Igbt用矽單晶片和igbt用矽單晶片的製造方法
2023-05-19 13:35:51
專利名稱：Igbt用矽單晶片和igbt用矽單晶片的製造方法
技術領域：
本發明涉及絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的製造中所使用的IGBT用矽單晶片和IGBT用矽單晶片的製造方法。
背景技術：
絕緣柵雙極電晶體(下文稱為IGBT)是適於控制大功率的柵電壓驅動型開關元件，用於電車、混合機車、空調機、電冰箱等的逆變器等。IGBT中具有發射極、集電極、柵極3個電極，其是通過絕緣氧化膜，在形成於元件的表面一側的柵極上施加的電壓，由此控制元件表面一側的發射極和背面一側的集電極之間的電流的元件。
如上所述，IGBT由於是利用被氧化膜絕緣的柵極控制電流的元件，柵氧化膜的品質(下文稱為GOI)是重要的。若矽單晶片中含有缺陷則該缺陷進入柵氧化膜，引起氧化膜的絕緣擊穿。
此外，IGBT，由於不是像存儲器等LSI那樣在橫方向上僅使用晶片的表面附近的元件，而是在縱方向上使用晶片的元件，其特性受晶片本體品質的影響。特別是再結合壽命和電阻率是重要的品質。再結合壽命由於基板中的結晶缺陷而縮短，所以有必要控制成即使通過器件加工也不產生結晶缺陷。對於電阻率，要求均一性和穩定性。其重點在於，不僅在晶片的面內而且在晶片間，即，即使在矽錠的長度方向上也是均一的，並且即使經過器件熱加工也不變化。
此外，作為斷開電流時耗盡層與集電極一側相接觸的所謂的穿通(下文稱為PT)型IGBT用的基板，使用外延片。但是PT型IGBT由於使用外延片存在成本較高的問題。此外，由於控制壽命，高溫下開關損失增加。因此，高溫下通態電壓降低，並聯使用時在特定的元件中電流集中，有可能引起破損。
為了克服PT型基板的缺點，開發了導通時耗盡層不與集電極一側相接觸的非穿通(下文稱為NPT)型IGBT。進一步地，最近，製造形成溝槽柵結構或在集電極一側形成場闌(Field Stop，下文稱為FS)層的通態電壓更低，開關損失較少的FS-IGBT。作為NPT型或FS型的IGBT用的基板，迄今使用由通過FZ法育成的矽單晶切出的直徑為150mm或以下的晶片(下文稱為FZ晶片)。
雖然與外延片相比，FZ晶片較便宜，但是為了進一步降低IGBT的製造成本，有必要使晶片大口徑化。但是，通過FZ法育成直徑大於150mm的單晶是極其困難的，即使能夠製造，也難以以較低的價格穩定供給。
因此，我們嘗試利用能夠容易地育成大口徑結晶的切克勞斯基法(CZ法)製造IGBT用矽單晶片。
以下說明的專利文獻1～3所述的技術都是以降低晶片內的缺陷為目的，專利文獻1中公開了通過CZ法育成、摻雜了氮、總體由N-區域構成，並且晶格間氧濃度為8ppma或以下；或摻雜了氮，從總體中至少排除了空位型缺陷和位錯簇，並且晶格間氧濃度為8ppma或以下的矽單晶片。
此外，專利文獻2中公開了矽單晶的製造方法，其是在用氧和氮摻雜期間使用切克勞斯基法提拉的矽單晶的製造方法，其中，提拉單晶期間，用小於6.5×1017原子/cm3的濃度的氧和大於5×1013原子/cm3的濃度的氮摻雜。
進一步地，專利文獻3中公開了由添加有氮的熔融液通過切克勞斯基法育成，含有2×1014原子/cm3～2×1016原子/cm3的氮濃度和7×1017原子/cm3或以下的氧濃度，各種表面缺陷密度為FPD≤0.1個/cm2、SEPD≤0.1個/cm2以及OSF≤0.1個/cm2，內部缺陷密度為LSTD≤1×105個/cm3，並且氧化膜耐壓特性為TZDB高C模式合格率≥90％以及TDDB合格率≥90％或以上的矽半導體基板。
但是，專利文獻1～3雖然公開了無結晶缺陷的晶片的製造方法，但是IGBT所必需的晶片特性並未明確。此外，在無缺陷CZ矽中晶格間氧濃度為7×1017原子/cm3或以下，為了育成晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下的結晶，有必要從以往的條件大幅改變石英坩鍋的旋轉速度、結晶的旋轉速度，從而能夠育成無缺陷結晶的提拉速度餘量變小，存在成品率降低的問題。
本發明是鑑於上述問題而提出的，其目的在於，提供能夠擴大提拉速度餘量的同時，能夠製造電阻率的偏差較小的晶片的IGBT用矽單晶片的製造方法以及IGBT用矽單晶片。
專利文獻1特開2001-146496號公報專利文獻2特開2000-7486號公報專利文獻3特開2002-29891號公報發明內容雖然若通過切克勞斯基法(下文有時稱為CZ法)製造矽單晶片則能夠製造直徑為300mm左右的大口徑的晶片，但是如下述原因，用CZ法製造的晶片不適於IGBT用的晶片。
(1)CZ法中，育成單晶時過量的空位聚集，產生0.2μm～0.3μm左右的COP缺陷(晶體原生顆粒)。製造IGBT時，雖然在晶片表面上形成柵氧化膜，但是若COP缺陷在晶片表面暴露而形成的凹坑或存在於晶片表面附近的COP缺陷進入該柵氧化膜，則GOI變差。因此，必需不含COP缺陷的晶片以使GOI不變差，但利用CZ法時難以製造無缺陷的晶片。
