JP2002080294A

JP2002080294A - 無転位シリコン単結晶の成長方法

Info

Publication number: JP2002080294A
Application number: JP2000311252A
Authority: JP
Inventors: Keigo Hoshikawa; 圭吾干川; Chikaaki Ko; 新明黄; Hideo Makino; 秀男牧野
Original assignee: Shinshu University NUC; Silicon Technology Co Ltd
Current assignee: Shinshu University NUC; Silicon Technology Co Ltd
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-03-19

Abstract

(57)【要約】【課題】ボロン以外の種々のドーパントが使用でき、
かつ種子結晶及び成長結晶間のドーパント濃度の差にも
制限がなく、応用範囲の広い、ネッキング工程が不要の
無転位シリコン単結晶の成長方法を提供。【解決手段】シリコン融液中に磁場をかける、または
種子結晶の直下近傍と周りのシリコン融液とを物理的に
隔離させることにより、高濃度ドーパントを添加した種
子結晶の直下近傍に、下方に向ってドーパント濃度を漸
次減少させた領域を形成させて、ミスフィット転位のな
い無転位シリコン単結晶を、ネッキング工程を用いずに
成長させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料として
有用なシリコン単結晶の成長方法に関し、より詳しく
は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」と略記）に
よるネッキング工程不要の無転位シリコン単結晶の成長
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体材料として用い
られているシリコン単結晶は、主にＣＺ法により製造さ
れている。

【０００３】ＣＺ法は、高純度石英ルツボ中、塊状シリ
コン多結晶及びドーパント等の添加剤を融解させたシリ
コン融液に、シリコン単結晶の種子結晶を接触（「種子
付け」と呼ばれている）させた後、所定の温度、引上速
度及び回転速度下で、種子結晶を引き上げて、所望の直
径のシリコン単結晶を成長させる方法である。

【０００４】従来、種子付け時、種子結晶中に発生した
熱ショックによる転位が、成長結晶に引き継がれ、成長
結晶中に転位が発生するという問題、及び種子結晶と成
長結晶間のドーパント濃度（格子常数）の差により、成
長結晶にミスフィット（格子不整合）転位が発生すると
いう問題があった。

【０００５】１９５９年、Ｗ．Ｃ．Ｄａｓｈにより、種
子付け後、種子結晶の融解部に、種子結晶より細い直径
３〜５ｍｍφのネック部を形成させ、種子結晶中に発生
した熱ショック転位が成長結晶へと引継がれることを防
止して、無転位シリコン単結晶を成長させるというネッ
キング法が提案された。

【０００６】ネッキング法は、種子結晶中に発生した熱
ショックによる転位が成長結晶へと引き継がれることを
防止できるため、無転位シリコン単結晶を成長させるの
に好都合であるものの、非常に厳密に製造工程の管理が
要求されるにもかかわらず、無転位シリコン単結晶が得
られる確率は、１００％でなく、常に不安が残ってい
た。

【０００７】また、最近、数百Ｋｇ以上の大型シリコン
単結晶も要求されており、細長いネック部を形成させる
ネッキング法では、成長結晶の重量を支えることができ
ず、大きな問題点となってきていた。

【０００８】本発明者らは、上記問題点を解決し得る、
ネッキング工程のない無転位シリコン単結晶の成長方法
を見出し、平成１２年２月２５日出願の特願２０００−
４９６６７号の明細書に記載の通り、ドーパントとして
ボロンを添加させたシリコン単結晶を種子結晶として用
い、かつ種子結晶と成長結晶間のボロン濃度の差を７×
１０^１８ａｔｍ／ｃｍ^３（対応するミスフィット２×１
０^４Å）以下とさせることにより、ネッキング工程を行
わずに、熱ショック転位やミスフィット転位を発生させ
ることなく、無転位シリコン単結晶を製造する方法を、
平成１２年２月２５日付けで出願した。

【０００９】特願２０００−４９６６７号の成長方法
は、大直径化、高重量化に好適であるものの、使用でき
るドーパントがボロンに限定され、また種子結晶と成長
結晶間のドーパント濃度（格子常数）の差を特定の範囲
内に設定する必要があり、応用範囲や工程管理の面から
みて解決すべき点が残されており、ボロン以外の種々の
ドーパントが使用でき、応用範囲が広く、かつ工程管理
がより容易である、無転位シリコン単結晶の成長方法が
望まれる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ボロ
ンはもちろんのこと、その他種々のドーパントが使用で
き、かつ種子結晶及び成長結晶間のドーパント濃度につ
いても特願２０００−４９６６７号のような制限がな
く、応用範囲の広い、ネッキング工程が不要の無転位シ
リコン単結晶の成長方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
した結果、シリコン融液中、種子結晶の直下近傍に、下
方に向ってドーパント濃度を漸次減少させた領域を形成
させることにより、ミスフィット転位が発生せず、上記
課題が解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至
った。

