JP2005272286A - シリコン種結晶及びその製造方法、並びにそのシリコン種結晶を用いたシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 種絞りを行うことなく、無転位化成功率を高めてシリコン単結晶を引き上げ得るシリコン種結晶の提供を課題とする。
【解決手段】 ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶であって、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されており、前記転位には酸素原子が固着していることを特徴とするシリコン種結晶である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶及びその製造方法、並びにそのシリコン種結晶を用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。

ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際には、種結晶として円柱状又は角柱状のシリコン単結晶を用い、これをシリコン融液に接触させた後に引き上げることによってシリコン単結晶を成長させている。
この際、シリコン種結晶をシリコン融液に接触させると、熱衝撃によりシリコン種結晶に高密度で発生するスリップ転位から伝播する転位を消滅させるため、いわゆるダッシュネック(Dash Neck) 法と呼ばれる、径を一度細く絞ってから所定の径まで広げる手法が広く行われている。
ところが、近年、シリコン単結晶の径大化、長尺化が進んでおり、ダッシュネック法ではネック部の強度不足になることが懸念されている。

かかる懸念を解消するため、従来、シリコン融液と接触させる先端部を尖らせたシリコン種結晶が知られている。
このシリコン種結晶によれば、先端部を尖らせることによってシリコン融液への接触面積が小さくなり、かつ、先端部の熱容量が少なくなるので、シリコン種結晶に熱衝撃あるいは急激な温度勾配によるスリップ転位が導入され難くなる。
又、シリコン単結晶をゆっくりと下降させて先端部が所望の太さとなるまで溶融すれば、溶融中シリコン種結晶とシリコン融液の接触面積が徐々に増加していくため、シリコン種結晶内に急激な温度勾配が形成されず、溶融時にもスリップ転位が発生され難くなる。
したがって、種絞り（ダッシュネック）を行うことなく、大直径かつ長尺で高重量のシリコン単結晶を引き上げることができる、というものである。（特許文献１）

しかし、先端部を尖らせたシリコン種結晶を用いても、必ずしもシリコン単結晶の無転位化成功率が向上するとは限らない。
これは、先端部のシリコン融液の接触面積を小さくしても完全に転位密度を零にすることができないからである。
又、先端部が尖突形状であると、円柱状や角柱状のものに比べると加工が難しく表面に微細な凹凸が残り易くなるため、融液との接触時にその表面粗さに起因してシリコン種結晶内に不均一な温度勾配が入り易くなるおそれがあるからである。
一方、先端部を尖らせたシリコン種結晶では、一度転位がシリコン種結晶に導入されると、そのシリコン種結晶を再度利用することができないので、やり直すにはシリコン種結晶を新たなものと交換する必要がある。

上述した不具合を解決するため、種結晶中の酸素濃度を１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下とし、シリコン融液への接触、溶かし込み中に、酸素が析出することがなく、析出した酸素が核となってスリップ転位を殆どなくし、無転化成功率の向上を図ったシリコン種結晶も知られている（特許文献２）が、不均一温度分布の発生を抑制するまでには至っていない。
特開平１０−２０３８９８号公報 特開平１１−２９２６８７号公報

本発明は、種絞りを行うことなく、無転位化成功率を高めてシリコン単結晶を引き上げ得るシリコン種結晶の提供を課題とする。

本発明のシリコン単結晶は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶であって、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されており、前記転位には酸素原子が固着していることを特徴とする。
なお、前記シリコン種結晶は、先端部が尖った形成であることが好ましい。

一方、第１のシリコン種結晶の製造方法は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶の製造方法であって、酸素濃度が１．０〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されたシリコン単結晶を不活性雰囲気中で熱処理することを特徴とする。

第２のシリコン種結晶の製造方法は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶の製造方法であって、酸素濃度が０．７〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されたシリコン単結晶を酸化性雰囲気中で熱処理することを特徴とする。
なお、第１、第２のシリコン種結晶の製造方法において、前記シリコン単結晶は、先端部が尖った形状であることが好ましい。

他方、シリコン単結晶の製造方法は、前記シリコン種結晶を用いてシリコン単結晶を製造する方法であって、ネック部を形成させないでシリコン単結晶を引き上げることを特徴とする。

