JP2005272240A

JP2005272240A - シリコン単結晶引上用種結晶およびこれを用いたシリコン単結晶の製造方法

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Publication number: JP2005272240A
Application number: JP2004089889A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsumura; 尚松村; Sunao Abe; 直阿部
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP4336600B2

Abstract

【課題】この発明は、シリコン単結晶引上用種結晶の先端部にボロンまたはリンなどの不純物を拡散させるか或いはカーボン膜を被覆することで、無転位化成功率を低下させることなく、シリコン単結晶の生産性を向上させることができる大口径、高重量のシリコン単結晶引上用種結晶を提供することを目的とするものである。
【解決手段】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上で用いる種結晶であって、融液と接触する側の先端部表面に不純物が拡散された不純物拡散層が形成されており、前記不純物拡散層の内層が不純物非拡散層であるシリコン単結晶引上用種結晶である。
【選択図】図１

Description

この発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上用の種結晶およびこの種結を用いたシリコン単結晶の製造方法に関するものである。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によってシリコン単結晶を製造する場合、シリコン種結晶をシリコン融液に接触させた際の熱衝撃よってシリコン種結晶に高密度で発生するスリップ転位がシリコン単結晶インゴットまで伝播される。このスリップ転位を消滅させるために、直径を３mm程度の結晶（以下、「ネック部」という。）に成長させて無転位結晶にした後、所定の直径まで結晶を広げて肩部を形成し、一定直径の単結晶を成長させるいわゆるダッシュネック法が採用されている。

しかしながら、最近、大口径のシリコン単結晶（１２インチ）の引上げ、引上げ単結晶の長尺化が要請されているところから、従来のダッシュネック法による種結晶ではネック部での強度不足が指摘されて、種々その対策が検討されてきた。

こうした問題に対応した先行技術としては、ダッシュネック法によらないで種結晶の先端を尖らせて、単結晶の大口径化、長尺化に対応したシリコン単結晶育成法が提案されている。この方法は、種結晶の先端を尖らせることによって融液への接触面積が小さくなり、種結晶の熱衝撃あるいは急激な温度勾配を形成しにくくするものである（特許文献１）。また、別の先行技術は、融液に接する種結晶の先端表面を熱の放射率が０．６〜０．９となるように加工するか、或いは酸化処理をして先端部にＳｉＯ_２膜を形成するものである（特許文献２）。また、ネッキングを行わないでスリップ転位を消滅させる種結晶として、種結晶中の酸素濃度を１５ppma以下とし、かつ先端部が尖った形状または尖った先端を切り取った形状とするものがある（特許文献３）。さらに、同じくネッキングを行わないでスリップ転位を消滅させる種結晶として、種結晶に窒素をドープしたものが知られている（特許文献４）。また、種結晶に高濃度のＢ（ボロン）をドープすることで、スリップ転位の発生を減少させる先行技術も知られている（特許文献５）。
特開平１０−２０３８９８号公報（特許請求の範囲）特開平８−２９０９９４号公報（特許請求の範囲）特開平１１−２９２６８７号公報（特許請求の範囲）特開２０００−１２８６９１号公報（特許請求の範囲）特開平４−１３９０９２号公報（特許請求の範囲）

前記の先行技術には、それぞれ次のような問題点が存在している。即ち、特許文献１は、種結晶の先端を尖らせるので融液への接触面積が小さくなり、かつ先端の熱容量も少なくなり種結晶の熱衝撃或いは急激な温度勾配は形成されにくくなるが、結晶の無転位化には限界があった。即ち、種結晶の融液との接触部を小さくしても種結晶と融液との温度差が大きいことは依然として解消されていないので、この温度差に起因して種結晶を融液表面に接触させる際に生じる熱応力は転位発生応力を上回り、結局、種結晶内に転位が発生していた。

また、特許文献２の種結晶の表面を機械加工して表面の熱の放射率を高くする方法は、加工により導入される表面のひずみを完全に除くことができず、かえって熱衝撃による転位が増加しやすく無転位結晶は得にくいものであった。特許文献３の種結晶中の酸素濃度範囲を限定するものや、特許文献４の種結晶中に窒素をドープするものも完全に熱衝撃による転位の発生を抑制できるものではなく、さらに特許文献５のボロンを高濃度にドープした種結晶を用いた場合は、ボロンといった育成される単結晶の抵抗率を低下させる不純物を使っているので、低抵抗率の結晶成長以外には使用することができないといった難点があった。