(2)通過CZ法製造的矽單晶片中含有1×1018原子/cm3左右的過量的氧，若在450℃下對該晶片進行1小時左右的低溫熱處理(相當於IGBT製造步驟的燒結處理)則產生氧施主，熱處理前後晶片的電阻率改變。
(3)通過CZ法製造的矽單晶片的電阻率，可以根據添加於矽熔融液的摻雜劑量來控制，對於IGBT用晶片，雖然添加磷作為摻雜劑，但是磷由於偏析係數較小，濃度在矽單晶的長度方向較大地改變。因此，在一支矽單晶中，得到具有符合設計規格的電阻率的晶片的範圍較窄。
(4)通過CZ法製造的矽單晶片中含有1×1018原子/cm3左右的過量的氧，若對該晶片進行器件形成加工則過量的氧成為SiO2而析出，再結合壽命變差。
為了解決上述(1)～(4)的問題，本發明人經過精心研究後發現，通過採用下述結構，可以通過CZ法製造具有IGBT所必需的晶片特性的晶片。
本發明的IGBT用矽單晶片，是由通過切克勞斯基法育成的矽單晶構成的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，在結晶徑向整個區域中排除COP缺陷和位錯簇，晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下。
本發明的IGBT用矽單晶片中，上述矽單晶是通過上述切克勞斯基法育成時以能夠提拉無生長引入(生長引入)缺陷的矽單晶的提拉速度育成的，並且可以是對提拉後的矽單晶照射中子摻雜磷而成的。
上述矽單晶通過上述切克勞斯基法育成時，由摻雜有n型摻雜劑的矽熔融液，通過能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的提拉速度育成為宜。
上述矽單晶中摻雜有1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的氮為宜。
擊穿電場為8MV/cm下的TZDB的合格率為90％或以上，450℃下進行1小時的熱處理時所產生的氧施主的濃度為6×1012個/cm3或以下，進行800℃下4小時和1000℃下16小時的兩階段熱處理時所析出的BMD的密度為5×107個/cm3或以下，進行上述兩階段熱處理時的再結合壽命為100μs或以上為宜。
分別以1×1013原子/cm3～1×1015原子/cm3的濃度含有磷和偏析係數小於上述磷的p型摻雜劑為宜。
晶片表面的LPD密度為0.1個/cm2或以下，淺度蝕刻缺陷密度為1×103個/cm2或以下為宜。
在背面一側形成50nm～1000nm的多晶矽層為宜。
而且，本發明中，電阻率的偏差，是在晶片中心、晶片中心和外周的中間的位置、距晶片外周5mm的位置的合計3個部位測定電阻率，從這3個部位的電阻率中選擇最大值和最小值，由(最大值-最小值)×100/最小值的式子得到的值。
此外，本發明中，「無生長引入缺陷」指的是排除COP缺陷或位錯簇等伴隨著結晶育成而有可能產生的所有缺陷。
此外，「淺度蝕刻缺陷」指的是，將原生矽單晶片浸漬於硫酸銅水溶液後自然乾燥，在氮氣氛圍氣中900℃下進行20分鐘左右的熱處理來進行Cu修飾，然後為了除去試驗片表層的Cu矽化物層，浸漬於HF/HNO3混合溶液中，對表層進行數十微米左右的蝕刻、除去，然後對晶片表面進行2μm的淺度蝕刻(鉻酸蝕刻)，使用光學顯微鏡檢測出的缺陷。
根據該評價方法，通過進行Cu修飾使結晶育成時形成的位錯簇顯著，可以敏感度較高地檢出位錯簇。即，淺度蝕刻缺陷含有位錯簇。
此外，本發明中，「LPD密度」指的是使用雷射散射式顆粒計數器(SP1(surfscan SP1)KLA-Tencor公司制)檢測出的缺陷的密度。
此外，TZDB是零時間介質擊穿的縮寫，是表示GOI的指標之一。對於本發明中的TZDB的合格率，在將測定電極的電極面積設為8mm2，將判定電流設為1mA的條件下，在晶片總體中於229個部位左右的位置測定電流-電壓曲線，以不產生靜電擊穿的概率作為TZDB的合格率。而且，該合格率為C模式合格率。
根據本發明的矽單晶片，由於在結晶徑向整個區域排除COP缺陷和位錯簇，作為在縱方向上使用晶片的元件的IGBT用晶片是合適的。即，由於在結晶徑向整個區域排除COP缺陷和位錯簇，IGBT製造步驟中在晶片表面形成柵氧化膜時，不會有COP缺陷進入柵氧化膜，GOI不會變差。此外，通過排除位錯簇，可以防止集成電路中的漏電流。
進一步地，由於晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，可以使晶片的熱處理後所產生的氧施主的濃度抑制為9.8×1012個/cm3或以下，可以防止晶片的電阻率在熱處理前後改變，可以使矽單晶片的品質穩定。
而且，使氧施主的濃度為9.8×1012個/cm3或以下的原因如下所述。高耐壓IGBT中使用n型的電阻率為40Ω·cm～70Ω·cm的晶片。例如，基板的電阻率的規格為45Ω·cm～55Ω·cm時，能夠容許的施主濃度為9.8×1012個/cm3或以下。其中，最易產生起因於氧的氧施主的溫度為450℃。例如，器件加工中，A1布線的燒結處理是在該溫度左右進行的。450℃下實施1小時的熱處理時所產生的氧施主的濃度的氧濃度依賴性調查結果如圖1所示。由圖1可知，為了使氧施主的濃度抑制為9.8×1012個/cm3或以下，必須使晶片的晶格間氧濃度控制為8.5×1017原子/cm3或以下。由此，本發明中，晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下。
