JP2008087994A

JP2008087994A - シリコン種結晶およびシリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP2008087994A
Application number: JP2006267958A
Authority: JP
Inventors: Keiko Saito; 恵子齋藤
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げにおいて、ネッキング工程での転位の導入を抑制し、無転位化率の向上を図り、大口径かつ高重量の無転位シリコン単結晶インゴットの生産性を向上させることができるシリコン種結晶を提供し、また、大口径かつ高重量の無転位シリコン単結晶インゴットの生産性を向上させることができるシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】バルク微小欠陥密度が１×１０⁹／ｃｍ³以上であるシリコン種結晶を用いて、原料シリコン融液に前記種結晶を着液させ、ネック径５ｍｍ以上７ｍｍ以下、ネック長５０ｍｍ以下のネック部を形成した後、シリコン単結晶を引き上げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（ＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉＭｅｔｈｏｄ；ＣＺ法）による無転位シリコン単結晶インゴットの引上げに好適に用いられるシリコン種結晶およびこれを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。

シリコン単結晶の製造方法としては、無転位あるいは結晶欠陥が極めて少ない単結晶を大口径かつ高純度で比較的容易に得ることができることから、ＣＺ法が広く用いられている。
ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造においては、例えば、図２に示すような単結晶引上げ装置において、シリコン単結晶からなる種結晶１を、チャンバ９内でヒータ７および保温体８により加熱保温され、石英ルツボ内６に貯留された原料シリコン融液５に着液させた後、回転させながらゆっくりと引き上げることにより、単結晶インゴット４を育成する。

上記ＣＺ法においては、シリコン種結晶を原料シリコン融液に接触させる際、熱衝撃によって、種結晶に高密度でスリップ転位が発生する。
このスリップ転位から、育成される単結晶に伝播する転位を消滅させるために、ダッシュネッキング（ＤａｓｈＮｅｃｋｉｎｇ）法と呼ばれる方法が広く利用されている。
ダッシュネッキング法とは、図２に示すように、シリコン種結晶１を原料シリコン融液５に接触させて溶かし込み、いわゆる種絞り（ネッキング）工程において、一旦、径を４ｍｍ程度にまで細くしたネック部２を長さ５０〜１００ｍｍ程度まで形成し、その後、所定の口径になるまでクラウン部３により単結晶を太くしていく方法である。これにより、前記ネック部２において、種結晶１に導入されたスリップ転位から伝播した転位を消滅させることができ、無転位のシリコン単結晶を引き上げることができる。

上記のように、ダッシュネック法によりシリコン単結晶の無転位化を図るためには、種結晶よりも径が細く、長いネック部を形成する必要がある。
しかしながら、近年のシリコン単結晶の大口径化に伴い、高重量化した単結晶インゴットを、上記のような径が非常に小さいネック部で支持するには、強度が不十分であり、単結晶インゴットの引上げ過程において、該ネック部が破断して、単結晶インゴットが落下し、最悪の場合には、シリコン融液の漏洩等の重大な事故を生じるおそれがあった。

上記問題を解決する方法として、例えば、特許文献１には、酸素濃度が高い種結晶を用いることにより、該種結晶が原料シリコン融液に接触するときの熱衝撃によるスリップが生じにくくなり、径６ｍｍ以上の従来よりも太いネック部を形成した場合でも、早い段階で転位を除去することができ、安全に単結晶引上げを行うことができることが記載されている。
特許第３２３５４５０号公報

近年、大口径化に伴い、高重量化しているシリコン単結晶インゴットのＣＺ法による製造において、複雑な単結晶保持機構を設けることなく、シリコン単結晶の落下を簡便に防止する方法が求められている。
その一手段として、上記特許文献１のように、従来よりも太いネック部を形成した場合、あるいはまた、ネック部を形成することなく、無転位のシリコン単結晶インゴットを得る方法が検討されている。

上記特許文献１に記載されたような種結晶を用いた単結晶引上げは、転位の上方への伝播を酸素により抑え込むことができるとするものであるが、本発明者は、より効果的に、スリップ転位の伝播を抑制することができる種結晶を見出した。

すなわち、本発明は、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて、ネッキング工程での転位の導入を抑制し、無転位化率の向上を図り、大口径かつ高重量の無転位シリコン単結晶インゴットの生産性を向上させることができるシリコン種結晶を提供することを目的とするものである。
また、本発明においては、該種結晶を用いて、大口径かつ高重量の無転位シリコン単結晶インゴットの生産性を向上させることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することも目的とする。