従って、この発明は、シリコン単結晶引上用種結晶の先端部にボロンまたはリンなどの不純物を拡散させるか或いはカーボン膜を被覆することで、無転位化成功率を低下させることなく、シリコン単結晶の生産性を向上させることができる大口径、高重量のシリコン単結晶引上用種結晶を提供することを目的とするものである。

この発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上で用いる種結晶であって、融液と接触する側の先端部表面に不純物が拡散された不純物拡散層が形成されており、前記不純物拡散層の内層が不純物非拡散層であることを特徴とするシリコン単結晶引上用種結晶（請求項１）、前記不純物拡散層の厚さが５μｍ以上である請求項１に記載のシリコン単結晶引上用種結晶（請求項２）、前記不純物拡散層の不純物濃度が、１×１０²⁰atoms/cm³以上である請求項１または２に記載のシリコン単結晶引上用種結晶（請求項３）、前記不純物がリンまたはボロンである請求項１ないし３のいずれかに記載のシリコン単結晶引上用種結晶（請求項４）、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上で用いる種結晶であって、融液と接触する先端部にカーボン膜を被覆したことを特徴とするシリコン単結晶引上用種結晶（請求項５）、カーボン膜の膜厚が１μｍ以上で１０μｍ以下である請求項５記載のシリコン単結晶引上用種結晶（請求項６）、前記先端部が尖った形状である請求項５または６に記載のシリコン単結晶引上用種結晶（請求項７）および前記シリコン単結晶引上用種結晶を用いてシリコン単結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法（請求項８）である。

表面に高濃度不純物を拡散したこの発明の種結晶を用いると、大口径で長尺のシリコン単結晶を引上げる際にも、ネック部の直径を５〜１０mmの範囲とすることができ、従来の種絞り部の直径の３mmと比較して大幅に径の太いネック部とすることが可能となるため、破断等による融液への落下を防止できる。また、これによると抵抗が１Ω・ｃｍ以上の高抵抗の結晶引上にも適用することが可能である。さらに、種結晶先端表面にカーボン膜を施した場合には、この膜がシリコン融液、引上部材、引上装置などから種結晶に向かう熱を効率的に吸収するので、カーボン膜がない場合と比較し先端部を高温にすることが可能である。即ち、これによりシリコン融液との温度差を小さくすることができるので、融液と接触させる際に発生する熱応力は転位発生応力よりも容易に小さくなり、ネック開始時の転位密度をゼロにすることができる。

この発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げに用いるシリコン種結晶であって、その特徴ある構成は、シリコン種結晶の先端部にボロン、リンなどの不純物を拡散させるか、或いはカーボン膜を被覆したものである。なお、先端部に不純物拡散層を形成させる場合は、Ｐ型半導体基板製造ではボロンを用い、Ｎ型半導体基板製造ではリンを用いる。種結晶それ自体は、いずれの場合も従来のシリコン種結晶がそのまま用いられる。

先端部に不純物を拡散させたものにあっては、種結晶の融液に接触する部分付近に１×１０²⁰atoms/cm³以上の高濃度のボロンまたはリンを拡散させる（ＳＩＭＳによる測定値）。ボロンまたはリンの拡散濃度が１×１０²⁰atoms/cm³未満では、種結晶が融液と接触する際の熱衝撃を十分に緩和することができず、種結晶に転位が発生するのを十分に回避することができない。なお、上記種結晶を用いた場合の結晶育成においては、高濃度の不純物が拡散された不純物拡散層から結晶を成長させるとミスフイット転位が発生する恐れがあるが、種結晶の先端部を融液に接触させた後、上記不純物拡散層を完全に溶解させてから結晶育成を開始することで、ミスフイット転位の発生も抑制することができる。

高濃度の不純物を拡散させたものの不純物拡散層は、従来のものの非拡散層と比べて体積が膨張し軟化した状態となっているので、先端部を融液と接触させると不純物が拡散している表面部が融液と容易に親和して種結晶の熱衝撃を緩和し、これによって種結晶の転位の発生が回避されるものと考えられる。こうした表面層の形成は上記のように、種結晶の先端表面部に１×１０²⁰atoms/cm³以上の高濃度の不純物を拡散させることによって達成されるものである。シリコン種結晶の先端部にボロン、リンなどの不純物を拡散させる方法は通常の拡散法がそのまま用いられる。即ち、図３に示すように、例えば、従来のシリコン種結晶３０の先端表面にＮ型半導体製造の場合はＰ_２Ｏ_５３１を、またＰ型半導体製造の場合はＢ_２Ｏ_３３２を塗布し、これを温度１３００℃、雰囲気Ａｒガスで、２０時間処理することによって、種結晶先端部にボロンまたはリンを拡散する。これによって得られる不純物拡散層の厚さは、少なくとも５μｍ以上であることが好ましい。前記不純物拡散層の厚さが５μｍ未満だと融液との接触時における熱衝撃を十分に緩和することが出来ない。より好ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。