本発明のシリコン種結晶及びその製造方法によれば、シリコン単結晶中の格子間酸素原子が、不活性雰囲気又は酸化性雰囲気中での熱処理により、先端部の転位（dislocation)に固着すると考えられ、ピンニング等の効果により転位が伝播するのに要するエネルギーは、酸素原子の固着している転位の方が大きくなる。すなわち、酸素原子が転位に固着した方が、転位は伝播し難くなる。
このため、シリコン種結晶をシリコン融液に接触させて溶かし込んでいく過程で、転位が上部へ伝播するよりも先に酸素原子の固着した転位部が溶けてしまい、引上げ開始位置では無転位の状態を作ることができる。
又、融液との接触時の温度差に起因して新たな転位が発生しても、酸素原子が固着した転位部を越えて上部に転位が伝播するのに要するエネルギーは、通常よりも多大なエネルギーを要し、酸素原子の固着した転位部で止まってしまうため、同様に引上げ開始位置では無転位の状態を作ることができ、結果として、種絞りを行うことなく、無転位化成功率を格段に向上することができる。

シリコン種結晶の先端部を尖った形状とすることにより、シリコン融液との接触面積が小さくなり、かつ、熱容量が少なくなるので、熱衝撃及び温度勾配を緩和され、シリコン融液への接触及び溶かし込みを短時間に行うことができる。

本発明のシリコン種結晶は、ＣＺ法で引きあげた別のロットで、スリップ転位の部分的な発生により廃品となったシリコン単結晶インゴット、又は格子間シリコン過剰領域（転位発生領域）が形成されたシリコン単結晶インゴットから、先端部に転位発生領域が来るように加工（図２参照）する。
そして、その形状としては、例えば、円柱状（図３参照）、角柱状（図４参照）が挙げられるが、本発明は、上記形状に限定されるものではない。
なお、上記シリコン種結晶の先端部（転位発生領域）以外の領域は、空孔過剰領域、又は無欠陥領域を用いることが好ましい。

次に、上述したシリコン単結晶インゴット中の酸素濃度に留意する必要がある。
シリコン単結晶インゴットの酸素濃度が、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合は、不活性雰囲気、又は酸化性雰囲気中で熱処理を行うことで、上記転位発生領域に酸素原子を十分に固着させることができる。
一方、シリコン単結晶インゴット中の酸素濃度が、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満の場合は、熱処理時に転位に固着させる酸素原子が不足しているため、不活性雰囲気中では十分に転位に酸素原子を固着させることができず、酸化性雰囲気中での熱処理を必要とする。
なお、酸素濃度が、０．７×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満の場合は、たとえ、酸化性雰囲気中で熱処理を行っても、先端部から数μｍの表面部には酸素原子を固着させることができるが、より深い表層部においてはインゴットに含まれる酸素原子が不足しているため、十分に種結晶素体先端部の転位発生領域全体に酸素原子を固着させることができない。
他方、酸素濃度が、１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えると、不活性雰囲気、又は酸化性雰囲気中での熱処理において酸素原子同士が析出してＢＭＤが形成されてしまうため、必要とする種結晶素体先端部の転位発生領域に酸素原子が供給されなくなり、たとえ、酸化性雰囲気中でも十分に種結晶素体先端部全体に酸素原子を固着させることが難しい。
すなわち、酸素原子の固着量が少ない、又は不均一だと、ピンニング等の効果により転位が伝播するのに要するエネルギーは、酸素原子の固着している転位の方が小さくなってしまうため、スリップ転位を抑制することが困難となる。
不活性雰囲気としては、Ａｒ（アルゴン）ガス雰囲気が挙げられる。
なお、上記シリコン種結晶では、先端部の尖った形状（図５参照）としては、本体部分が円柱状の場合、円錐体状に、又、角注状の場合、円錐体状若しくは角錐体状のいずれでもよい。

先ず、成長速度Ｖと界面付近の温度勾配Ｇを適宜に調整し、後述する酸素濃度となるように引上げ条件を制御して、図１に示すように、ＣＺ法によりシリコン単結晶インゴット１を、ヘッド部の近傍に半球状の空孔過剰領域２及びその下側を包むようにしてリング状ＯＳＦ領域３を形成すると共に、Ｖ／Ｇを所定の値にして無欠陥領域４を形成し、かつ、Ｖ／Ｇを小さくしてテール部近傍に格子間シリコン過剰領域（格子間シリコン凝集欠陥発生領域、転位発生領域）５を形成して引き上げた。
次に、図１、図２に示すように、先端部に転位発生領域５を含むようにし、シリコン単結晶インゴット１から種結晶素体６を切り出し、酸素濃度が、０．７、０．９、１．０、１．３、１．６及び１．７×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の種結晶素体６をそれぞれ用意した。
各種結晶素体６は、直径１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱状（図３参照）である。
なお、本実施例の種結晶素体６において、上記転位発生領域以外は無欠陥領域である。
次いで、各種結晶素体６に、Ａｒガス雰囲気にて、１１００℃の温度で１８０分間熱処理を施してシリコン種結晶７（図３参照）を作製した。

