JP3726847B2 - シリコン単結晶の製造方法および種結晶 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（Czochralski Method＝ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造方法に関する。さらに、本発明は、この方法において使用される、低抵抗率の種結晶にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、引き上げられるシリコン単結晶の抵抗を制御するために、シリコン融液中のドーパント濃度を増大させないように、ノンドープまたは１０Ωｃｍ（通常抵抗）以上の抵抗率を有する単結晶シリコンを種結晶として用い、これをシリコン融液に接触させて回転させながら引上げることで結晶を成長させる。この場合、種結晶をシリコン融液に接触させる時に、高密度で発生する転位を消滅させるために種絞りを行い、次いで、所望の口径になるまで結晶を太らせて、シリコン単結晶を引上げている。
【０００３】
ところで、種絞りでは、種結晶を絞り込むテーパー状の絞り込み部と、円柱状の絞り部とからなる種絞り部分を形成する。
そして、種絞りにより無転位化をする際、絞り部の直径（絞り直径）をできるだけ細くするのがよく、通常その直径は約３ｍｍ以下、長さは３０ｍｍ〜２００ｍｍ程度にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、半導体デバイスの高集積化やその生産性の向上を図るために、その素材となるシリコン単結晶の大口径化、長尺化が要請されており、それに伴い製造すべきシリコン単結晶は高重量化する。シリコン単結晶の引上げにおいては、種絞り部分にシリコン単結晶の重量による引張応力や回転によるねじれ応力のすべてが作用するので、シリコン単結晶が高重量化するに伴って、種絞り部分の強度向上が要求される。種絞り部分の強度向上のためには、種結晶の下端から始まる種絞り部全体の直径を大きくすることが考えられるが、単に直径を大きくしただけでは、絞り込み部の強度は高くなっても、絞り部で無転位化しないために、結果としてシリコン単結晶の育成が不可能になるし、絞り部が有転位であるために、絞り部の強度が低くなってしまい、必ずしも種絞り部分の強度向上にはつながらない。
【０００５】
従って、従来の方法では、無転位化のために、絞り部の直径を約３ｍｍ以下にする必要があり、５ｍｍ以上にするのが不可能であるために、高重量のシリコン単結晶を引上げるのに十分な強度が得られず、所望の長さのシリコン単結晶を得るためには、せいぜい直径が約１５０ｍｍ（６インチサイズ）程度のシリコン単結晶を引上げるのが限界である。他方、直径が約２００ｍｍ（８インチサイズ）以上の大口径のシリコン単結晶を引上げるためには、引上げるシリコン単結晶の総重量の制限が必要となる結果、所望の長さに達しない短尺のシリコン単結晶しか引上げることができず、生産性、歩留りが著しく低下する。それでもなお、大口径のシリコン単結晶を所望の長さで引上げようとすると、種絞り部分に過大な応力がかかり、シリコン単結晶の引上げ中にこの部分が破断する可能性が高く、結果的にシリコン単結晶の落下という重大事故につながるという危険がある。
このような問題を解消するために、引上げるシリコン単結晶を機械的に保持する方法も考えられたが、シリコン単結晶を保持する時に結晶が多結晶化したり、このような方法において使用される機械は、複雑な装置のために過大なコストがかかったり、操作の煩雑化、あるいはこのような装置からの不純物の混入といった問題があり、実用化に至っていないのが現状である。
【０００６】
従って、本発明は上記の従来の問題に鑑みてなされたもので、種絞り部分の強度の向上ができ、大口径でかつ長尺で、高重量のシリコン単結晶を、複雑な装置を使用することなく、極めて簡単に引上げることができる、シリコン単結晶の製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、特に、エピタキシャルウエーハの製造等に用いられる低抵抗結晶の製造において有用である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、種々検討を重ねた結果、種結晶として、２．７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、１．４×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下（１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上を除く）のドーパント濃度を有する種結晶を使用すると共に、シリコン融液として、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下のドーパント濃度を有するシリコン融液を使用すると、種結晶をシリコン融液に接触させた時点で発生する高密度の転位は、種結晶中の高濃度のドーパントによって固着されて伝播しないために、絞り部の直径を５〜１０ｍｍφとかなり太くしても絞り部を無転位化させることができ、その結果、種絞り部分の強度向上が達成でき、大口径でかつ長尺で、高重量のシリコン単結晶の引上げが可能となることを見いだした。
【０００８】
従って、本発明は、種結晶をシリコン融液に接触させて引き上げながら、種絞りを行った後、シリコン単結晶を成長させるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、種結晶として、２．７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、１．４×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下（１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上を除く）のドーパント濃度を有する種結晶を使用し、シリコン融液として、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下のドーパント濃度を有するシリコン融液を使用することを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法、および、ドーパントがボロンであり、２．７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、１．４×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下（１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上を除く）のドーパント濃度を有する、チョクラルスキー法で用いられる種結晶を要旨とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例を用いて説明する。
【００１０】
【実施例】
テスト１〜７
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引上げにおいて、種結晶の抵抗率およびシリコン融液中のボロン濃度を種々変えて、種絞り後、結晶を太らせた段階で無転位化したかどうか調べた。結果を表１に示す。
【００１１】
【表１】