本発明に係るシリコン種結晶は、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて用いられる種結晶であって、バルク微小欠陥（ＢＭＤ；ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）が１×１０⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とする。
上記のような種結晶を用いることにより、ＣＺ法による単結晶引上げにおいて、より太いネック部を形成し、かつ、無転位化を図ることができ、無転位のシリコン単結晶を安全に引き上げることができる。

前記シリコン種結晶は、空孔過剰領域または格子間シリコン過剰領域の結晶からなることが好ましい。
ＢＭＤ密度が高い種結晶を得るためには、上記領域のシリコン単結晶を母材とすることが好ましい。

また、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、上記のようなシリコン種結晶を用いて、原料シリコン融液に前記種結晶を着液させ、ネック径５ｍｍ以上７ｍｍ以下、ネック長５０ｍｍ以下のネック部を形成した後、シリコン単結晶を引き上げることを特徴とする。
上記製造方法によれば、複雑な単結晶保持機構を設けることなく、簡便に、高重量のシリコン単結晶インゴットを安全に引き上げることができ、高重量の単結晶インゴットの落下事故を防止することができる。

上述したとおり、本発明に係るシリコン種結晶を用いることにより、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて、従来より太く短いネック部を形成しても、無転位化を図ることができ、無転位シリコン単結晶を育成することができる。
このため、上記のような本発明に係る種結晶を用いた本発明に係るシリコン単結晶の製造方法によれば、複雑な単結晶保持機構を設けることなく、簡便に、高重量のシリコン単結晶インゴットを確実に引き上げることができ、高重量の単結晶インゴットの落下事故を防止することができる。
したがって、本発明によれば、大口径かつ高重量の無転位シリコン単結晶インゴットの製造において、安全性および生産性の向上を図ることができ、また、歩留まりおよび製造コストの改善にも寄与することができる。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコン種結晶は、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいて用いられる種結晶であって、ＢＭＤ密度が１×１０⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とするものである。
バルク微小欠陥（ＢＭＤ）は、成長させた単結晶から加工したウエハを熱処理し、エッチングした際に検出される酸素析出物や積層欠陥である。このＢＭＤは、ウエハの熱処理時に生じるスリップを阻止する効果がある。
このことから、本発明においては、単結晶引上げにおいて、ＢＭＤ密度が高い種結晶を用いることにより、原料シリコン融液接触時の熱衝撃によるスリップ転位の発生を抑制し、育成される単結晶に導入される初期転位密度を低減させるものである。

単結晶引き上げに用いられる種結晶は、一般に、単結晶インゴットから作製する。１つの単結晶インゴット内の結晶の性質は、結晶育成条件によって、径方向で変化する。結晶の欠陥分布は、概略的には、格子間シリコン過剰領域と空孔過剰領域と酸化誘起積層欠陥リング（Ｒ−ＯＳＦ）領域に分かれる。Ｒ−ＯＳＦ領域では、ＢＭＤ核となる空孔が、ＯＳＦ核として消費されるため、ＢＭＤ密度が低い。
したがって、ＢＭＤ密度が高い種結晶を得るためには、その母材には、空孔過剰領域または格子間シリコン過剰領域のシリコン単結晶を用いることが好ましい。

また、ＢＭＤ密度が高い種結晶の母材には、酸素濃度が高いシリコン単結晶を用いることが好ましい。前記酸素濃度は、１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることが好ましく、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることがより好ましい。
酸素濃度が低い場合、ＢＭＤの核が存在していても、酸素析出物や積層欠陥、すなわち、ＢＭＤ自体は形成されにくく、ＢＭＤを高密度で得ることが難しい。

なお、本発明においては、種結晶の形状は、特に限定されるものではなく、種結晶の原料シリコン融液との接触面の形状は、円形でも多角形でもよいが、引き上げられる単結晶の径方向における均質性を保持する観点から、中心軸に対して対称な形状であることが好ましい。
また、種結晶の断面積、すなわち、太さは、引き上げるシリコン単結晶の重量に応じて、温度、機械的強度等に基づいて算出することができる。
例えば、３００ｋｇのシリコン単結晶インゴットを引き上げる際には、種結晶の機械的強度は、６００℃において、約２０ｋｇ／ｍｍ²であり、用いるシリコン種結晶の断面積は１５ｍｍ²以上とすることが好ましい。