得られた各酸素濃のシリコン種結晶７を用い、それぞれ前記転位発生領域が形成された種結晶先端部をシリコン融液に接触させて、ネック部を形成することなく、直径３００ｍｍ、長さ１ｍのシリコン単結晶インゴットをＣＺ法により１０本ずつ引き上げ、無転位化成功率を評価したところ、表１に示すようになった。
なお、製造したシリコン単結晶インゴットのうち引上げ途中で異物等の混入により転位が発生した場合も、シリコン単結晶インゴット１ｍのうち無転位となった長さの比率が無転位化成功率（％）として換算されるものとする。

表１から分るように、先端部に転位発生領域（本実施例では格子間シリコン過剰領域）が形成された種結晶素体をＡｒガス雰囲気で熱処理する場合は、酸素濃度が１．０〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の酸素濃度範囲内において、無転位化成功率が９６〜１００％になる顕著な効果を有することが確認される。

先ず、実施例１と同様にして、直径１５ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円柱状の形状を有し、酸素濃度が、０．５、０．７、０．９、１．０、１．３、１．６、及び１．７×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の種結晶素体をそれぞれ用意して、酸素ガス雰囲気にて、１１００℃の温度で１２０分間熱処理を施してシリコン種結晶を作製した。
得られた各酸素濃度のシリコン種結晶を用い、実施例１と同様な方法で、シリコン単結晶インゴットを製造し、その無転位化成功率を評価したところ、表２に示すようになった。

表２から分るように、先端部に転位発生領域（本実施例では格子間シリコン過剰領域）が形成された種結晶素体を酸素ガス雰囲気で熱処理する場合は、酸素濃度が０．７〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の酸素濃度範囲において、無転位化成功率が９６〜１００％になる顕著な効果を有することが確認される。

なお、上述した両実施例においては、シリコン融液と接触する先端部に転位発生領域とし格子間シリコン過剰領域を用いたが、前述したように、結晶引上げ途中に異物等の混入により部分的にスリップ転位が発生したシリコン単結晶インゴットを用いて、そのスリップ転位発生領域を先端部に含むように種結晶を作製してもよい。
又、転位発生領域以外の領域においては、本実施例では無欠陥領域の部分を用いたが、特にこれに限定されるものではなく、空孔過剰領域、又は無欠陥領域と空孔過剰領域との混合領域を用いてもよい。
更に、シリコン種結晶は、円柱状のシリコン種結晶７に限らず、図４に示すように、角柱状のシリコン種結晶９、図５に示すように、シリコン融液と接触する先端部を円錐体状に尖らせた円柱状のシリコン種結晶９、その他の形状のシリコン種結晶であってもよい。

本発明に係る実施例１のシリコン種結晶における種結晶素体の切り出し位置の説明図である。 図１の部分拡大図である。 本発明に係る実施例１のシリコン種結晶の斜視図である。 本発明に係る他のシリコン種結晶の斜視図である。 本発明に係る更に他のシリコン種結晶の斜視図である。

符号の説明

１ シリコン単結晶インゴット
２ 空孔過剰領域又は無欠陥領域
３ リング状ＯＳＦ領域
４ 無欠陥領域
５ 格子間シリコン過剰領域（転位発生領域）
６ 種結晶素体
７ シリコン種結晶
８ シリコン種結晶
９ シリコン種結晶

Claims (6)

1. ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶であって、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されており、前記転位には酸素原子が固着していることを特徴とするシリコン種結晶。
2. 前記シリコン種結晶の先端部が尖った形状であることを特徴とする請求項１記載のシリコン種結晶。
3. ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶の製造方法であって、酸素濃度が１．０〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されたシリコン単結晶を不活性雰囲気中で熱処理することを特徴とするシリコン種結晶の製造方法。
4. ＣＺ法によりシリコン単結晶を成長させる際に用いるシリコン種結晶の製造方法であって、酸素濃度が０．７〜１．６×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、シリコン融液と接触する先端部に転位が形成されたシリコン単結晶を酸化性雰囲気中で熱処理することを特徴とするシリコン種結晶の製造方法。
5. 前記シリコン単結晶の先端部が尖った形状であることを特徴とする請求項３又は４記載のシリコン種結晶の製造方法。
6. 前記シリコン種結晶を用いてシリコン単結晶を製造する方法であって、ネック部を形成させないでシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
   

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