JP3555081B2 - 単結晶棒及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、種結晶を溶融液中に浸漬し、再び引き上げるＣＺ−るつぼ引上法により、転位のない単結晶棒を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高純度の単結晶棒、特に単結晶シリコン棒を製造するために、チョクラルスキーによるるつぼ引上法（ＣＺ−Ｔｉｅｇｅｌｚｉｅｈｖｅｒｆａｈｒｅｎ）及びゾーン引上法が公知である。単結晶棒、特に半導体棒のチョクラルスキーによるるつぼ引上の場合に、一般に溶融液の製造のために予定された単結晶又は多結晶の半導体破片を溶融るつぼ中に装入する。次いで、るつぼ内容物が次第に溶融状態に移行するまで加熱によりるつぼ温度を上昇させる。最後に、溶融液に種結晶をつけ、一般に、るつぼ及び結晶を回転させながら溶融液から単結晶の結晶棒を引き上げる。
【０００３】
この結晶棒は種結晶、場合によりネッキング（Ｉｍｐｆｌｉｎｇｄｕｅｎｎｈａｌｓ）、円筒状の結晶棒への移行部である結晶円錐部及び結晶棒から構成される。チョクラルスキーによるるつぼ引上法は、例えばＷ． Ｚｕｌｅｈｎｅｒ ａｎｄ Ｄ． Ｈｕｂｅｒ， Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ−Ｇｒｏｗｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ， Ｃｒｙｓｔａｌｓ ８， Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ， Ｂｅｒｌｉｎ−Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ， １９８２及び、この時期に最も重要な適用分野、つまりシリコン単結晶のるつぼ引上を特に考慮に入れて、前記の刊行物に引用された文献に詳細に記載されている。
【０００４】
単結晶棒の製造の際に、円錐の始端部から円筒状の棒状部までの結晶円錐部の移行領域において頻繁に結晶の転位が生じ、この転位が結晶棒を使用不可能にしてしまう。特に、ドープされたシリコンの場合、特にＡｓ又はＳｂでドープされたシリコンの場合に、この結晶の転位が生じる。引き上げられた棒は溶融し直さなければならず、新たに費用のかかる引上を開始しなければならない。しかしながら、この引上の回数は例えば溶融るつぼの耐用時間により制限されるため、欠陥のない単結晶をより多く引き上げることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、欠陥のない単結晶棒並びにその製造方法を提供することであった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題は、主に結晶の円錐部及び円筒状の棒状部とを有するチョクラルスキーるつぼ引上法により得られた単結晶棒において、結晶円錐部が３０〜９０゜の開き角を有することを特徴とする単結晶棒により解決される。
【０００７】
特定の出発円錐部の場合に円錐領域並びに円筒状の棒状部での結晶の欠陥が生じないことが意外にも判明した。例えば、鋭角の長い円錐部を備えた（１００）−面方位を有するＡｓでドープされた及びＳｂでドープされた結晶棒が欠損なく得られた。特定の方法で結晶の円錐部を引き上げる場合（鋭角の円錐）、結晶の転位がもはや生じないことが判明した。このために必要な条件は、特に結晶の直径及び面方位に依存する。この結晶円錐部は有利に３０〜９０゜、特に有利に４０〜６０゜の開き角を有する。
【０００８】
結晶円錐部の長さ及び開き角は、例えば溶融るつぼ回転数及び／又は結晶回転数、溶融液の温度及び特に結晶引上速度を用いて変えることができる。
【０００９】
従って、前記の課題は、種結晶を溶融液中に浸漬し、再び引き上げるＣＺ−るつぼ引上法による転位のない単結晶棒の製造方法において、３０〜９０゜の開き角を有する結晶円錐部を引き上げることによっても解決される。
【００１０】
特に、高いドーピング材料量の場合、特にＡｓでドープされた及びＳｂでドープされた溶融材料の場合に、欠陥のない結晶棒を得るためには結晶の出発円錐部領域のために特別な引上基準値が必要であることが意外にも明らかになった。
【００１１】
本発明による方法のもう一つの実施態様において、まずネッキングを引き上げ、引き続き３０〜９０゜の開き角を有する結晶円錐部を引き上げる。
【００１２】
この場合、結晶の成長、特に円錐部の成長は結晶引上速度により及び溶融るつぼ回転数及び／又は結晶回転数により調節される。結晶引上速度は有利に０．５〜２ｍｍ／ｍｉｎ、特に有利に１〜１．５ｍｍ／ｍｉｎである。溶融るつぼ回転数は有利に０〜２０ｒｐｍ、特に有利に５〜１５ｒｐｍであり；結晶回転数は１０〜３０ｒｐｍ、特に有利に１５〜２０ｒｐｍである。
【００１３】
図１は、種結晶領域（１）、ネッキング領域（２）、扁平の短い結晶円錐部（３）及び円筒状の結晶棒（５）並びに結晶成長前線部（４）を有する、ＣＺ−るつぼ引上法により得られた従来の技術による結晶棒を示す。この種の扁平の円錐部は凹形の成長前線部を示す。円筒状の棒状領域へ移行する際に結晶成長前線部（４）の曲率の変化が観察される（図１参照）。硬化前線部の成長により、結晶内部でゼロ成長（Ｎｕｌｌｗａｃｈｓｔｕｍ）が生じる。それにより小さな転位ループ（Ｖｅｒｓｅｔｚｕｎｇｓｓｃｈｌｅｉｆｅｎ）を形成させる蓄積されたケイ素格子間原子が生じると推測される。他方で、結晶中心部ではドーピング物質の最高濃度が生じ、この濃度が格子応力を生じさせる。大きな結晶直径の場合、例えば１００〜４００ｍｍの直径の場合にこの転位ループと熱的応力との相互作用で転位が生じ、この転位は結晶中に伝播し、結晶を使用できなくしてしまう。
【００１４】
図２は、種結晶領域（１）、ネッキング領域（２）、鋭角の長い結晶円錐部（３）及び円筒状の結晶棒（５）並びに結晶成長前線部（４）を有する、本発明の方法により得られた本発明の結晶棒を示す。鋭角の長い結晶円錐部は、成長前線部の変化を起こさせない点で優れている。円錐部内では硬化前線部が円筒状の棒状部内と同様の曲率を有する（図２参照）。
【００１５】
本発明の結晶棒に関する利点は転位がないことの他に、所望の品質特性が既に円筒状の棒状部の始端で既に生じているために、半導体基板の製造のために結晶棒の全ての円筒状領域を使用することができることである。転位のない単結晶棒の本発明による製造方法は、特に（１００）面方位を有する高ドープされた結晶について適している。本発明による結晶棒は結晶円錐部の領域内でも並びに円筒状の棒状部の範囲内でも結晶転位を有していない。
【００１６】
転位のない単結晶棒の製造方法の実施のために、まず種結晶（１）を溶融液、有利にシリコン溶融液に浸漬させ、回転させながらゆっくりと引き上げる。場合により転位を避けるためにまずネッキング（２）を引き上げる。次いで円筒状の棒状部（５）への円錐状の移行部（３）を引き上げる。この棒状部から半導体基板が得られる。特に高ドープされた結晶の場合、結晶円錐部中で及び円筒状の棒状部への移行領域中で転位が生じ、この転位が結晶を使用できなくしてしまう。このような場合には単結晶の既に引き上げた部分を溶融し直し、温度を安定化させかつ種結晶を浸漬させることで新たに引上を開始する。この新たな引上は著しく時間がかかる。この場合特に石英ガラスるつぼは石英粒子が剥離する程度に著しく酷使され、この石英粒子はまた結晶転位を引き起こす。従って、引上を重ねるごとに使用可能なシリコン棒を引き上げることができる確率は低下する。通常の扁平な、短い結晶円錐部の代わりに、鋭角で長い結晶円錐部を引き上げる場合、円錐部領域でも並びに円筒状棒状部内でも転位は生じない。
【００１７】
【実施例】
次の例において、９０゜以下の開き角を有する鋭角の円錐部を備えた結晶棒を引き上げた。結晶引上速度＞１ｍｍ／ｍｉｎ、結晶回転数１５ｒｐｍ以下、るつぼ回転数２０ｒｐｍ以下及び適切なヒーター出力を使用した。ヒ素でドープするかもしくはアンチモンでドープした（１００）面方位の結晶の比抵抗は５ｍＯｈｍｃｍ以下もしくは２５ｍＯｈｍｃｍ以下であった。
【００１８】
【表１】