而且，利用通常的CZ法時，由於有可能難以使晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，此時，通過施加磁場來育成單晶的MCZ法，可以使晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下。此外，通過降低石英坩鍋的旋轉速度也能夠謀求晶格間氧濃度的降低。
此外，根據本發明的矽單晶片，由於晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下，可以使IGBT的品質穩定。
不過，通過CZ法製造的矽單晶片的電阻率，雖然可以根據矽單晶所含有的摻雜劑量控制，但是經常用作IGBT基板的摻雜劑的磷，由於偏析係數較小，其濃度在矽單晶的長度方向較大地改變。因此，在一支矽單晶中，得到具有符合設計規格的電阻率的晶片的範圍較窄。因此，本發明中，如上所述，採用中子照射；向矽熔融液添加n型摻雜劑；添加所規定量的磷和偏析係數小於磷的p型摻雜劑；其它的各種方法。任意一種情況下，重要的是，以雜質濃度較低的矽多晶為原料，使用雜質的溶出較少的合成石英坩鍋育成單晶。通過採用這些方法，可以改善矽單晶的成品率。
對於中子照射，首先，在矽熔融液中不添加用於調整電阻率的摻雜劑來育成矽單晶，對該無摻雜的矽單晶照射中子，由此，利用結晶中的30Si轉換為31P的現象，可以摻雜磷。由於30Si以約3％的濃度均一地存在於單晶中，該中子照射是能夠在結晶的徑向上以及軸方向上最均一地摻雜磷的方法。
此外，通過向矽熔融液添加n型摻雜劑，也可以控制電阻率。此時，優選應用所謂的DLCZ法(雙層式拉晶法)。DLCZ法是抑制磷等偏析係數較小的摻雜劑的結晶軸方向的濃度改變的方法。該方法例如特開平5-43384號公報所公開，其中在CZ方法中，在坩鍋中先全部熔化多晶矽而形成矽熔融液後，添加磷，降低坩鍋的底部的溫度，使矽熔融液從底部向上部凝固，形成矽凝固層，一邊使該矽凝固層從上方向底部緩慢熔化一邊育成結晶，由此使進入單晶中的摻雜劑濃度基本上保持恆定。
本發明中，通過採用該DLCZ法，也可以抑制矽單晶的結晶軸方向的電阻率變化。
此外，通過添加所規定量的磷和偏析係數小於磷的p型摻雜劑，也可以抑制矽單晶的結晶軸方向的電阻率變化。這被稱為所謂的雙摻雜法，例如特開2002-128591號公報中所公開，其是抑制摻雜有磷等偏析係數較小的摻雜劑的結晶的軸方向的電阻率變化的方法。相對於磷，摻雜偏析係數小於磷的p型摻雜劑(例如，Al、Ga、In)作為反摻雜劑，由此補償磷的濃度變化。僅摻雜磷的情況和同時摻雜磷和鋁的情況的結晶軸方向的電阻率變化如圖2所示。晶片的電阻率的規格為45Ω·cm～55Ω·cm時，通過同時摻雜磷和鋁，成品率提高至約3倍。若使鋁相對於單晶的上端的磷的濃度比為50％左右，則成品率提高最多。本發明中，通過分別以1×1013原子/cm3～1×1015原子/cm3的濃度含有磷和偏析係數小於磷的p型摻雜劑，可以抑制矽單晶的結晶軸方向的電阻率變化。
進一步地，本發明中，也可以應用被稱為所謂的CCZ法的方法。該方法例如特開昭61-36197號公報中所公開，其是如下方法單晶育成中，通過在含有磷的矽熔融液中添加不含摻雜劑的多晶矽，將進入單晶中的摻雜劑濃度基本上保持恆定。
此外，進一步地，如DLCZ法或CCZ法那樣在矽熔融液中添加摻雜劑育成單晶時，為了抑制晶片面內的電阻率偏差，優選以較快的結晶育成中的結晶旋轉速度旋轉，在直徑為200mm或以下的單晶育成中，結晶旋轉速度優選為15rpm～30rpm，直徑為300mm或以上時，優選以8rpm～15rpm旋轉。而且，雖然通常若增大結晶旋轉速度，則用於得到無生長引入缺陷結晶的提拉速度餘量範圍變窄，單晶育成本身是困難的，但是本發明中，如後所述，通過在含有氫氣的氣體氛圍氣中育成矽單晶，可以充分確保用於得到無生長引入缺陷結晶的提拉速度餘量。
接著，通過在矽單晶中摻雜1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的氮，容易地排除COP缺陷和位錯簇。氮摻雜量小於1×1014原子/cm3時，有可能不能完全排除COP缺陷和位錯簇，若超過5×1015原子/cm3則生成氮化物而不能育成矽單晶。
此外，根據本發明的矽單晶片，由於TZDB的合格率為90％或以上，450℃下進行1小時的熱處理時所產生的氧施主的濃度為6×1012個/cm3或以下，進行800℃下4小時和1000℃下16小時的兩階段熱處理時所產生的BMD的密度為5×107個/cm3或以下，進行兩階段熱處理時的再結合壽命為100μs或以上，所以可以滿足IGBT用矽單晶片所要求的特性。
矽單晶所含有的晶格間氧由於經過器件形成加工以SiO2的形式析出，由此再結合壽命變差。根據本發明的晶片，如上所述，由於晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，所以可以使再結合壽命為100μs或以上。