【００１２】すなわち、本発明は、ＣＺ法によるネッキ
ング工程のない無転位シリコン単結晶の成長方法であっ
て、かつシリコン融液中、高濃度ドーパントを添加させ
た種子結晶の直下近傍に、下方に向ってドーパント濃度
を漸次減少させた領域を形成させて、ミスフィット転位
のない成長結晶を得ることを特徴とする無転位シリコン
単結晶の成長方法であり、また、ドーパント濃度を漸次
減少させた領域が、シリコン融液中に磁場をかけるこ
と、または種子結晶の直下近傍と周りのシリコン融液間
を物理的に隔離させることにより形成される無転位シリ
コン単結晶の成長方法である。

【００１３】以下、本発明を、図面を参照して、説明す
る。

【００１４】図１は、シリコン融液３中に、磁場をかけ
ることにより、高濃度ドーパントを添加させた種子結晶
１の直下近傍に、下方に向ってドーパント濃度を漸次減
少させた領域２が形成されることを示す模式図である。

【００１５】高純度石英ルツボ中、塊状シリコン多結晶
及びドーパント等の添加剤を融解させてシリコン融液と
した後、該シリコン融液中に、１５００〜４０００Ｇの
磁場をかけながら、所定量のドーパントを添加させた種
子結晶をシリコン融液に接触させ、種子付けさせた後、
所定量の回転速度及び引上速度で種子結晶を引き上げ
て、シリコン融液から種子結晶とほぼ同じ太さのシリコ
ン単結晶を、種子結晶の太さの少なくとも３倍に成長さ
せた後、ついで、所定量の回転速度及び引上速度で、目
的とする太さに拡径された無転位シリコン単結晶を成長
させる。回転速度及び引上速度は、ＣＺ法で通常行われ
ている条件の中から適宜選択され、特に限定されない。

【００１６】本発明に用いられる種子結晶は、通常用い
られている、角柱状や円柱状の無転位シリコン単結晶を
用いることができ、特に限定されない。

【００１７】種子結晶に添加されるドーパントとして
は、ボロン、ゲルマニウムが使用でき、その他リン、ヒ
素、アンチモン等を含有しても差し支えない。

【００１８】本発明において、種子結晶に添加されるド
ーパントがボロンの場合、種子結晶中のボロン濃度は、
８×１０^１８〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であ
る。ボロン濃度が８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満
の場合、ドーパント濃度を漸次減少させた領域を形成さ
せずとも、特願２０００−４９６６７号に記載のよう
に、ミスフィット転位は発生しない。また、５×１０
^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より超の場合、シリコン単結晶
の成長は、事実上不可能である。

【００１９】また、本発明において、種子結晶に添加さ
れるドーパントがゲルマニウムの場合、種子結晶中のゲ
ルマニウム濃度は、６×１０^１９〜５×１０^２０ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３である。ゲルマニウム濃度が６×１０^１９
ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の場合、熱ショックによる転位
が発生し不都合である。また、５×１０^２０ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^３より超の場合、シリコン単結晶の成長は、事実
上不可能である。

【００２０】種子付け直後の種子結晶の引上げでは、種
子結晶直下の成長結晶は、高濃度のドーパントを含有す
るシリコン融液から成長するため、種子結晶中のドーパ
ント濃度（格子常数）とほぼ同じであり、成長結晶中に
ミスフィット転位が発生しない。さらに、シリコン融液
から種子結晶とほぼ同じ太さのシリコン単結晶を、種子
結晶の太さの少なくとも３倍に成長させることにより、
成長結晶中のドーパント濃度が漸次減少すると共に、種
子結晶直下のシリコン融液中のドーパント濃度も減少す
る。最終的に、成長した結晶のドーパント濃度と新たに
成長させる結晶のドーパント濃度（格子常数）は、ほぼ
同じとなり、新たに成長させた結晶中には、ミスフィッ
ト転位が発生しない。