【００１９】
次の表には、統計的評価について、低オームのヒ素プロセスの例に関する引上回数の低下が示されている。この場合、引上のために必要な全時間を作成時間（ＡＺ）として表した。統計的評価により、鋭角円錐部の適用により作成時間の明らかな減少が示された。
【００２０】
【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術により得られた、扁平の短い結晶円錐部を備えた結晶棒の略図
【図２】本発明により得られた、鋭角の長い結晶円錐部を備えた結晶棒の略図
【符号の説明】
１ 種結晶、 ２ ネッキング、 ３ 円錐部、 ４ 結晶成長前線部、 ５
結晶棒

Claims (3)

1. 主に円錐部と円筒状の単結晶棒とを有するチョクラルスキーるつぼ引上法により得られた、ヒ素又はアンチモンでドープされていて、かつヒ素の場合に５ｍΩｃｍより低い比抵抗もしくはアンチモンの場合に２５ｍΩｃｍより低い比抵抗を示すシリコンからなる単結晶棒において、結晶円錐部が４０〜６０゜の開き角を有することを特徴とする単結晶棒。
2. 種結晶を溶融液中に浸漬し、再び引き上げるチョクラルスキーるつぼ引上法により、ヒ素又はアンチモンでドープされていて、かつヒ素の場合に５ｍΩｃｍより低い比抵抗もしくはアンチモンの場合に２５ｍΩｃｍより低い比抵抗を示すシリコンからなる転位のない単結晶棒の製造方法において、４０〜６０゜の開き角を有する円錐部を備えた結晶棒を引き上げることを特徴とする、転位のない単結晶棒の製造方法。
3. 結晶円錐部の開き角を、溶融るつぼ回転数及び／又は結晶回転数、溶融液の温度及び結晶引上速度により調節する、請求項２記載の方法。

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