接著，本發明的IGBT用矽單晶片的製造方法的第1方式，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶，對提拉後的矽單晶照射中子摻雜磷。
本發明的IGBT用矽單晶片的製造方法的第2方式，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在矽熔融液中添加n型摻雜劑，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶。
本發明的IGBT用矽單晶片的製造方法的第3方式，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在矽熔融液中添加磷，使矽單晶中的磷濃度為2.9×1013原子/cm3～2.9×1015原子/cm3，根據其偏析係數使矽單晶中的濃度為1×1013原子/cm3～1×1015原子/cm3來在矽熔融液中添加偏析係數小於上述磷的p型摻雜劑，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶。
本發明的IGBT用矽單晶片的製造方法的第1～3的方式中，可以向矽熔融液中以使所述矽單晶中的氮濃度為1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的方式添加氮。
其中，含氫物質指的是在其分子中含有氫原子的物質，其是熔入矽熔融液中時通過熱分解產生氫氣的氣體狀的物質。該含氫物質中包括氫氣本身。將該含氫物質混合於惰性氣體中，導入形成頸縮部時的氛圍氣中，由此可以提高矽熔融液中的氫濃度。作為含氫物質的具體例子，雖然可以舉出氫氣、H2O、HCl等含有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有機化合物，但是特別優選使用氫氣。此外，作為CZ爐內的氛圍氣氣體，優選為便宜的Ar氣，除此之外，也可以使用He、Ne、Kr、Xe等各種惰性氣體單質或它們的混合氣體。
此外，本發明中，含氫的氛圍氣中的含氫物質的濃度，以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa。其中，採用氫氣換算分壓，是由於含氫物質熱分解等得到的氫原子的量是被含氫物質中原來所含有的氫原子的數量等所決定的。例如，H2O的1摩爾中含有1摩爾份額的H2，而HCl的1摩爾中僅含有0.5摩爾份額的H2。因此，本發明中，將以氫氣為40Pa～400Pa的分壓導入惰性氣體中而形成的含氫氛圍氣作為基準，優選按得到與該成為基準的氛圍氣同等的氛圍氣的方式來確定含氫物質的濃度，將此時的優選的含氫物質壓力以氫氣換算分壓的形式規定。
即，本發明中，在假定含氫物質溶解於矽熔融液中，在高溫的矽熔融液中熱分解而轉換為氫原子的前提下，使轉換後的氛圍氣中的氫氣換算分壓為40Pa～400Pa來調整含氫物質的添加量為宜。
根據上述IGBT用矽單晶片的製造方法，通過導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa的含有氫原子的物質，可以擴大能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度的容許餘量，由此可以容易地製造在結晶徑向整個區域排除了COP缺陷和位錯簇的晶片。此外，通過對提拉後的無摻雜的矽單晶照射中子摻雜磷或在矽熔融液中添加磷等n型摻雜劑，可以使晶片的面內的電阻率的偏差為5％或以下。此外，電阻率的偏差的降低，也可以通過在矽熔融液中添加磷和偏析係數小於磷的p型摻雜劑來達成。
此外，通過在矽熔融液中添加氮，可以進一步擴大能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度的容許餘量，從而容易地排除晶片的COP缺陷和位錯簇。
根據本發明，可以提供能夠擴大提拉速度餘量的同時，能夠製造電阻率的偏差較小的晶片的IGBT用矽單晶片的製造方法以及IGBT用矽單晶片。
圖1是說明晶格間氧濃度和熱處理後的氧施主濃度的關係的圖。
圖2是說明固化率和電阻率的關係的圖。
圖3是實施本發明的實施方式的矽單晶片的製造方法時所使用的CZ爐的縱截面示意圖。
圖4是說明本發明的實施方式的矽單晶片的周緣部的截面示意圖。
具體實施例方式
下文參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
(CZ爐的結構)圖3是適於實施本發明的實施方式中的IGBT用矽單晶片的製造方法的CZ爐的縱截面圖。
圖3所示的CZ爐具有配置於爐室內的中心部的坩鍋1、配置於坩鍋1的外側的加熱器2、配置於加熱器2的外側的磁場供給裝置9。坩鍋1是用外側的石墨坩鍋1b保持在內側收容矽熔融液3的石英坩鍋1a的雙層結構，通過被稱為基座的支撐軸1c旋轉和升降驅動。
在坩鍋1的上方設置圓筒形狀的熱屏蔽體7。熱屏蔽體7是用石墨製作外殼，在內部填充石墨氈的結構。熱屏蔽體7的內面是內徑從上端部向下端部漸減的錐面。熱屏蔽體7的上部外面是對應於內面的錐面，下部外面，使熱屏蔽體7的厚度向下方漸增而形成大致垂直面。