【００２１】シリコン融液中に磁場をかけることによ
り、シリコン融液中の対流が停止でき、種子結晶直下近
傍のドーパント濃度を下方に向って連続的に漸減させた
領域が形成されることにより、種子結晶直下のドーパン
ト濃度が、周りのシリコン融液中のドーパント濃度に比
べ、遥かに高く保持することができ、かつ成長結晶に
は、ミスフィット転位が発生しない。

【００２２】また、図２は、種子結晶１の太さより大な
る石英ガラス管４を用いて、種子結晶１の直下近傍と周
りのシリコン融液３間を物理的に隔離させて、種子結晶
１からの高濃度ドーパントがシリコン融液３中に混入す
ることを防止させて、種子結晶の直下近傍に、下方に向
ってドーパント濃度を漸次減少させた領域２が形成され
ることを示す模式図である。なお、図２は、種子結晶の
直下近傍とシリコン融液間を物理的に隔離させる手段の
一実施態様にすぎず、本発明は、図２によりなんら限定
されない。

【００２３】石英ガラス管４の断面は、円、多角形等い
ずれの形状でもよく、また、石英ガラス管の形状は、直
管、曲管いずれでもよく、特に限定されない。

【００２４】石英ガラス管を用いて、種子結晶の直下近
傍と周りのシリコン融液間を物理的に隔離させる場合の
シリコン単結晶の成長条件は、前記シリコン融液中に磁
場をかける場合に準ずる。

【００２５】石英ガラス管を用いて、種子結晶の直下近
傍と周りのシリコン融液間を物理的に隔離させることに
より、種子結晶からの高濃度ドーパントが周りのシリコ
ン融液中に混入することを防止させ、石英ガラス管内の
ドーパント濃度を下方に向って連続的に漸次減少させた
領域を形成させて、種子結晶直下の周りのドーパント濃
度が、シリコン融液中の濃度に比べ、遥かに高く保持で
き、かつ成長結晶には、ミスフィット転位が発生しな
い。

【００２６】本発明による無転位シリコン単結晶の成長
方法では、ネッキング工程が不要であり、熱ショック転
位及びミスフィット転位のない、無転位シリコン単結晶
を得ることができる。

【００２７】本発明では、種子結晶に添加されるドーパ
ントとしては、ボロンはもちろんのこと、ゲルマニウム
等種々のドーパントが使用でき、かつ種子結晶及び成長
結晶間のドーパント濃度についても特願２０００−４９
６６７号のような制限がなく、幅広い応用範囲が可能で
ある。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を、実施
例に基づき説明する。なお、本発明は、実施例によりな
んら限定されない。

【００２９】実施例１無転位シリコン単結晶に、ドーパントとして濃度４×１
０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のボロンを添加させて、種子
結晶（７ｍｍ×７ｍｍ）を作製した。

【００３０】高純度石英ルツボ（内径１７０ｍｍφ）
中、塊状シリコン多結晶２０００ｇ、ドーパントとして
濃度１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる量のボロン
を添加させた後、、温度１５５０℃で融解させ、シリコ
ン融液とさせた。該シリコン融液中に２５００Ｇの磁場
をかけ、温度１４５０℃で、作製した種子結晶を接触さ
せ、種子付けさせた後、種子結晶を回転速度２回転／
分、引上速度１．５ｍｍ／分で引き上げて、種子結晶と
同じ太さのシリコン単結晶を、シリコン融液から約４０
ｍｍ（種子結晶の融解部の長さの約４倍）成長させた
後、ついで、回転速度２０回転／分、引上速度１．０ｍ
ｍ／分でシリコン単結晶（直径７０ｍｍφ×１００ｍ
ｍ）を成長させた。

【００３１】実施例１における種子結晶及びその直下の
成長結晶のトポ写真を図３に示す。なお、図中のＡは、
種子付け界面を示す。

【００３２】図３より、成長させたシリコン単結晶は、
種子結晶中が均一であり、熱ショック転位が発生せず、
かつ成長結晶中にもミスフィット転位が発生せず、完全
に無転位のシリコン単結晶であった。

【００３３】比較例１実施例１において、シリコン融液中に磁場をかけない以
外は、実施例１と同様にして、シリコン単結晶を成長さ
せた。

【００３４】比較例１における種子結晶及びその直下の
成長結晶のトポ写真を図４に示す。なお、図中のＡは、
種子付け界面を示す。

【００３５】図４より、成長させたシリコン単結晶は、
種子結晶中が均一であり、熱ショック転移は発生してい
ないが、成長結晶中には、白いコントラストで示される
ように、ミスフィット転位が発生しており、無転位のシ
リコン単結晶が得られなかった。

