JP5056122B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）により結晶軸方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶を製造する方法に関する。

ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際、シリコン種結晶をシリコン溶融液と接触させるときのヒートショックによりシリコン種結晶内に転位が発生するが、従来から多用されている結晶軸方位が［１００］のシリコン単結晶では、ネッキングプロセスによって前記発生した転位を消滅させることができる。

しかし、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶は、結晶構造上、引き上げ軸方向と平行なすべり面である｛１１１｝面を有しているので、シリコン溶融液との接触により発生した転位は、ネッキングプロセスではシリコン種結晶外に抜けにくい。そのため、ネック部を通じて転位が成長結晶に引き継がれてしまい、無転位のシリコン単結晶の育成ができないという問題がある。

加えて、シリコン単結晶インゴットの大口径・大重量化に伴い、ネック径を太くする必要があり、この観点からも転位除去が一層難しくなってきている。

ＣＺ法により育成されるシリコン単結晶の無転位化については、従来、様々な技術が開発され、提案されている。その中で、特に、シリコン単結晶の大口径・大重量化に対処するために、特許文献１では、２．７×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上、１．４×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下（１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上を除く）のボロン濃度を有するシリコン種結晶を使用し、シリコン融液として同じく高濃度のボロンを添加した融液を使用し、ネック部の直径を５〜８ｍｍとするＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法が開示されている。

これによって、シリコン種結晶をシリコン融液に接触させた時点で発生する転位は、シリコン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ので、ネック部の直径を太くしてもネック部を無転位化させることができ、その結果、ネック部の強度を向上させ、大口径でかつ大重量のシリコン単結晶の引き上げが可能となるとしている。

また、特許文献２には、ホウ素濃度が５×１０¹⁹〜６×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲にあるシリコン種結晶を用いてシリコン単結晶を引き上げる方法が記載されている。高濃度のホウ素により、シリコン種結晶の溶融液への着液時に生じた転位がシリコン種結晶の上部方向に伝播するのに要する応力レベルを一般的なホウ素濃度の場合よりも高くして転位の伝播を阻止できるので、転位が導入された部分を溶融液に溶かし込めば、転位導入部分を除去することができ、転位のないシリコン種結晶を基にした単結晶の引き上げが可能となるとしている。

さらに、特許文献３では、ホウ素を１×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上含有するシリコン種結晶を用いるシリコン単結晶の製造方法が開示されており、これにより、シリコン種結晶の降伏強度を、シリコン種結晶とシリコン融液とが接触した瞬間に作用する熱応力以上に高め、シリコン種結晶に発生する転位を少なくできることが示されている。

これら特許文献１〜３に記載される方法は、いずれもシリコン種結晶への高濃度のボロン添加により、転位の伝播ないしは転位の生成を阻止してシリコン種結晶を無転位化または転位の伝播を阻止し、この種結晶面上から無転位の単結晶を成長させる方法である。

しかしながら、高濃度のボロンをドープしたシリコン種結晶を用いて、直径が３００ｍｍで、結晶軸方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶の育成を試みたところ、無転位のシリコン単結晶を、必ずしも歩留りよく、安定して（落下ないしはその虞なしに）引き上げることはできなかった。

一方、特許文献４には、ヒ素またはアンチモンでドープされていて、４０〜６０°の開き角を有する結晶円錐部（ネック部から円筒状の結晶への移行部を指す）を備えたシリコン単結晶の製造方法が記載されている。しかし、この方法で得られるのは、（１００）面方位を有する無転位の単結晶であり、また、開き角は広いとは言えず、前記円錐部の形成に長時間を要し、生産性が低いという難点がある。

特許第３７２６８４７号 特開平９−２４９４９２号公報 特開平４−１３９０９２号公報 特許第３５５５０８１号

本発明は、前述の問題を解決し、結晶軸方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶を、歩留りよく、かつ育成中の単結晶の落下ないしはその虞なしに安定して育成す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目的としている。

本発明者は、上記の課題を解決するために検討を重ねる過程で、結晶軸方位が［１１０］の結晶引き上げの際には、以下に述べるように、ネック部で無転位化した後の肩部の形成が重要であることを知見した。

肩部の育成を繰り返し行った結果、ボロン濃度が一般的なレベル（１×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度）のシリコン種結晶を使用したときは、結晶引き上げ長さに対する拡径（直径の拡大）の割合が３（後述する円錐部の開き角で、１１２°）を超える場合に有転位化することが多いが、シリコン種結晶中のボロン濃度を高めると、無転位の状態を維持できる前記結晶引き上げ長さに対する拡径の割合（円錐部の開き角）を大きくすることが可能となる。これにより、肩部の育成に要する時間を短縮し、直胴部を長くできるので、生産性の向上に大きく寄与することができる。