然後，將安裝於晶種夾5的晶種T浸漬於矽熔融液3中，使坩鍋1和提拉軸4旋轉的同時提拉晶種T，由此可以形成矽單晶6。
熱屏蔽體7阻斷由加熱器2和矽熔融液3面向矽單晶6的側面部的輻射熱，其包圍育成中的矽單晶6的側面的同時包圍矽熔融液3面。若舉出熱屏蔽體7的規格例子，如下所述。
熱屏蔽體7的下端部的半徑方向的寬度W例如為50mm，對於反圓錐臺面的內面的垂直方向的傾角θ例如為21度，熱屏蔽體7的下端距熔融液液面的高度H1例如為60mm。
此外，由磁場供給裝置9供給的磁場，可以採用水平磁場或cusp磁場等，例如作為水平磁場的強度，被設定為2000G～4000G(0.2T～0.4T)，更優選為2500G～3500G(0.25T～0.35T)，磁場中心高度對於熔融液液面被設定為-150mm～+100mm，更優選為-75mm～+50mm。
(IGBT用矽單晶片的製造方法)接著，對使用了圖3所示的CZ爐的IGBT用矽單晶片的製造方法進行說明。
首先，在坩鍋1內裝入高純度矽的多晶例如300Kg，作為氮源，例如投入具有含有氮化矽的CVD膜的矽晶片。優選使矽結晶中的氮濃度為1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的濃度來調整矽熔融液中的氮濃度。
然後，在CZ爐內形成含有含氫物質和惰性氣體的混合氣體的含氫氛圍氣，使氛圍氣壓力為1.3kPa～13.3kPa(10torr～100torr)，將氛圍氣氣體中的含氫物質的濃度調整成以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa左右。選擇氫氣作為含氫物質時，使氫氣分壓為40Pa～400Pa為宜。此時的氫氣的濃度為0.3％～31％。
含氫物質的氫氣換算分壓小於40Pa時，由於提拉速度的容許餘量縮小，不能抑制COP缺陷和位錯簇的產生而不優選。此外，含氫物質的氫氣換算濃度(氫氣的濃度)越高則抑制位錯產生的效果越好。
但是，若氫氣換算分壓超過400Pa則由於在CZ爐內產生氧漏洩時爆炸等的危險性增大，在安全方面上不優選。更優選含氫物質的氫氣換算分壓為40Pa～250Pa，特別優選氫氣換算分壓為40Pa～135Pa。
接著，由磁場供給裝置9，例如，使磁場中心高度對於熔融液液面為-75mm～+50mm來供給3000G(0.3T)的水平磁場的同時通過加熱器2加熱矽的多晶製成矽熔融液3。
然後，將安裝於晶種夾5的晶種T浸漬於矽熔融液3中，使坩鍋1和提拉軸4旋轉的同時進行拉晶。作為此時的提拉條件，可以舉出下述條件將單晶的生長速度設為V(mm/min)，將單晶生長時的由熔點到1350℃的溫度梯度設為G(℃/mm)時的比V/G被控制於0.22～0.15左右，V被控制於能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度0.42mm/min～0.33mm/min。此外，作為其它的條件，可以舉出下述條件石英坩鍋的旋轉速度為5rpm～0.2rpm，單晶的旋轉速度為20rpm～10rpm，氬氛圍氣的壓力為30Torr，進一步地磁場強度為3000Gauss。特別是通過使石英坩鍋的旋轉速度為5rpm或以下，可以防止石英坩鍋中所含有的氧原子向矽熔融液擴散，可以降低矽單晶中的晶格間氧濃度。此外，通過使單晶的旋轉速度為15rpm或以上，可以降低矽單晶內部的電阻率的偏差。
通過設定於上述提拉條件，可以使矽單晶中的晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，由此可以在IGBT製造步驟中防止氧施主的產生。若晶格間氧濃度超過8.5×1017原子/cm3則由於在IGBT製造步驟中產生氧施主，IGBT的特性改變而不優選。
然後，對未添加用於調整所形成的電阻率的摻雜劑的單晶矽照射中子線。通過該中子線照射，使矽原子的一部分轉換為磷，由此可以在單晶矽中均一地摻雜磷，得到電阻率均一的單晶矽。對於中子線的照射條件，例如，在3.0×1012個/cm2/s的中子線束的位置，以約2rpm的結晶旋轉照射約80小時為宜。如此照射了中子線的矽錠，電阻率為48Ω·cm～52Ω·cm左右。
此外，雖然可以預先在矽熔融液中添加n型(P、As、Sb等)的摻雜劑來替代中子線的照射，但是由於偏析係數較小，電阻率在矽單晶的長度方向較大地改變。為了防止如此的n型摻雜劑的濃度的改變，例如，可以採用上述DLCZ法、雙摻雜法、CCZ法。進一步地，為了抑制晶片面內的電阻率的偏差，可以使單晶育成中的結晶旋轉速度為15rpm或以上。
然後，從單晶矽切出晶片，根據需要進行精磨或蝕刻等後，根據需要，可以進行RTA熱處理。
進行精磨時，為了防止晶片的破裂，優選在晶片的表面的周緣部形成表面側倒角部的同時在晶片的背面的周緣部形成背面側倒角部。圖4說明了晶片加工結束後的晶片周緣部的截面。
如圖4所示，在晶片的表面22上設置了平坦面的主面23和形成於周緣部的表面側倒角部24。此外，在背面26上設置了平坦面的主面27和形成於周緣部的背面側倒角部28。對於表面側倒角部24，由其周緣端29向晶片半徑向內方的方向的寬A1，比由背面側倒角部28的周緣端29向晶片半徑向內方的方向的寬A2窄。表面側倒角部24的寬A1優選為50μm～200μm。此外，背面側倒角部28的寬A2優選為200μm～300μm。