【００３６】実施例２実施例１において、ドーパントとしてボロンを添加させ
た種子結晶の代りに、濃度８×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃ
ｍ^３となる量のゲルマニウムを添加させた種子結晶を用
いた以外は、実施例１と同様にして、シリコン単結晶を
成長させた。

【００３７】成長させたシリコン単結晶は、種子結晶中
に熱ショック転位が発生せず、かつ成長結晶にもミスフ
ィット転位が発生せず、完全に無転位のシリコン単結晶
であった。

【００３８】実施例３実施例１において、シリコン融液中に２５００Ｇの磁場
をかける代りに、石英ガラス管（内径３０ｍｍφ、外径
４０ｍｍφ）を、種子結晶の周りのシリコン融液中に挿
入させた以外は、実施例１と同様にして、シリコン単結
晶を得た。

【００３９】実施例３における種子結晶及びその直下の
成長結晶のトポ写真を図５に示す。なお、図中のＡは、
種子付け界面を示す。

【００４０】図５より、成長させたシリコン単結晶は、
種子結晶中に熱ショック転位が発生せず、かつ成長結晶
にもミスフィット転位が発生せず、完全に無転位のシリ
コン単結晶であった。

【００４１】

【発明の効果】本発明では、ネッキング工程が不要であ
り、かつ熱ショック転位及びミスフィット転位のない無
転位シリコン単結晶を成長させることができる。

【００４２】また、本発明では、種子結晶中のドーパン
トは、種子結晶の直下近傍に混入するだけであり、製品
となるシリコン単結晶への影響はない。

【００４３】本発明では、ネッキング工程が不要のた
め、シリコン単結晶の大型化に伴う大直径化、高重量化
にも十分対応することができる。

【００４４】本発明では、種子結晶に添加されるドーパ
ントは、ボロンはもちろんのこと、ゲルマニウム等種々
のドーパントが使用でき、かつ種子結晶及び成長結晶間
のドーパント濃度についても特願２０００−４９６６７
号のような制限がなく、幅広い応用範囲が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリコン融液中に磁場をかけることにより、
ドーパント濃度を漸次減少させた領域が形成されること
を示す模式図である。

【図２】シリコン融液中に石英ガラス管を挿入させる
ことにより、ドーパント濃度を漸次減少させた領域が形
成されることを示す模式図である。

【図３】実施例１における種子結晶及びその直下の成
長結晶のトポ写真である。

【図４】比較例１における種子結晶及びその直下の成
長結晶のトポ写真である。

【図５】実施例３における種子結晶及びその直下の成
長結晶のトポ写真である。

【符号の説明】

１種子結晶２ドーパント濃度を漸次減少させた領域３シリコン融液４石英ガラス管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF10 EB10 EH05 EH10 EJ02 HA12 PA01 PA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チョクラルスキー法によるネッキング
工程のない無転位シリコン単結晶の成長方法であって、
かつシリコン融液中、高濃度ドーパントを添加させた種
子結晶の直下近傍に、下方に向ってドーパント濃度を漸
次減少させた領域を形成させて、ミスフィット転位のな
い成長結晶を得ることを特徴とする無転位シリコン単結
晶の成長方法。
【請求項２】ドーパントがボロンであり、かつ種子結
晶中のボロン濃度が８×１０^１８〜５×１０^２０ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１に記載の
無転位シリコン単結晶の成長方法。
【請求項３】ドーパントがゲルマニウムであり、かつ
種子結晶中のゲルマニウム濃度が６×１０^１９〜５×１
０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求
項１に記載の無転位シリコン単結晶の成長方法。
【請求項４】ドーパント濃度を漸次減少させた領域
が、シリコン融液中に磁場をかけることにより形成され
ることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１
項に記載の無転位シリコン単結晶の成長方法。
【請求項５】磁場の強さが１５００〜４０００Ｇであ
ることを特徴とする請求項４に記載の無転位シリコン単
結晶の成長方法。
【請求項６】ドーパント濃度を漸次減少させた領域
が、種子結晶の直下近傍と周りのシリコン融液間を物理
的に隔離させることにより形成されることを特徴とする
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無転位シ
リコン単結晶の成長方法。
【請求項７】種子結晶の直下近傍と周りのシリコン融
液間の物理的な隔離が、種子結晶近傍のシリコン融液中
へ石英ガラス管を挿入させることにより行われることを
特徴とする請求項６に記載の無転位シリコン単結晶の成
長方法。