JP2008297167A - シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するに際して、結晶中に異常成長を生じさせずに、安定してN型高ドープの単結晶を製造することのできるシリコン単結晶の製造方法を提供すること。
【解決手段】N型ドーパントを添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、前記シリコン融液中のドーパント濃度をC(atoms/cm3)、育成結晶側の平均温度勾配をGave(K/mm)、引き上げ速度をV(mm/min)、ドーパントの種類に応じた係数をAとしたときに、下記式(1)の関係を満たすように結晶を育成する。臨界ラインG1の左側の領域となるようにシリコン単結晶を育成することにより、組成的過冷却現象に起因する異常成長が発生することを防止できる。
【数1】
【選択図】図1
Description
しかしながら、このようにN型ドーパントを高濃度に添加してチョクラルスキー法によりインゴットの引き上げを行った場合、ドーパントを大量に入れることによる凝固点降下度が非常に大きくなり、組成的過冷却現象が生じてしまう。
ここで、GaAs、InP等の化合物半導体分野においては、この組成的過冷却について検討し、半導体融液側の温度勾配と引き上げ速度の関係から、組成的過冷却の発生条件を規定したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、前記特許文献1に記載の技術では、シリコン融液の液面近傍の温度勾配を知る必要があるが、実際に測定することはできない。さらに、シミュレーションにより直接シリコン融液側の温度勾配を直接調べることは可能だが、基準点がばらついてしまい、信頼性の高いデータが得られない。
ドーパント濃度を変更し、種々の引き上げ条件でシリコン単結晶を育成し異常成長の発生の有無を確認し、得られた結果について、シリコン融液中のドーパント濃度(メルト濃度)C(atoms/cm3)を横軸に、平均温度勾配Gave(K/mm)及び引き上げ速度V(mm/min)の比を縦軸に取り、散布図を作成したところ、散布図中の一定領域では異常成長が発生しないという知見が得られ、本発明は、この知見に基づいて案出されたものである。
N型ドーパントを添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、
前記シリコン融液中のドーパント濃度をC(atoms/cm3)、育成結晶側の平均温度勾配をGave(K/mm)、引き上げ速度をV(mm/min)、ドーパントの種類に応じた係数をAとしたときに、下記式(1)の関係を満たすように結晶を育成することを特徴とする。
「Prediction of solid‐liquid interface shape during CZ Si crystal growth using experimental and global simulation」
(Journal of Crystal Growth, Volume 266, Issues 1-3, 15 May 2004, Pages 28-33 Yutaka Shiraishi, Susumu Maeda and Kozo Nakamura)
に定義されている。
そこで、固液界面の影響を受けない育成結晶の高さ位置での平均温度勾配Gave(K/mm)に着目し、実験を重ねたところ、結晶半径R(mm)の1/2の結晶側の高さ位置では、固液界面の影響を受けないことが確認され、具体的には、以下のように平均温度勾配Gave(K/mm)を定義することとした。
具体的には、Gave(K/mm)は、結晶半径をR(mm)、半径方向の結晶位置をr(mm)、結晶位置r(mm)での結晶軸方向の温度差をG(r)(K)としたときに、次の式(2)で定義される。
これらの制御因子により、現状のGave(K/mm)の実用範囲は1.8〜4.5(K/mm)とされ、生産性の観点から引き上げ速度は0.2(mm/min)が下限値、安定的な結晶を育成できる最高の引き上げ速度は1.3(mm/min)が上限値となる。
従って、Gave/Vは、1.3<Gave/V<23の範囲で制御することができる。
また、高ドープ半導体基板の抵抗率の要望から、例えば砒素(As)をドーパントとした場合のシリコン融液中のドーパント濃度の範囲は、5.67×1020〜2.11×1020(atoms/cm3)[6mΩ・cm〜1.5mΩ・cm]が上限、下限とされ、リン(P)をドーパントとした場合のシリコン融液中のドーパント濃度の範囲は、9.9×1019〜3.12×1020(atoms/cm3)[2mΩ・cm〜0.7mΩ・cm]の範囲が上限、下限とされ、これらのドーパント濃度の範囲による制御も可能である。
まず、ステファン条件を前提条件とした場合、結晶側の熱伝導率をKS、シリコン融液側の熱伝導率をKL、結晶側の温度勾配をGS、シリコン融液側の温度勾配をGL、シリコンの潜熱をH、引き上げ速度をVとすると、次の式(3)の関係がある。
従って、予め、引き上げ速度、シミュレーションで求めた平均温度勾配Gave、及びシリコン融液中のドーパント濃度Cから、N型ドーパントの種類に応じた係数Aを求めておき、実際にシリコン単結晶を育成する際に、上記式(8)の異常成長の発生領域に入らないような引き上げ条件で結晶を育成すれば、組成的過冷却現象に起因する異常成長が発生することを防止することができる。
