JP3927314B2 - シリコン種結晶およびシリコン単結晶の製造方法 - 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）による種結晶を使用してネッキングを行って、或はネッキングを行うことなくシリコン単結晶棒を成長させるシリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造においては、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た後、回転させながらゆっくりと引上げることで単結晶棒を成長させている。この際、種結晶をシリコン融液に接触させた後に、熱衝撃により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に、直径を３ｍｍ程度に一旦細くし絞り部を形成するいわゆる種絞り（ネッキング）を行い、次いで、所望の口径になるまで結晶を太らせて、無転位のシリコン単結晶を引上げている。このような、種絞りはＤａｓｈＮｅｃｋｉｎｇ法として広く知られており、ＣＺ法でシリコン単結晶棒を引上げる場合の常識とされている。
【０００３】
すなわち、従来用いられてきた種結晶の形状は、例えば直径あるいは一辺約８〜２０ｍｍの円柱状や角柱状の単結晶に種ホルダーにセットするための切り欠き部を設けたもので、最初にシリコン融液に接触する下方の先端形状は、平坦面となっている。そして、高重量の単結晶棒の重量に耐えて安全に引上げるためには、種結晶の太さは、素材の強度からして上記以下に細くすることは難しい。
【０００４】
このような形状の種結晶では、融液と接触する先端の熱容量が大きいために、種結晶が融液に接触した瞬間に結晶内に急激な温度差を生じ、スリップ転位を高密度に発生させる。従って、この転位を消去して単結晶を育成するために前記ネッキングが必要になるのである。
【０００５】
しかし、このような状態ではネッキング条件を種々に選択しても、無転位化するためには、最小直径を３〜５ｍｍまでは絞り込む必要があり、近年のシリコン単結晶径の大口径化に伴い、高重量化した単結晶棒を支持するには強度が不充分であり、単結晶棒引上げ中に、この細い絞り部が破断して単結晶棒が落下する等の重大な事故を生じる恐れがあった。
【０００６】
このような問題を解決するために、本出願人は先に特開平５−１３９８８０号、特願平８−８７１８７号のような発明を提案した。これらの発明は、種結晶の先端部の形状を楔形あるいは中空部を有する形状とし、種結晶がシリコン融液に接触する時に入るスリップ転位をできるだけ低減することによって、絞り部の直径を比較的太くしても無転位化を可能とし、もって絞り部の強度を向上させるものである。
【０００７】
この方法では、絞り部の太さを太くすることができるので、ある程度絞り部の強度の向上ができるけれども、ネッキングを行い、スリップ転位のある絞り部を形成することには変わりがなく、近年ますます大直径、長尺化し、例えば１５０Ｋｇ以上にもなる単結晶棒の引上げには、強度が不充分となる場合があり、根本的な解決にまで至っていない。
【０００８】
そこで、本出願人は強度上一番問題となるネッキングによる絞り部を形成することなく、結晶を単結晶化させる方法を開発し先に提案した（特願平９−１７６８７号）。この方法は、種結晶としてシリコン融液に接触させる先端部の形状が尖った形状、または尖った先端を切り取った形状とし、先ず、該種結晶の先端をシリコン融液に静かに接触させた後、種結晶を低速度で下降させることによって種結晶の先端部が所望の太さとなるまで溶融し、その後、種結晶をゆっくりと上昇させ、ネッキングを行うことなく、所望径のシリコン単結晶棒を育成させるというものである。
【０００９】
この方法によれば、最初に種結晶の先端をシリコン融液に接触させた時、接触面積が小さく、先端部の熱容量が小さいため、種結晶に熱衝撃又は急激な温度勾配が生じないので、スリップ転位が導入されない。そして、その後、種結晶を低速度で下降させて種結晶の先端部が所望の太さとなるまで溶融すれば、急激な温度勾配を生じないので溶融時にもスリップ転位が種結晶内に導入されることはない。そして、最後に種結晶をゆっくりと引上げれば、種結晶は所望の太さで、無転位であるから、ネッキングを行う必要はなく、強度も十分あるので、そのまま所望の径まで太らせてシリコン単結晶棒を育成させることができる。
【００１０】
以上述べたように、通常のネッキング種付け法においては、初期の転位密度を低減させる方法として、種結晶の融液上での保温や加温、種付け時の熱衝撃を低減させるような形状や、方法が開示されてきたが、ネックの太さに限界があり、大直径化、高重量化した単結晶棒には追随できなくなってきている上に、その無転位化成功率も必ずしも高くない。
そこで、上述した大直径化、高重量化にも耐えられる、ネッキングを行わない無転位種付け法が確立された。
【００１１】
