[发明专利]单晶硅及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及适于面向高电压的IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘门双极晶体管）用硅基板的、通过丘克拉斯基（Czochralski；以下简称为CZ）法制造的低碳浓度的单晶硅及其制造方法。

背景技术

通常，作为面向1kV以上的高电压的IGBT用硅基板，要求氧析出核等形成载流子复合中心的结晶缺陷少、载流子的寿命长。

单晶硅中的氧析出核的形成主要是由碳杂质引起，所形成的氧析出核的生长受到结晶中氧浓度的影响。

单晶硅铸锭的制造方法有CZ法和FZ（Floating Zone，浮区）法，由FZ法制造的单晶硅（以下，简称为FZ硅晶体）的氧浓度非常低，氧析出核难以生长，因而以往使用FZ硅晶体作为IGBT用硅基板。

另一方面，在CZ法中，由于将原料填充于石英坩埚中，因而氧自石英坩埚的混入非常多，难以使氧浓度降低至与FZ硅晶体相同的水平，形成载流子复合中心的氧析出核的生长容易被促进，并且载流子的寿命较短，因而不适于面向高电压的IGBT用硅基板。

然而，FZ硅晶体由于在技术上难以大口径化，因而在量产性和成本方面存在问题，难以应对今后动力装置市场的急速生长。

因此，近年来研究将量产性优异的由CZ法制造的单晶硅（以下，简称为CZ硅晶体）用作面向高电压的IGBT用硅基板。

如上所述，CZ硅晶体由于在氧浓度的降低方面存在限制，因而为了用于IGBT，要求将结晶中的碳浓度降低至1.0×10¹⁴atoms/cm³以下，抑制氧析出核的形成本身。认为结晶中的碳浓度可通过降低原料的碳浓度来降低。

然而，由于偏析的影响，随着单晶硅的提拉的进行，碳浓度也增加，在结晶总长度上难以将碳浓度抑制为1.0×10¹⁴atoms/cm³以下。例如，在使用碳浓度为5.0×10¹⁴atoms/cm³的低浓度多晶硅作为原料时，从原料熔融开始时起被提拉的结晶的固化率为5%的直体部(body)提拉开始时刻的碳浓度，由于偏析的影响（碳的平衡偏析系数为0.07），为3.5×10¹³atoms/cm³左右，固化率为90%的直体部提拉结束时刻的碳浓度变为3.0×10¹⁴atoms/cm³。

因此，为了使碳浓度在结晶总长度上为1.0×10¹⁴atoms/cm³以下，理想的是原料中的碳浓度低于1.0×10¹⁴atoms/cm³，为了获得这种多晶硅原料，极其耗费成本。

此外，还已知结晶中的碳浓度可通过控制从炉内的加热器、石墨坩埚、绝热材料等高温碳构件混入原料熔液中的CO的污染速度（混入量）和CO从原料熔液蒸发的速度（蒸发量）来降低。应予说明，CO从前述高温碳构件产生是因为从原料熔液蒸发的SiO的下述反应所致：SiO(气体)＋2C(固体)→CO(气体)＋SiC(固体)。

因此，作为制造低碳浓度的CZ硅晶体的方法，例如，在日本特开平7-89789号公报（专利文献1）中公开了为了降低CO从高温碳构件产生的量而对加热器、石墨坩埚等碳构件表面实施SiC等的涂布的方法。

此外，日本特开平5-339093号公报（专利文献2）中公开了实施下述步骤的方法：在结晶生长开始前将硅熔液在SiO₂的存在下升温至比硅的熔点高的温度并保持30分钟以上，由此使CO从熔液中蒸发的步骤（脱碳步骤）。

然而，如上述专利文献1所记载的方法中，对高温碳构件涂布SiC等的成本非常高。此外，由于坩埚周围的侧部加热器变得极其高温，因而数次左右的提拉就可能使涂布的SiC剥离，不适于量产。

进而，该方法中，结晶的固化率为55%以上则碳浓度变为1.0×10¹⁴atoms/cm³以上，能够用作面向高电压的IGBT用的结晶的收率差。此外，氧浓度为1.3×10¹⁸atoms/cm³以上时则氧析出核生长，因而也不适于面向高电压的IGBT用硅基板。