行收斂計算。根據熱平衡的收斂計算為在提拉速度在設定範圍內穩定的收斂條件下如下進行。1.第n次的導熱計算完成後,使流過單晶矽內的熱流速為Hso、使固液界面上發生的,疑固線熱為Hla、使流過石圭熔融液內的熱流速為HIq時,按照滿足Hso=Hla+Hlq決定Hla。這裡,Hla由於為提拉速度的函數,因此求得滿足熱平衡的提拉速度。2.當提拉速度快於收斂目標,則增加加熱器的散熱量,當慢於收斂目標時,則減少加熱器的^:熱量。3.實施第n+l次的導熱計算。(熱應力計算)熱應力如圖IO所示。首先,進行結晶模擬(S4)。在結晶模擬中,進行單晶矽的外形和網格形狀的數值化的形狀的數值化以及作為單晶矽物性值的熱膨脹率、楊式模量、泊松比的設定。接著,通過輸入導熱計算結果來輸入溫度分布(S5)。之後,通過計算利用有限要素法的熱應力計算來計算結晶中的熱應力(S6)。使用如此求得的具有1~3加熱區域結構的結晶生長裝置,生長單晶矽時,將負荷在生長中的單晶矽的側面部的熱應力結果示於表1中。(實驗例1)使用具有表l所示加熱區域結構1的結晶生長裝置,使用氬氣中混合有氫分子分壓達到240Pa的氫氣的混合氣體作為生長單晶的氣氛氣體,在通過上述方法設定的操作條件下,生長作為無缺陷結晶的單晶矽。(實驗例2)使用具有表1所示加熱區域結構3的結晶生長裝置,使用氬氣體作為生長單晶的氣氛氣體,生長作為無缺陷結晶的單晶矽。(實驗例3)使用具有表1所示加熱區域結構2的結晶生長裝置,使用氬氣體作為生長單晶的氣氛氣體,生長作為無缺陷結晶的單晶矽。(實驗例4)使用具有表1所示加熱區域結構1的結晶生長裝置,使用氬氣體作為生長單晶的氣氛氣體,在通過上述方法設定的操作條件下,生長作為無缺陷結晶的單晶矽。(實驗例5)使用具有表1所示加熱區域結構3的結晶生長裝置,使用氬氣中混合有氳分子分壓達到240Pa的氫氣的混合氣體作為生長單晶的氣氛氣體,在通過上述方法設定的操作條件下,生長作為無缺陷結晶的單晶矽。將如此獲得的實驗例1~實驗例5的單晶矽的提拉速度(mm/min)和無缺陷結晶的提拉速度界限(mm/min)示於表2中。表2實驗例提拉速度界限無位錯性碎裂10.510.043〇〇20.420.015〇〇30.5340.027△△40.550.03XX50.400.023〇〇分別將多個實驗例1~實驗例5的單晶矽生長製成試驗體,如下所示求出生長時的每單位拉伸試驗的位錯次數。將提拉長度1000mm以後時產生位錯的單晶矽進行熔融嘗試再次無位錯的結晶提拉。在反覆進行該操作得到全長無位錯的晶體時,熔融提拉過的晶體的次數是位錯產生的次數,當在1000mm以後發生位錯時,則熔融經提拉過的晶體的次數+1次是位錯發生的次數。將實驗例1~實驗例5的結果平均值示於圖11。另外,分別將多個實驗例1~實驗例5的單晶矽生長製成試驗體,研究生長後無位錯部分的長度。將實驗例1~實驗例5結果的平均值示於圖12中。根據以下所示評價標準評價實驗例1~實驗例5的單晶矽無位錯性。其結果示於表2中。〇無位錯部分的長度平均值超過1400mm、且位錯次數的平均值小於0.5次。Δ:無位錯部分的長度平均值為1000~1400mm的範圍,位錯次數的平均值為0.5~1次的範圍。x:無位錯部分的長度平均值小於1000mm,且位錯次數的平均值超過1次。在實驗例1~實驗例5的單晶矽中,對於一部份中含有位錯部分的單晶矽,根據以下所示的評價標準評價取出到爐外的操作和搬運取出到爐外的單晶矽的操作所導致的有無碎裂。