しかしながら、この無転位種付け法で問題となるのは、その無転位化成功率である。すなわち、この方法では、一度種結晶に転位が導入されると、種結晶を交換しなければ、やり直しができないので、成功率を向上させることが特に重要である。そしてこの場合、無転位で種付けしても、種結晶のテーパー付き先端部をある所定長さ溶融後にシリコン融点近傍で放置しておいたり、あるいは、結晶成長を開始するまでに要する時間によってはスリップ転位が発生し、この転位が増加して行く現象がある。このような現象が発生する原因を調査、究明した所、種結晶の形状、湯（融液）面上での保温時間、溶かし込む速度、単結晶成長速度等従来から制御対象とされてきた要因だけでは必ずしも十分ではなく、成功率が必ずしも高くなく、十分な再現性は得られていなかった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ＣＺ法において、転位の入りにくい種結晶を提供し、これを用いることによってネッキングを行う種付け法またはネッキングを行わない無転位種付け法の場合に、無転位化成功率を低下させることなく、単結晶棒を成長させ、大直径、高重量の単結晶棒の生産性を向上させるシリコン単結晶の製造方法を提供することを主たる目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に記載した発明は、チョクラルスキー法で使用するシリコン単結晶を用いたシリコン種結晶において、種結晶中の酸素濃度が１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下であることを特徴とするシリコン種結晶である。
【００１４】
このように、シリコン種結晶中の酸素濃度を１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下にした種結晶を使用すると、例えば種結晶を融液に接触、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が発生することは殆どない。従って、ネッキングをするか否かにかかわらず無転位化成功率が向上し、無転位シリコン単結晶の生産性、歩留りの向上を図ることができる。
【００１５】
そしてこの場合、請求項２に記載したように、シリコン種結晶の形状が、先端部が尖った形状または尖った先端を切り取った形状であることが好ましい。
種結晶をこのような形状にすると、種結晶先端部の熱容量が極めて小さいため、種結晶を融液に接触させた際の熱衝撃が緩和され、スリップ転位の発生を低減することができ、酸素濃度が低く抑えられることとも相まって無転位化成功率を一層向上させることができる。
【００１６】
本発明の請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載したシリコン種結晶を用い、チョクラルスキー法により、前記種結晶の先端をシリコン融液に接触、融解させた後、ネッキングを行ってシリコン単結晶を成長させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
【００１７】
このように、ネッキングを行って単結晶成長を行うシリコン単結晶の製造方法において、例えば先端が尖った形状または尖った先端を切り取った形状をした種結晶の先端をシリコン融液に接触させ、種結晶を融液に溶かし込む操作を、所定の位置まで行い、次いで、ネッキングを行って転位を除去し、コーン部を形成した後、目標直径の単結晶を成長させれば、種結晶中の酸素濃度が１５ｐｐｍａ以下と低いので、種結晶の溶かし込み中に酸素が析出することがなく、析出酸素が核となって転位を発生することも殆どなくなり、絞りの太さを比較的太くしても無転位化することが可能となるので無転位化成功率が向上し、無転位シリコン単結晶の生産性と歩留りが向上する。
この場合、種結晶の形状は必ずしも先端が尖ったものを用いなければならないわけではなく、通常の先端が平坦面の種結晶を用いる場合でも、本発明のように低酸素の種結晶であれば、無転位化成功率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項４に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載したシリコン種結晶を用い、チョクラルスキー法により、前記種結晶の先端をシリコン融液に接触、融解させた後、ネッキングを行うことなくシリコン単結晶を成長させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
【００１９】