此外，表面側倒角部24具有對於表面22的主面23傾斜的第一傾斜面11，背面側倒角部28具有對於背面26的主面27傾斜的第二傾斜面12。第一傾斜面11的傾斜角度θ1優選為10度～50度，第二傾斜面12的傾斜角度θ2優選為10度～30度，進一步優選θ1≥θ2。
此外，在第一傾斜面11和周緣端29之間設置了連接它們的第一曲面13。此外，在第二傾斜面12和周緣端29之間設置了連接它們的第二曲面14。第一曲面13的曲率半徑R1優選為80μm～250μm，第二曲面14的曲率半徑R2優選為100μm～300μm。
然後，在晶片的單面側形成多晶矽層。本實施方式的矽單晶片，由於晶格間氧濃度極低，不能期待基於氧析出物的吸雜效果。因此有必要在背面一側形成作為吸雜層的多晶矽層，除去IGBT製造步驟中的重金屬汙染。此外，通過在背面一側形成多晶矽層，可以防止滑移等的產生，也可以預先防止滑移向晶片表面側傳播。多晶矽層的厚度優選為50nm～2000nm。若厚度為50nm或以上則可以充分發揮吸雜效果和抑制滑移的產生的效果，若厚度為2000nm或以下則可以防止晶片的翹曲。
如此可以製造本實施方式的IGBT用矽單晶片。
根據上述製造方法，通過導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa的含有氫原子的物質，可以擴大能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度的容許餘量，由此可以容易地製造在結晶徑向整個區域排除了COP缺陷和位錯簇的晶片。此外，通過對提拉後的矽單晶照射中子而摻雜磷或在矽熔融液中添加磷等n型摻雜劑，可以使晶片的面內的電阻率的偏差為5％或以下。此外，電阻率的偏差的降低，也可以通過在矽熔融液中添加磷和偏析係數小於磷的p型摻雜劑來達成。
此外，通過在矽熔融液中添加氮，可以進一步擴大能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度的容許餘量，從而容易地排除晶片的COP缺陷和位錯簇。
(IGBT用矽單晶片)對於如上製造的矽單晶片，在結晶徑向整個區域排除了COP缺陷和位錯簇，晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下。此外，電阻率本身為48Ω·cm～52Ω·cm左右。進一步在矽單晶片中摻雜了1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的氮。
進一步地，對於本實施方式的矽單晶片，擊穿電場為8MV/cm下的TZDB的合格率為90％或以上，450℃下進行1小時的熱處理時所析出的氧施主的濃度為6×1012個/cm3或以下，進行800℃下4小時和1000℃下16小時的兩階段熱處理時所產生的BMD的密度為5×107個/cm3或以下，進行上述兩階段熱處理時的再結合壽命為100μs或以上。
進一步地，此外，對於本實施方式的矽單晶片，晶片表面的LPD密度為0.1個/cm2或以下，淺度蝕刻缺陷密度為1×103個/cm2或以下。進一步地，此外，對於本實施方式的矽單晶片，在背面一側形成50nm～2000nm的多晶矽層，在晶片的表面的周緣部形成表面側倒角部，在晶片的背面的周緣部形成背面側倒角部。
根據本實施方式的IGBT用矽單晶片，由於在結晶徑向整個區域排除了COP缺陷和位錯簇，IGBT製造步驟中在晶片表面形成柵氧化膜時，COP缺陷不會進入柵氧化膜，GOI不會變差。
進一步地，通過在結晶徑向整個區域排除COP缺陷和位錯簇，可以合適地用作在縱方向上使用晶片的元件的IGBT用的晶片。即，由於排除了COP缺陷和位錯簇，晶片本體的品質優異，可以延長作為IGBT用晶片重要的特性的再結合壽命。
進一步地，由於晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，可以使晶片的熱處理後所產生的氧施主的濃度為9.8×1012個/cm3或以下，可以防止晶片的電阻率在熱處理前後改變，可以使矽單晶片的品質穩定。
此外，根據本發明的矽單晶片，由於晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下，可以使矽單晶片的品質穩定。
進一步地，通過在矽單晶中摻雜1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的氮，容易地排除COP缺陷和位錯簇。氮的摻雜量小於1×1014原子/cm3時，有可能不能完全排除COP缺陷和位錯簇，若超過5×1015原子/cm3則生成氮化物而不能育成矽單晶。
此外，由於TZDB的合格率為90％或以上，450℃下進行1小時的熱處理時所產生的氧施主的濃度為6×1012個/cm3或以下，進行800℃下4小時和1000℃下16小時的兩階段熱處理時所析出的BMD的密度為5×107個/cm3或以下，進行兩階段熱處理時的再結合壽命為100μs或以上，可以滿足IGBT用矽單晶片所要求的特性。