図１は、結晶軸方位が［１１０］で胴部直径が３００ｍｍの単結晶を引き上げる際の、引き上げ長さと結晶の直径との関係を例示する図である。横軸はネック部下端からの結晶引き上げ長さであり、縦軸は引き上げられた結晶の直径（円錐部における直径）である。なお、この例は、シリコン種結晶のボロン濃度を２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とした場合である。

図１において、（ａ）は、結晶引き上げ長さに対する拡径の割合を３．８（肩部を形成する円錐部の開き角で、１２５°）とした場合であるが、この条件で引き上げた場合は、肩部育成中に有転位化が生じた。一方、（ｂ）は、前記拡径の割合を１．６（同じく、７７°）とした場合で、有転位化させずに肩部を形成することができた。

本発明は上記の知見に基づきなされたもので、その要旨は、下記のシリコン単結晶の製造方法にある。

すなわち、ＣＺ法によるによるシリコン単結晶の育成方法であって、ボロン濃度が２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるシリコン種結晶を用い、育成時におけるネック部の直径を５〜１０ｍｍとし、ネック部終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）を１１２°を超え１２０°以下として肩部を形成し、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。

ここでいう、「円錐部の開き角（θ）」とは、図２に示すように、シリコン種結晶の下端面に形成されたネック部１の終端から肩部２にかけて形成される円錐部３の母線４が引き上げ軸方向（図２中に破線Ｃで表示）に対してなす角（θ／２）の２倍である。すなわち、前記円錐部の母線が引き上げ軸に対してなす角（θ／２）、およびこの角（θ／２）と引き上げ軸方向に対して線対称にある角（θ／２）とを合わせた両角（θ）を意味する。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、結晶軸方位が［１１０］の、しかも直径３００ｍｍ以上の大口径・大重量の、無転位のシリコン単結晶を、引き上げ中における単結晶の落下等の虞がなく、安定して育成することができる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成するに際し、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成すること、ボロン濃度が１．７×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるシリコン種結晶を用いること、および、ネック部終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）を１２０〜５０°として肩部を形成すること、を特徴とする方法である。

結晶方位［１１０］のシリコン単結晶を育成の対象とするのは、前述のように、この単結晶は引き上げ軸方向と平行なすべり面である｛１１１｝面を有しているので、シリコン溶融液との接触により発生した転位は、ネッキングプロセスではシリコン種結晶外に抜けにくく、無転位のシリコン単結晶を安定して育成することができないからである。

ボロン濃度が１．７×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上である種結晶を用いることとするのは、シリコン種結晶とシリコン溶融液との接触時に発生する転位をシリコン種結晶中の高濃度のボロンによって固着し、転位の伝播を阻止してネック部を無転位化するためである。

ボロン濃度の上限は特に定めない。一般に、シリコン種結晶とシリコン溶融液のボロン濃度が異なると、格子定数の違いにより、種結晶とシリコン溶融液との接触時にシリコン種結晶内にミスフィット転位が発生し易いという問題があるため、シリコン溶融液として、シリコン種結晶のボロン濃度と略同一濃度のボロンが添加された溶融液が用いられる。この溶融液から育成されるシリコン単結晶のボロン濃度は、溶融液のボロン濃度に応じて一定の濃度になり、かつシリコン単結晶の抵抗率が定まり、ボロン濃度が高いほど抵抗率が小さくなる。抵抗率の下限はシリコン単結晶において必要とされる性能によって定まり、したがって、ボロン濃度の上限は自ずと定まるからである。

前記ネック部の終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）を１２０〜５０°とするのは、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成するに際し、有転位化を抑えるためである。結晶引き上げ長さに対する拡径の割合が大きすぎ、前記開き角が１２０°を超えると、肩部に生じる熱応力が大きくなりすぎ、シリコンの降伏応力よりも大きい熱応力が発生して有転位化すると考えられる。

一方、開き角が５０°未満の場合は、肩部育成に要する時間が長くなりすぎ、シリコン単結晶の生産性が低下する。

前記円錐部の開き角は、１１５〜６０°の範囲とするのが望ましい。円錐部の開き角（θ）の広がりを若干狭めて有転位化しにくくするとともに、下限を若干広げて生産性を高めるためである。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、育成時におけるネック部の直径を５〜１０ｍｍとすれば、単結晶引き上げ中における落下等の虞がなく、安定した引き上げが可能となる。通常、胴部直径が３００ｍｍのシリコン単結晶の引き上げで採用されているネック部直径は５〜６ｍｍ程度であり、この直径よりも上限側に余裕を持たせることができ、可能な限り太くし得るからである。なお、ネック部直径をどの程度に設定するかについては、前述のシリコン種結晶中のボロン濃度や、肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）を勘案して適宜定めればよい。