このように、ネッキングを行わない無転位種付け法で単結晶成長を行うシリコン単結晶の製造方法において、先端が尖った形状または尖った先端を切り取った形状をした種結晶の先端をシリコン融液に接触させ、種結晶を融液に溶かし込む操作を、所定の位置まで行い、次いで、ネッキングを行わないで直ちにコーン部を形成した後、目標直径の単結晶を成長させれば、種結晶中の酸素濃度が１５ｐｐｍａ以下と低いので、種結晶の溶かし込み中に酸素が析出することがなく、析出酸素が核となって転位を発生することも殆どない。従って、無転位化成功率が向上し、大直径化、高重量化したシリコン単結晶の成長が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、シリコン単結晶棒の成長に際し、太絞りに対応したネッキングを行う種付け法あるいはネッキングを行わない無転位種付け法において、その無転位化成功率が満足し得る水準に達しない場合があり、その原因を調査、究明した所、この転位の発生要因として、種結晶中の酸素濃度が深く関係していることを見出し、詳細に条件を詰めて本発明を完成させた。
【００２１】
先ず、従来から行われてきたネッキングを行なわない無転位種付け法について、種結晶中の酸素濃度の影響を調査し、実験を繰り返して下記のような無転位化条件を確立した。
（テスト１）
先ず、種結晶中の酸素濃度の異なる６種類［酸素濃度：＜１、５、１０、１５、２０、２５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）］のテストピースを準備した。酸素濃度が１ｐｐｍａ以下の種結晶は、ＦＺ法で製造した低酸素濃度の単結晶棒から切り出したものである。５〜２５ｐｐｍａのものは、ＣＺ法で製造した単結晶棒から選択した。 各酸素濃度の異なる１５ｍｍ角のシリコン単結晶棒の先端を頂角１８度で円錐状にテーパ加工し、フッ酸と硝酸の混合液により表面を約４００μｍエッチングしたものを使用して、直径１５０ｍｍの単結晶棒を成長させて無転位化の成功率を調査した。
【００２２】
上記種結晶を使用して種付けし、ネッキングを行わない無転位種付け法で単結晶を成長させた。先ず、種結晶をシリコン融液の湯面上５ｍｍの位置で３０分間保温した後、先端から直径７ｍｍの位置まで、溶かし込み速度を４ｍｍ／ｍｉｎとして溶かし込んだ後、ネッキングを行うことなく、直ちに単結晶成長速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎとして単結晶を引上げた。
【００２３】
このようにテスト１において作製された単結晶棒の成長における結晶の無転位化成功率を図２に示した。ここで、無転位化成功率（％）［ＤＦ化率ともいう］とは、試験引上げ本数に対する転位発生がなかった本数の割合を百分率で表した値である。本テストでの試験引上げ本数は２０本である。
【００２４】
図２から明らかなように、種結晶中の酸素濃度が１５ｐｐｍａまでは無転位化成功率は９５％と高かったが、２０ｐｐｍａ以上では急激に低下した。結晶成長後の種結晶を調べてみると、２０ｐｐｍａ以上の種結晶では、種結晶の内部に酸素の析出物が観察された。１５ｐｐｍａ以下の種結晶中には酸素析出物は観察されなかった。この酸素析出の現象は、引上げ機炉内での、単結晶をホルダに取り付けてから湯面上での種結晶の保温、さらには溶かし込み中の熱環境下で、種結晶中の酸素が析出したものと考えられる。そして酸素が析出したことで、種結晶の溶かし込み時に、析出部分を核にして、スリップ転位が発生し易くなったものと考えられる。
【００２５】
（テスト２）
テスト１と全く同様の６種類の種結晶を準備し、ネッキングを行う種付け法で単結晶を成長させた。
１５ｍｍ角のシリコン単結晶棒の先端を頂角１８度で円錐状にテーパ加工し、フッ酸と硝酸の混合液により表面を約４００μｍエッチングした種結晶を使用した。 先ず、シリコン融液の湯面上５ｍｍの位置で３０分間保温した後、先端から直径７ｍｍの位置まで、溶かし込み速度を４ｍｍ／ｍｉｎとして溶かし込んだ後、ネッキングを行い単結晶成長速度を１．０ｍｍ／ｍｉｎとして、直径１５０ｍｍの単結晶棒を成長させて無転位化の成功率を調査した。ネッキングの太さを直径４ｍｍ、直径６ｍｍの２水準とした。このテストにおいて作製された単結晶棒の成長における単結晶の無転位化成功率を表１に示した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
この表から種結晶中の酸素濃度および絞り部太さと絞り部の転位発生密度および無転位化成功率との間には次のような関係があることが明らかになった。
［１］種結晶中の酸素濃度が１５ｐｐｍａまでは、酸素が融液接触時の熱衝撃によるスリップ転位の発生を防止する作用をするが、１５ｐｐｍａを越えるようになると酸素が多くなり過ぎて析出し、この酸素析出物自体がスリップ転位の発生源になってしまう。
［２］種付け時のスリップ転位の発生が少なければ絞り部太さが直径６ｍｍと太絞りであってもＤＦ化率は比較的高く、大直径化、高重量化対策として実用性は充分にある。
【００２８】