また、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法、上記のような本発明に係るシリコン種結晶を用いて、原料シリコン融液に前記種結晶を着液させ、ネック径５ｍｍ以上７ｍｍ以下、ネック長５０ｍｍ以下のネック部を形成した後、シリコン単結晶を引き上げることを特徴とするものである。
上記製造方法によれば、ＢＭＤ密度が高い種結晶を用いることにより、従来より太く短いネック部において、転位を消滅させることができ、無転位シリコン単結晶の生産性を向上させることができる。
したがって、このように太いネック部であれば、高重量の単結晶インゴットの荷重にも耐えられ、３００ｋｇ以上のシリコン単結晶インゴットであっても、落下の危険性を回避して、安全に引き上げることができ、複雑な単結晶保持機構を設けることなく、簡便に、高重量のシリコン単結晶インゴットの落下事故を防止することができる。

なお、上述した本発明に係るシリコン種結晶およびシリコン単結晶の製造方法は、通常のチョクラルスキー法に限定されるものではなく、シリコン単結晶の引上げ時に磁場を印加するＭＣＺ法（ＭａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＣＺｍｅｔｈｏｄ）においても、同様に適用することができることは言うまでもなく、本発明におけるチョクラルスキー法という用語には、ＭＣＺ法も含まれる。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
ＢＭＤ密度が５×１０⁹／ｃｍ³の種結晶を用いて、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げを行った。
高純度ポリシリコンを原料シリコン融液として用い、アルゴン（１００ｌ／ｍｉｎ）雰囲気中、３０Ｔｏｒｒの減圧状態で、引き上げるシリコン単結晶の回転速度を１５ｒｐｍ（時計回り）、原料シリコン融液が充填されたるつぼの回転速度を５ｒｐｍ（反時計回り）として、ネック径４ｍｍのネック部を育成した。
このネック開始位置の転位密度（初期転位密度）を測定したところ、１．２×１０⁴／ｃｍ²であった。
なお、転位密度の測定は、スライスした試料の選択エッチングにより生じたエッチピットをＸ線トポグラフにより観察し、計測することにより行った。

［比較例１］
ＢＭＤ密度が５×１０⁷／ｃｍ³の種結晶を用いて、実施例１と同様に、シリコン単結晶引上げを行い、ネック開始位置の転位密度（初期転位密度）を測定したところ、５×１０⁵／ｃｍ²であった。

実施例１および比較例１から、種結晶におけるＢＭＤ密度が高い方が、初期転位密度が低いことが認められた。

［実施例２］
ＢＭＤ密度がそれぞれ異なる種結晶を用い、ネック径７ｍｍ、ネック長５０ｍｍとして、実施例１と同様にして、ネック部を形成し、直径３００ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、重量３１０ｋｇのシリコン単結晶インゴットを引き上げ、また、ネック部における無転位化率を求めた。
ネック部において転位が消滅しているか否かは、選択エッチングを行ったネック部表面の外部観察により判定した。そして、同一条件で１０本のシリコン単結晶インゴットを引き上げ、そのうち、転位が消滅しているものの割合を無転位化率とした。
種結晶のＢＭＤ密度と無転位化率との関係を図１のグラフに示す。

図１のグラフに示したとおり、種結晶のＢＭＤ密度が高いほど、無転位化率は高く、ＢＭＤ密度１×１０⁹／ｃｍ³以上の場合は、無転位化率は９０％以上であった。
一方、種結晶のＢＭＤ密度が１×１０⁷／ｃｍ³以下の場合は、ネック部ではほとんど転位は除去されず、クラウン部にまで転位が伝播していた。

種結晶のＢＭＤ密度と無転位化率との関係を示したグラフである。単結晶引上げ装置におけるシリコン単結晶の育成を説明するための概略図である。

符号の説明

１種結晶
２ネック部
３クラウン部
４単結晶インゴット
５原料シリコン融液
６石英ルツボ
７ヒータ
８保温体
９チャンバ

Claims

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げにおいて用いられる種結晶であって、バルク微小欠陥密度が１×１０⁹／ｃｍ³以上であることを特徴とするシリコン種結晶。
空孔過剰領域または格子間シリコン過剰領域の結晶からなることを特徴とする請求項１記載のシリコン種結晶。
請求項１または請求項２記載のシリコン種結晶を用いて、原料シリコン融液に前記種結晶を着液させ、ネック径５ｍｍ以上７ｍｍ以下、ネック長５０ｍｍ以下のネック部を形成した後、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。