(實施例1)通過CZ法製造具有各種晶格間氧濃度的矽錠。具體地說，將多晶矽塊投入石英坩鍋中，在氬氛圍氣中將多晶矽塊加熱製成矽熔融液。在矽熔融液中添加磷作為摻雜劑。調整磷的添加量使矽單晶的電阻率為65Ω·cm。然後，由磁場供給裝置使磁場中心高度對於熔融液液面為-75mm～+50mm來供給3000G(0.3T)的水平磁場的同時，在矽熔融液中浸漬晶種，然後使晶種和石英坩鍋旋轉的同時，緩慢提拉晶種，使單晶在晶種下生長。而且，將單晶的生長速度(提拉速度)設為V(mm/min)，將單晶生長時的由熔點到1350℃的溫度梯度設為G(℃/mm)時的比V/G被設定於0.185左右，V被設定於0.49mm/min。如此製造在條件1～4的提拉條件下提拉而成的單晶矽錠。而且，矽錠中的晶格間氧濃度通過調整石英坩鍋的旋轉速度控制。此外，條件4下，通過在矽熔融液中投入具有氮化矽膜的矽晶片，在矽單晶中摻雜4.1×1014原子/cm3的氮。
然後，對提拉的單晶矽錠進行切片而切出晶片。對切出的晶片實施精磨、蝕刻等表面處理。如此製造直徑為200mm、厚度為0.75mm的矽單晶片。
對於所得到的矽單晶片，測定晶格間氧濃度的同時對晶片表面的面內的電阻率的偏差進行評價。晶格間氧濃度根據ASTM F-121(1979)規定的傅立葉變換紅外分光光度法測定。此外，電阻率的偏差，是在晶片中心、晶片中心和外周的中間的位置、距晶片外周5mm的位置的合計3個部位測定電阻率，從這3個部位的電阻率中選擇最大值和最小值，由「(最大值-最小值)×100/最小值」的式子算出的。結果如表1所示。
進一步地表1中說明了提拉速度的容許餘量。該容許餘量是指，在育成方向上對緩慢降低結晶的提拉速度育成的結晶進行縱切加工，對生長引入缺陷分布進行Cu修飾後通過X-ray形貌法進行觀察，由此判定COP區域，此外通過測定淺度蝕刻缺陷判定位錯簇區域，由此求得的能夠在結晶徑向整個區域排除COP缺陷和位錯簇的提拉速度的餘量。
表1
如表1所示可知，通過使坩鍋旋轉速度從7rpm降低至1rpm(條件1→條件2～4)，可以實際上降低晶格間氧濃度。但是條件1和2中，雖然由於結晶旋轉速度較慢，可以在某種程度上確保提拉速度的容許餘量，但是電阻率的偏差極大。
此外，若比較條件2和3則條件3下雖然通過結晶的旋轉速度的高速化降低了電阻率的偏差，但是提拉速度的容許餘量大幅降低。這可能是因為，由於單晶的旋轉速度增大，矽熔融液和單晶之間的固液界面形狀改變。
進一步地，對於條件4，相對於條件3，雖然通過摻雜氮增大了提拉速度的容許餘量，但是電阻率的偏差也增大。這可能是因為，由於氮的摻雜，矽熔融液的對流狀態改變。
由上述可知，在條件1～4的提拉條件下，難以同時達成晶格間氧濃度的降低、電阻率的偏差的降低、提拉速度的容許餘量的擴大。
(實施例2)通過CZ法製造具有各種晶格間氧濃度的矽錠。具體地說，將多晶矽塊投入石英坩鍋中，在氬氛圍氣中將多晶矽塊加熱製成矽熔融液。然後，由磁場供給裝置使磁場中心高度對於熔融液液面為-75mm～+50mm來供給3000G(0.3T)的水平磁場的同時，在矽熔融液中浸漬晶種，然後使晶種和石英坩鍋旋轉的同時，緩慢提拉晶種，使單晶在晶種下生長。而且，將單晶的生長速度(提拉速度)設為V(mm/min)，將單晶生長時的由熔點到1350℃的溫度梯度設為G(℃/mm)時的比V/G被設定於0.185左右，V被設定於0.49mm/min。如此製造在條件5～14的提拉條件下提拉而成的單晶矽錠。
而且，石英坩鍋的旋轉速度在所有條件下為2rpm，單晶的旋轉速度在所有條件下為20rpm。進一步地，條件5和6下，在矽熔融液中投入具有氮化矽膜的矽晶片，在矽單晶中摻雜氮。此外，條件7～11下，在氬氣氛圍氣中導入氫氣以氫氣分壓為30Pa～400Pa的條件下進行提拉。進一步地，條件12～14下，同時進行氮的摻雜和氫氣的導入。進一步地，條件7～10和12～13下，通過在矽熔融液中添加磷進行電阻率的調整，其它條件與實施例1同樣地操作，對提拉得到的單晶矽照射中子線而摻雜磷。中子線的照射的條件為在射線束3.0×1012個/cm2/s下照射80小時。如此將矽單晶的電阻率調整為65Ω·cm。
然後，對單晶矽錠進行切片切出晶片。對切出的晶片實施精磨、蝕刻等表面處理。如此製造直徑為200mm、厚度為0.75mm的矽單晶片。
對於所得到的矽單晶片，與實施例1同樣地操作測定晶格間氧濃度的同時對晶片表面的面內的電阻率的偏差進行評價。結果如表2所示。此外，表2中同時給出了晶片中的氮濃度、CZ爐的氛圍氣中的氫氣分壓、摻雜劑的導入方法的條件。此外，與實施例1同樣地同時給出了提拉速度的容許餘量。
表2
如表1和表2所示，條件4下由於氮的摻雜而變差的電阻率的偏差，雖然通過如條件5和6所示照射中子摻雜磷而得到改善，但是提拉速度的容許餘量不充分。
此外，條件3下由於結晶的旋轉速度的高速化而降低的提拉速度的容許餘量通過條件8～10所示在氛圍氣中導入氫而得到改善。如條件8～10所示可知，通過導入所規定量的氫的同時控制坩鍋旋轉速度以及單晶的旋轉速度，可以同時實現晶格間氧濃度的降低、電阻率的偏差的降低、提拉速度的容許餘量的擴大。