このように、種結晶中の酸素濃度が、無転位化成功率に深く関わっており、これを適切な範囲内に制御すれば、結晶に転位が発生することは殆どなくなり、高い無転位化成功率を再現性よく維持することができると共に、特に大口径単結晶の成長に寄与するので、生産性、歩留り、コストダウンおよび品質の向上を図ることができる。
【００２９】
本発明のネッキングを行う種付け法あるいはネッキングを行わない無転位種付け法に使用される種結晶としては、従来から使用されてきた例えば、図１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示したような融液に接触させる先端部が、尖った形または尖った先端を切り取った形で、円錐または角錐形状であり、胴体が円柱または角柱形状のもの等が好ましい。但し、本発明でいう先端が尖った種結晶とは、これらに限定されるものではない。
【００３０】
また、種結晶の直胴部の太さは、特に限定されるものではないが、丸棒の場合は直径を１４ｍｍ以上とし、四角形の場合は１４ｍｍ角以上、多角形等の角棒の場合は種結晶断面に内接する円の直径が１４ｍｍ以上とすれば、ネッキングの直径を４ｍｍ以上と太くしても、種結晶と絞り部の間に十分なテーパ状の絞り込み部が形成されるので、スリップ転位が確実に除去されると共に、種結晶自体の強度も充分なので、大直径化、高重量化に十分対応することができる。
【００３１】
このような種結晶において、先端部の頂角は２８度以下が好ましく、これによって種付け時の熱応力が緩和され、スリップ転位の発生は非常に少なくあるいはなくなる。さらに溶かし込みの過程でも、緩やかな直径変化によってスリップ転位の増加は確実に抑制される。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３３】
例えば、本発明の実施形態では、直径１５０ｍｍ（６インチ）のシリコン単結晶棒を成長させているが、近年の２００ｍｍ（８インチ）〜４００ｍｍ（１６インチ）あるいはそれ以上の大直径化にも十分対応することができる。
【００３４】
また、本発明は、通常のチョクラルスキー法のみならず、シリコン単結晶の引上げ時に磁場を印加するＭＣＺ法(Magnetic field applied Czochralski crystal growth method)にも同様に適用できることは言うまでもなく、本明細書中で使用したチョクラルスキー法という用語には、通常のチョクラルスキー法だけでなく、ＭＣＺ法も含まれる。
【００３５】
また、本発明の種結晶の形状としては、先端が尖った形状のものを中心に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。低酸素濃度とすれば、スリップ転位の発生が抑制されることに変わりがないので、従来の先端が平坦な種結晶にも当然に適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶棒を引上げる際に、ネッキングを行う、行わないに関わらず、無転位化成功率を向上させることができ、その再現性もよく、長期安定化させることができる。従って、今後の単結晶棒の大直径化、長尺化、高重量化にも十分適応させることが可能であり、生産性、歩留りならびに製造コストを著しく改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する種結晶の形状の例を示す斜視図である。
（Ａ）円錐状種結晶、（Ｂ）角錐状種結晶、（Ｃ）尖った先端を水平に切り取った円錐状種結晶、（Ｄ）尖った先端を斜めに切り取った円錐状種結晶。
【図２】テスト１のネッキングを行わない単結晶成長における、種結晶中酸素濃度と無転位化成功率との関係を表したグラフである。

Claims (4)

1. チョクラルスキー法で使用するシリコン単結晶を用いたシリコン種結晶において、種結晶中の酸素濃度が１２ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下であ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形状が、先端部が尖った形状または尖った先端を切り取った形状であることを特徴とする請求項１に記載したシリコン種結晶。
3. 請求項１または請求項２に記載したシリコン種結晶を用い、チョクラルスキー法により、前記種結晶の先端をシリコン融液に接触、融解させた後、ネッキングを行ってシリコン単結晶を成長させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
4. 請求項１または請求項２に記載したシリコン種結晶を用い、チョクラルスキー法により、前記種結晶の先端をシリコン融液に接触、融解させた後、ネッキングを行うことなくシリコン単結晶を成長させ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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