本発明のシリコン単結晶の育成方法は、胴部の直径が３００ｍｍ以上の大口径の単結晶の育成に適用するのが望ましい。直径がこれより小さい、例えば２００ｍｍ以下の小径品であれば、吊下げ荷重が小さく、ネック部の直径を５ｍｍよりも細くでき、無転位単結晶の育成が容易なので、本発明の育成方法を適用する必要性が小さいからである。

以上述べたように、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成するに際し、高濃度ボロンをドープしたシリコン種結晶を使用し、かつ、ネック部の終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角を所定の範囲に定めて肩部を形成することを特徴とする方法である。このように、シリコン種結晶のボロン濃度の規定に加え、引き上げ初期の肩部形成時の円錐部開き角を適正に規定することにより、結晶軸方位が［１１０］の無転位のシリコン単結晶の製造が可能となる。

なお、この方法によれば、シリコン種結晶に１．７×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上（抵抗率で０．００７Ω・ｃｍ以下）のボロンがドープされているので、それに合わせてシリコン溶融液のボロン濃度を適切に調整することにより、高抵抗率のシリコン単結晶を製造することができる。電源コントロールなどの用途に用いられているパワー半導体デバイス用の基板として、エピタキシャルウェーハが主に利用されており、そのために、低消費電力化が可能な低抵抗シリコンウェーハが採用されているが、本発明の方法により製造されるシリコン単結晶は、そのような分野での利用が期待できる。

直径３００ｍｍ、結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を、直胴部の目標長さを１５００ｍｍとし、使用するシリコン種結晶のボロン濃度、および結晶引上げ時に肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）を変更して育成し、得られた単結晶について、有転位化の有無を調査した。なお、シリコン溶融液のボロン濃度は、前記シリコン溶融液のボロン濃度で育成される単結晶に形成されるネック部のボロン濃度をボロンの偏析係数から想定し、このネック部のボロン濃度が引き上げに用いたシリコン種結晶のボロン濃度と同一濃度となるように定めた。また、シリコン単結晶の引き上げ本数は、各条件とも３本とした。

調査結果を表１に示す。表１において、３本全てのシリコン単結晶を無転位で育成できた場合を○とし、一部のシリコン単結晶が有転位化した場合を△とし、全ての単結晶が有転位化した場合を×として評価した。

有転位化の有無は、引き上げられた単結晶の軸方向に沿って形成される晶癖線の有無により判断し、無転位と判定された場合は、さらに、引き上げ後のシリコン単結晶のミドル部を結晶長さ方向に対して垂直に切断し、当該切断表面をＨＦ：ＨＮＯ₃＝１：５の混合液でミラーエッチしサンプルの表面を鏡面にした後、ライト液を用いてライトエッチする。このようにしてエッチングしたサンプルを集光灯による光照射の下で目視による表面観察を行い、転位の有無を確認した。

表１の試験Ｎｏ．１〜７は、ボロン濃度を本発明の規定範囲内で一定（２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）としたシリコン種結晶を用い、円錐部の開き角を変更して肩部を形成し、シリコン単結晶の育成を行った場合であるが、開き角を本発明の規定範囲内に維持した試験Ｎｏ．３〜６では、３本全ての単結晶を無転位で育成できた。なお、試験Ｎｏ．７では、無転位の単結晶を育成できたが、開き角が小さく肩部の形成に時間がかかり、生産性の点で問題があった。

試験Ｎｏ．８〜１５は、円錐部の開き角を本発明の規定範囲内で一定（目標１１５°）として肩部を形成し、シリコン種結晶のボロン濃度を変更してシリコン単結晶の育成を行った場合であるが、ボロン濃度を本発明の規定範囲内とした試験Ｎｏ．１１〜１５では、無転位の単結晶を育成できた。その場合、ネック部の直径を１０ｍｍとしても（試験Ｎｏ．１３）、高濃度のボロンの添加の作用効果により転位の伝播を阻止してネック部で無転位化することが可能であり、安定した結晶育成ができることを確認した。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、高濃度のボロンがドープされたシリコン種結晶を用い、かつ肩部形成の際の円錐部の開き角を所定範囲に維持して結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成する方法であり、これによって、直径３００ｍｍ以上の大口径・大重量の、無転位のシリコン単結晶を、引き上げ中における単結晶の落下等を危惧することなく、安定して育成することができる。

したがって、本発明の方法は、半導体材料としてのシリコン単結晶の製造に好適に利用することができる。

結晶軸方位が［１１０］で胴部直径が３００ｍｍの単結晶を引き上げる際の、引き上げ長さと結晶の直径との関係を例示する図である。 ネック部終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角（θ）の説明図である。

符号の説明

１：ネック部
２：肩部
３：円錐部
４：母線

Claims (1)

1. チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の育成方法であって、ボロン濃度が２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であるシリコン種結晶を用い、育成時におけるネック部の直径を５〜１０ｍｍとし、ネック部終端から肩部にかけて形成される円錐部の開き角を１１２°を超え１２０°以下として肩部を形成し、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶を育成す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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