此外，條件4下由於摻雜氮而增大的電阻率的偏差通過如條件12和13所示在氛圍氣中導入氫氣而得到改善。這可能是因為，可以通過氫的導入抑制由於氮的摻雜所引起的矽熔融液的對流狀態的改變。此外，條件12和13下，對於提拉速度的容許餘量，與單獨摻雜氮(條件5～6)、單獨導入氫(條件7～11)的情況相比，也可以擴大。
進一步地，相對於上述條件12和13，在通過照射中子導入磷的條件14下，電阻率的偏差進一步降低。
雖然以上對本發明的優選的實施例進行說明。但是本發明不被這些實施例所限定。在不脫離本發明的宗旨的範圍內，可以進行結構的附加、省略、置換以及其它的改變。本發明不被上述說明所限定，僅被所附上的權利要求限定。
權利要求
1.IGBT用矽單晶片，其是由通過切克勞斯基法育成的矽單晶構成的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，在結晶徑向整個區域中排除了COP缺陷和位錯簇，晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下，晶片面內的電阻率的偏差為5％或以下。
2.權利要求1所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，所述矽單晶是通過所述切克勞斯基法育成時以能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的提拉速度育成的，並且對提拉後的矽單晶照射中子而摻雜磷。
3.權利要求1所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，所述矽單晶是通過所述切克勞斯基法育成時，由摻雜有n型摻雜劑的矽熔融液，通過能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的提拉速度育成的。
4.權利要求1-3任一項所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，所述矽單晶中摻雜有1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的氮。
5.權利要求3所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，分別以1×1013原子/cm3～1×1015原子/cm3的濃度含有磷和偏析係數小於所述磷的p型摻雜劑。
6.權利要求1所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，晶片表面的LPD密度為0.1個/cm2或以下，淺度蝕刻缺陷密度為1×103個/cm2或以下。
7.權利要求1-3任一項所述的IGBT用矽單晶片，其特徵在於，在背面一側形成50nm～1000nm的多晶矽層。
8.IGBT用矽單晶片的製造方法，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa範圍的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶，並且對提拉後的矽單晶照射中子而摻雜磷。
9.IGBT用矽單晶片的製造方法，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在矽熔融液中添加n型摻雜劑，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa範圍的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶。
10.IGBT用矽單晶片的製造方法，其是通過切克勞斯基法育成矽單晶而得到的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，在矽熔融液中添加磷，使矽單晶中的磷濃度為2.9×1013原子/cm3～2.9×1015原子/cm3，在矽熔融液中添加偏析係數小於上述磷的p型摻雜劑，根據其偏析係數使其在矽單晶中的濃度為1×1013原子/cm3～1×1015原子/cm3，在CZ爐內的氛圍氣氣體中導入以氫氣換算分壓為40Pa～400Pa範圍的含有氫原子的物質，使矽單晶的提拉速度為能夠提拉無生長引入缺陷的矽單晶的速度，育成晶格間氧濃度為8.5×1017原子/cm3或以下的單晶。
11.權利要求8～10任一項所述的IGBT用矽單晶片的製造方法，其特徵在於，向矽熔融液中以使所述矽單晶中的氮濃度為1×1014原子/cm3～5×1015原子/cm3的方式添加氮。
全文摘要
本發明提供了一種IGBT用矽單晶片，其在結晶徑向整個區域中排除了COP缺陷和位錯簇，晶格間氧濃度為8.5×10
文檔編號C30B15/00GK101054721SQ20071008419
公開日2007年10月17日 申請日期2007年2月17日 優先權日2006年2月21日
發明者小野敏昭, 梅野繁, 杉村涉, 寶來正隆 申請人:株式會社上睦可