【００１２】
表１に示すように、テスト１および２では、種結晶として、１０Ωｃｍ（通常抵抗）の抵抗率を有する種結晶を用い、シリコン融液中のボロン濃度は、１．８×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ と低い濃度とした。テスト１（従来例）では、絞り部の直径を３ｍｍφ以下としたところ、ほぼ１００％近く無転位化したが、テスト２（比較例）では、絞り部の直径を５〜８ｍｍφとしたところ、ほとんど無転位化しなかった。
テスト３（比較例）は、シリコン融液中のボロン濃度のみ１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ と高くし、種結晶としては、１０Ωｃｍの抵抗率を有する種結晶を用い、絞り部の直径を５〜８ｍｍφとして行った。その結果、若干の向上はあるものの、無転位化率は１５％と低く、不十分であった。
テスト４（比較例）は、シリコン融液中のボロン濃度を１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ と高くし、種結晶としては、１Ωｃｍの抵抗率の種結晶を用い、絞り部の直径を５〜８ｍｍφとして行った。その結果、無転位化率はさらに向上したものの、３５％と低く、なお不十分であった。
【００１３】
テスト５〜７（本発明例）は、シリコン融液中のボロン濃度を１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ と高くし、種結晶としては、０．１、０．０１および０．００７Ωｃｍの低抵抗率の種結晶を用い、絞り部の直径を５〜８ｍｍφとして行った。その結果、無転位化率は８２、８６および９０％と十分に高く、このような高いボロン濃度のシリコン融液と、低抵抗率の種結晶を用いると、絞り部の直径を５〜８ｍｍφと太くしても、種結晶をシリコン融液に接触させた時点で発生する高密度の転位が種結晶中のボロンによって固着されて伝播されず、絞り部の無転位化を達成できることが確認できた。
【００１４】
なお、本発明において、シリコン融液中のドーパント濃度は、極端に高濃度にする必要はなく、所定の範囲内にあればよい。このことは、本発明においては、２．７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以上、１．４×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ 以下という高いドーパント濃度を有する種結晶を使用できること、また、チョクラルスキー法においては、シリコン融液中のドーパント濃度により、引上げるシリコン単結晶の抵抗率が決定されるが、本発明においては、引上げるシリコン単結晶の抵抗率を一定の範囲内で自由に調整できることを意味している。
なお、上記実施例では、ドーパントとしてボロンを用いたが、他のドーパント、例えば、砒素、アンチモン、リンなどでも同様な作用効果が得られることは言うまでもない。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、絞り部の直径が５〜８ｍｍφ程度とかなり太くても絞り部の無転位化を図ることができるために種絞り部分の強度を向上でき、その結果、引上げるシリコン単結晶の落下の危険なしに、８インチサイズ以上の大口径の、さらには今後要求される１２インチサイズ以上のシリコン単結晶を、所望の長さで引上げることができ、特に大口径のシリコン単結晶の生産性、歩留りを増大させることができる。

Claims (3)

1. 種結晶をシリコン融液に接触させて引き上げながら、種絞りを行った後、シリコン単結晶を成長させるチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であって、種結晶として、２．７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、１．４×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下（１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上を除く）のドーパント濃度を有する種結晶を使用し、シリコン融液として、２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、２×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下のドーパント濃度を有するシリコン融液を使用し、絞り直径を５〜８ｍｍφとする種絞りを行うことを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法。
2. ドーパントがボロンである、請求項１記載の方法。
3. ドーパントがボロンであり、２．７×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以上、１．４×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以下（１×１０ ^１９ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^３ 以上を除く）のドーパント濃度を有する、チョクラルスキー法で用いられる種結晶。