このように、この発明は種結晶の先端部に不純物の拡散を行い不純物を拡散層形成することでシリコン単結晶引上時の種結晶の転位発生を抑制することができるので、従来のように直径３mmの小さい種絞り部を形成する必要はなく、径が５mm以上の太いネック部でも無転位化成功率の高いシリコン単結晶を育成することができる。なお、種結晶の形状としては、円柱状や角形状の形状が一般的であり、本願発明はこれに適用できるものである。さらに、図１に示すように、種結晶の先端部を尖らせた形状とすることにより、熱衝撃によって発生する転位を抑制することができ、無転位結晶成功率をさらに向上することができる。

本発明は、上記のボロン拡散の外にも、種結晶先端にカーボン膜を施しても同じように熱衝撃によって発生する転位を抑制することができる。即ち、シリコン種結晶の先端部にカーボン膜を設けた場合は、シリコン融液やその他の周辺部材からの熱をこのカーボン膜が吸収し、種結晶先端部の温度をカーボン膜のない場合よりも高くすることができるため、シリコン融液に接触させた際に発生する温度差を小さくして熱衝撃によって発生する転位を抑制することができるものである。ここにおけるカーボン膜の膜厚は１μｍ以上が好ましい。この膜厚が１μｍ未満であると熱吸収が十分でなく、種結晶先端部の温度を所定の温度まで上昇させることができない。シリコン種結晶の先端にカーボン膜を形成する方法はＣＶＤ法が好ましい。なお、種結晶先端にカーボン膜を施す場合も、種結晶の形状としては、一般的な円柱状や角柱状のものが適用可能であり、さらに、図２に示すような先端部を尖らせた形状とすることにより熱衝撃によって発生する転位を抑制することができる。

図２（Ａ）は、先端にカーボン膜２１を被覆した種結晶の説明図である。図２（Ｂ）は、種結晶先端部のカーボン膜のみを模式的に示したものである。なお、先端にカーボン膜を被覆した種結晶にあっては種絞りを行わなくとも無転位化率の高いシリコン単結晶を得ることができる。

下記に、種結晶の先端部に不純物を拡散させたシリコン単結晶引上用種結晶の実施例（１〜３）と、比較例（１，２）をそれぞれ説明する。これらの実施例および比較例には、引上げ時に用いた種結晶の形状、先端部の状態、種結晶径、ネック形成時のネック部の最小径、引上単結晶の目的径、結晶直胴部の長さ、前記直胴部の無転位化率をそれぞれ示した。なお、ここでいう無転位化率とは、上記条件で引上げた単結晶インゴットの直胴部を、ワイヤソーによりスライスした後に、酸性混合薬液によりエッチングを行い、前記ワイヤソーにより発生した破砕屑を完全に除去した後に、Ｘ線トポグラフにて評価したときの無転位化率である。

（実施例１）
種結晶の形状：先端の尖った形状（円柱形状）
先端部：ボロンを表面に濃度1×10²¹atoms/cm³拡散(SIMS；二次イオ
ン質量分析法)不純物拡散層10μｍ形成(SR法)
種結晶径：直径20mm
ネック部の最小径：5mm
目的の径： 12インチ
結晶直胴長さ： 1.0m
無転位化率： 95%
（実施例２）
種結晶の形状：先端の尖った形状（円柱形状）
先端部：ボロンを表面に濃度1×10²¹atoms/cm³拡散(SIMS；二次イオ
ン質量分析法)不純物拡散層10μｍ形成(SR法)
種結晶径：直径20mm
ネック部の最小径：10mm
目的の径： 12インチ
結晶直胴長さ： 1.0m
無転位化率： 90%
（実施例３）
種結晶の形状：先端が平坦な形状（円柱形状）
先端部：ボロンを表面に濃度1×10²¹atoms/cm³拡散(SIMS；二次イオ
ン質量分析法)不純物拡散層10μｍ形成(SR法)
種結晶径：直径20mm
ネック部の最小径：10mm
目的の径： 12インチ
結晶直胴長さ： 1.0m
無転位化率： 80%
（比較例１）
種結晶の形状：先端の尖った形状（円柱形状）
先端部：不純物拡散層未形成の種結晶
種結晶径：直径20mm
ネック部の最小径：5mm
目的の径： 12インチ
結晶直胴長さ： 1.0m
無転位化率： 55%
（比較例２）
種結晶の形状：先端が平坦な形状（円柱形状）
先端部：不純物拡散層未形成の種結晶
種結晶径：直径20mm
ネック部の最小径：5mm
目的の径： 12インチ
結晶直胴長さ： 1.0m
無転位化率： 25%
上記実施例および比較例から次のようなことが確認される。先端が平坦な形状の種結晶を用いて先端部に不純物拡散層を形成しない場合（比較例２）は、ネック部の最小径が５mmでは無転位化率が２５％と低く、例え先端部を尖った形状（比較例１）としても、無転位化率が５５％までしか向上しない。しかし、先端が平坦な形状の種結晶を用いても、先端部に高濃度の不純物を拡散させた場合（実施例３）では、ネック部の最小径を１０mmまで広げた場合でも無転位化率は８０％まで向上する。さらに、先端部を尖った形状とした場合（実施例１，２）は、ネック部の最小径を１０mmとしても９０％以上の高い無転位化率のシリコン単結晶を得ることができる。これによって、径１２インチへの大口径化、長尺化にたいしても十分に用度が保つことができるネック部を形成することができるとともに、無転位化率も向上することが分かる。