其結果示於表2中。〇全部的試驗體中均為發生斷裂。△:在一部分的試驗體中產生了斷裂。x:全部的試驗體中產生了斷裂。通過表2,為本發明實驗例的熱應力為40MPa(加熱區域結構1)的實驗例1和熱應力為28MPa(加熱區域結構3)的實驗例5中,無位錯和碎裂的評價為O。另外,與在氣氛氣體中未添加氫的實驗例1不同,在熱應力為40MPa(加熱區域結構1)的本發明比較例的實驗例4中,無位錯性和斷裂的評價為x。因此,通過在氣氛氣體中添加氳,可以提高無位錯性,與在氣氛氣體中未添加氫的情況相比,可以生長位錯性少、無位錯部分的長度長的單晶矽。由表2可知,在使用了熱應力為35.7MPa的加熱區域結構2的實驗例3中,與熱應力小於實驗例1無關,無位錯性和斷裂的評價為△。由表2可知,實驗例1的提拉速度與實驗例2和實驗例5相比非常快,並不比實驗例3和實驗例4慢,是並不遜色的結果。實驗例5的提拉速度並不慢於實驗例2,並不遜色。由表2可知,實驗例1的提拉速度界限與實驗例2相比非常大,與實驗例3~實驗例5相比更大。實驗例5的提拉速度界限與實驗例2相比非常大。由圖11可知,在實驗例1中,與實驗例4相比,位錯次數非常少。實驗例1中,與熱應力為35.7MPa(加熱區域結構2)的實驗例3相比,位4脊次^t少;與熱應力為28MPa(加熱區域結構3)的實驗例2相比,位錯次數多,但並不遜色。因而,實驗例1中,可以確認能夠生長與熱應力小於30MPa的情況同等位錯次數的單晶矽。由圖12可知,實驗例1中與實驗例4相比,無位錯部分的長度為400mm以上。因而,通過在氣氛氣體中添加氬,可以生長無位錯部分的長度長的單晶矽。由圖12可知,實驗例1中,無位錯部分的長度短於實驗例2和實驗例3,無位錯部分的長度之差小於250mm,實驗例1和實驗例4之差比較微小。產業實用性通過本發明,可以抑制調整生長中的單晶矽側面部溫度時所產生的熱應力所引起的位錯化,以高成品率生長難以碎裂、具有長無位錯部分的單晶矽。通過本發明,可以高效地生產適於集成電路孩i細化、既未一企測到紅外線散射體缺陷也未檢測到位錯簇的包括無缺陷區域的高品質單晶矽。使用本發明,可以高效地生產獲得全面為氧析出抑制區域的矽片的單晶矽、或者獲得全面為氧析出促進區域的矽片的單晶矽。權利要求1.一種單晶矽的生長方法,在通過卓克拉爾斯基法生長所述單晶矽時,在生長中的單晶矽的至少一部分負荷熱應力,生長單晶的氣氛氣體含有含氫原子物質氣體。2.權利要求1所述的單晶矽生長方法,其中所述熱應力為30MPa以上。3.權利要求1所述的單晶矽生長方法,所述熱應力為40Mpa以上。4.權利要求1所述的單晶矽生長方法,所述含氫原子物質氣體為氫5.權利要求1所述的單晶矽生長方法,所述氣氛氣體中的含氳原子物質氣體的氫分子分壓為40~400Pa。6.通過權利要求1~5任一項所述的單晶矽生長方法製造的單晶矽。全文摘要本發明涉及單晶矽的生長方法。在生長中的單晶矽側面部負荷有熱應力的條件下通過卓克拉爾斯基法生長單晶矽。使生長單晶的氣氛氣體為惰性氣體和含氫原子物質氣體的混合氣體。文檔編號C30B29/06GK101203634SQ200580050178公開日2008年6月18日申請日期2005年12月1日優先權日2005年6月20日發明者中村剛,小暮康弘,濱田建,稻見修一,高瀨伸光申請人:勝高股份有限公司