以上のことより、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法では、上記式(1)の関係を満たすように結晶を育成することにより、異常成長を防止できることが判る。尚、詳しくは後述するが、式(1)における縦軸との切片の値は、種々のドーパント濃度でシリコン単結晶を育成し、実際に散布図を作成して求めた値である。
この係数Aの値は、前述と同様に詳しくは後述するが、種々のドーパント濃度でシリコン単結晶を育成し、散布図を作成して求めた値である。リン、アンチモンについても同様に種々のドーパント濃度でシリコン単結晶を育成し、散布図を作成すれば求めることができる。
N型ドーパントを添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、
前記シリコン融液中のドーパント濃度をC(atoms/cm3)、育成結晶側の平均温度勾配をGave(K/mm)、引き上げ速度をV(mm/min)、ドーパントの種類に応じた係数をAとしたときに、上記式(1)の関係を満たすように結晶を育成することにより得られたことを特徴とする。
以上において、好適なN型ドーパントとしては、例えば、リン(P)、アンチモン(Sb)、砒素(As)を採用することができるが、砒素(As)の場合には、式(1)における係数Aを2.85×10−19とするのが好ましく、リンの場合には、係数Aをで2.00×10−19とするのが好ましい。
これらの発明によれば、前述した作用及び効果と同様の作用及び効果を享受できる。
[実施例1]
N型ドーパントである砒素(As)を添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するに際し、砒素の添加量を変更して複数のN型高ドープの単結晶を製造した。それぞれの場合の砒素の添加量、引き上げ条件を表1及び表2に示す。
横軸にシリコン融液中の砒素の濃度(メルト濃度)C(atoms/cm3)を取り、縦軸に結晶側の平均温度勾配Gave(K/mm)及び引き上げ速度V(mm/min)の比Gave/V(Kmin/mm2)を取り、表1及び表2の各条件について散布図を作成したところ、図1に示されるように、領域A1の部分で異常成長が発生しており、臨界ラインG1を境にその右側の領域では異常成長が発生し、左側の領域では、異常成長が発生しないことが確認された。
このとき、臨界ラインG1を表す式を求めたところ、次の式(9)が得られた。
N型ドーパントであるリン(P)を添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成するに際し、リンの添加量は同じにしているが、引き上げ中のリンの蒸発現象を利用し、引き上げ結晶後半の濃度を変化させ、複数のN型高ドープの単結晶を製造した。
それぞれの場合のリンの添加量、引き上げ条件を表3及び表4に示す。
実施例1と同様に、横軸にシリコン融液中のリンの濃度(メルト濃度)C(atoms/cm3)を取り、縦軸に結晶側の平均温度勾配Gave(K/mm)及び引き上げ速度V(mm/min)の比Gave/V(Kmin/mm2)を取り、表3及び表4の各条件について散布図を作成したところ、図2に示されるように、領域A2の部分で異常成長が発生しており、臨界ラインG2を境にその右側の領域では異常成長が発生し、左側の領域では、異常成長が発生しないことが確認された。
このとき、臨界ラインG2を表す式を求めたところ、次の式(11)が得られた。
また、式(1)における係数Aは、N型ドーパントの種類に応じて決定され、縦軸の切片は「−43」であることが確認された。
アンチモン(Sb)についても、前述した実施例1及び実施例2と同様の方法で係数Aを求めることができる。
そして、上記の実施例1及び実施例2の手順で育成されたシリコン単結晶をワイヤーソー等で切断することにより、本発明に係るシリコン単結晶基板を得ることができる。
Claims (6)
- 請求項1に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記N型ドーパントは砒素であり、係数Aが2.85×10−19であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 請求項1に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
前記N型ドーパントはリンであり、係数Aがで2.00×10−19あることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 請求項4に記載のシリコン単結晶基板において、
前記N型ドーパントは砒素であり、係数Aが2.85×10−19であることを特徴とするシリコン単結晶基板。 - 請求項4に記載のシリコン単結晶基板において、
前記N型ドーパントはリンであり、係数Aがで2.00×10−19あることを特徴とするシリコン単結晶基板。
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