（実施例４）
直径が10mm、15mm、20mmの円柱型種結晶の先端部に、それぞれ厚さ0.5μｍ，1.0μｍ，5.0μｍ，10.0μｍのカーボン被膜をＣＶＤ法により形成した。この被膜の放射率は０．４６であった。この種結晶を用いて種絞りを行わないで、所定の直径（１２インチ）まで結晶を広げて肩部を形成し、一定の直径の単結晶（直胴長さ1.5ｍ）を成長させた。引上げたシリコン単結晶の本数の中で、一度もメルトバックすることなくテール完了まで無転位で育成できたシリコン単結晶の本数の割合を無転化成功率として評価した。また、比較例として皮膜を施さない従来の種結晶（カーボン膜なし）についても同一の条件でシリコン単結晶の引上げを行った。結果は表１の通りであった。

実施例４の表１の結果から明らかなように、膜厚が１μｍ以上のカーボン膜を先端に施した種結晶を用いると、種結晶の径の如何に拘わらず無転位化率の高いシリコン単結晶が得られることがわかる。ただし、膜厚が０．５μｍ以下では、種結晶を融液上に保持している間にカーボンがＳｉＯ_２ガスと反応してＣＯとして飛散してしまうため、所定の放射率を維持することが困難である。また、カーボン膜厚が１０μｍより厚いと、種結晶を融液に接触させたときにカーボンが融液に溶け込む量が多くなり、育成したシリコン単結晶の固溶炭素濃度が１×１０^１６atoms/cm³を超える可能性があり、デバイス作成時に悪影響を及ぼすために好ましくない。

この発明の一実施例の種結晶の一部を模式的に示した説明図で、（Ａ）は、種結晶の先端部の全体を示したもの、（Ｂ）は先端部のうちのボロンが拡散しただけを示す説明図。この発明の他の実施例の種結晶の一部を模式的に示した説明図で、（Ａ）は、種結晶の先端部の全体を示したもの、（Ｂ）は先端部のうちのカーボン膜の部分だけを示す説明図。この発明の一実施例になる種結晶の製造方法を説明した説明図。

符号の説明

１０，２０，３０…シリコン単結晶、１１，１２…拡散層、２１……カーボン膜、３１……Ｐ_２Ｏ_５塗膜、３２……Ｂ_２Ｏ_３塗膜。

Claims

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上で用いる種結晶であって、融液と接触する側の先端部表面に不純物が拡散された不純物拡散層が形成されており、前記不純物拡散層の内層が不純物非拡散層であることを特徴とするシリコン単結晶引上用種結晶。
前記不純物拡散層の厚さが５μｍ以上である請求項１に記載のシリコン単結晶引上用種結晶。
前記不純物拡散層の不純物濃度が、１×１０²⁰atoms/cm³以上である請求項１または２に記載のシリコン単結晶引上用種結晶。
前記不純物がリンまたはボロンである請求項１ないし３のいずれかに記載のシリコン単結晶引上用種結晶。
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上で用いる種結晶であって、融液と接触する先端部にカーボン膜を被覆したことを特徴とするシリコン単結晶引上用種結晶。
カーボン膜の膜厚が１μｍ以上で１０μｍ以下である請求項５記載のシリコン単結晶引上用種結晶。
前記先端部が尖った形状である請求項１ないし６のいずれかに記載のシリコン単結晶引上用種結晶。
前記シリコン単結晶引上用種結晶を用いてシリコン単結晶を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。