JP5070916B2 - シリコン単結晶およびシリコンウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と記す）によって製造された結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶およびシリコンウェーハに関する。

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］のシリコン単結晶では、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。

すなわち、直径３００ｍｍのシリコン単結晶引き上げを例にとると、シリコン種結晶そのものの耐荷重が大きくなるように直径１０ｍｍ以上のシリコン種結晶を使用して、直径４ｍｍ〜６ｍｍ程度のネック部となるようにネック径を減径していた。しかしながら、直径の大きなシリコン種結晶を使用すると、種結晶の中心部と外周部との温度分布の均一化が難しく、温度のバラツキを生じて転位が発生しやすい。また、シリコン溶融液との接触面積が大きくなることによってもシリコン種結晶内での転位発生量が増加する。

一方、シリコン単結晶を半導体材料として使用するためには、所定の抵抗率のｐ型またはｎ型の単結晶とする必要があり、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、一般に、シリコン溶融液にあらかじめ電気抵抗率を調整するためのドーパントを添加する。このとき、ボロンなどのドーパントが高濃度に添加された抵抗率が１００ｍΩｃｍ以下のｐ型低抵抗シリコン単結晶等の育成にあっては、シリコン種結晶とシリコン溶融液のドーパント濃度が異なると、格子定数の違いにより、種結晶と溶融液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。

この問題については、例えば、特許文献１では、シリコン溶融液中のボロン濃度と同レベルのボロン濃度を有するシリコン種結晶を使用して格子定数の違いによる転位発生を回避する技術が提案されている。

また、特許文献２には、シリコン種結晶として無転位単結晶を用い、種結晶と成長結晶との間のボロン濃度の差を所定値以下とする無転位シリコン単結晶の製造方法が記載されている。

しかし、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶の育成においては、この単結晶が前述のように引き上げ軸方向と同方向のすべり面（｛１１１｝面）を有していることから、転位除去効果は十分ではなく、育成されたシリコン単結晶が多結晶化してしまう問題がある。

先にも述べたように、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り転位を消滅させることができるので、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶の育成に比べて、高歩留まりで無転位のシリコン単結晶を製造することができる。ただし、発生した転位のネッキングプロセスでの除去が十分でなく、結晶内に転位が残存する場合には、互いに交差するすべり面に載った転位同士が複雑に絡み合う、一般に転位の相互作用と称される現象により、結晶全体が多結晶化するので、前記プロセスで転位を完全に除去しておくことが肝要である。

一方、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶が多結晶化してしまう原因は、転位が引き上げ軸方向と同方向のすべり面に載っているために、結晶成長に伴って転位はまっすぐ下方に伸びて、このすべり面に載って発生した転位が結晶育成中に径方向に増殖され、結晶全体が多結晶化してしまうものと推測される。

特開平９−２５５４９０号公報 特開２００１−２４０４９３号公報

本発明は、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶においては、シリコン種結晶とシリコン溶融液との接触により発生した転位が抜けにくく、単結晶全体が多結晶化してしまうという前述の問題を解決して、製品デバイス領域として使用できる［１１０］のシリコン単結晶およびシリコンウェーハの提供を目的とするものである。

本発明者は、上記の課題を解決するために、シリコン単結晶の引き上げ実験を行って検討を重ねた。その結果、結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶育成では、ネッキングプロセスで完全に無転位化できずに単結晶内に転位が発生していても、転位が単結晶の径方向に増殖せずに、シリコン単結晶が多結晶化しない場合があることが判明した。

すなわち、前述したように、結晶軸方位が［１１０］結晶では転位がすべり面に載っているので、結晶成長に伴って転位はまっすぐ下方に伸び、転位同士の相互作用が生じていないことから、転位の発生箇所は育成した単結晶の中心部付近に限定される。

シリコンに限らず、一般的に、結晶に作用する熱応力が大きければ転位が増殖しやすく、熱応力が小さければ転位の増殖は抑制される。このため、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成においては、結晶成長速度を遅くしたり、育成中のシリコン単結晶への冷却を小さくするように装置内の断熱材の構造を調整することで、育成中のシリコン単結晶に作用する熱応力を小さくすることができ、径方向への転位の増殖を抑制することが可能となる。

本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、本発明のシリコン単結晶は、結晶軸方位が［１１０］であるシリコン単結晶であって、シリコン単結晶の結晶長さ方向に、かつ結晶の中心部に転位が存在し、結晶中心部以外の部分に転位が存在せず、結晶中心部がシリコン単結晶の中心軸を中心とし、シリコン単結晶の直径の２０％以下を直径とする円柱状の領域であり、シリコン単結晶を結晶長さ方向に対して垂直に切断し、当該切断表面をエッチングしてその表面を観察した場合に、結晶中心部に２０個以下のピットが観察されることを特徴とするシリコン単結晶である。

本発明のシリコン単結晶において、ドーパントとしてのボロンまたはリンの濃度を１×１０¹⁷〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲とする実施形態を採ることができる。

また、本発明のシリコンウェーハは、上述した本発明のシリコン単結晶から切り出されたシリコンウェーハである。

本発明のシリコン単結晶およびシリコンウェーハは、転位が結晶の中心部のみに存在しているので、転位が存在しないその他の結晶領域をデバイス工程で使用される製品シリコン単結晶領域として使用することができる。

本発明のシリコン単結晶は、結晶軸方位が［１１０］で、結晶長さ方向に、かつ結晶の中心部に転位が存在するシリコン単結晶である。

図１は、本発明のシリコン単結晶である、ＣＺ法により引き上げられた結晶軸方位が［１１０］のシリコン単結晶に発生する転位を模式的に示す図である。図示するように、引き上げ軸５の先端に取り付けられたシリコン種結晶１を石英ルツボ２内のシリコン溶融液３に接触させたときにシリコン種結晶１内に発生した転位４は、ネッキングプロセスでは除去されにくく、ネック部６を通じて成長結晶７に引き継がれ、結晶成長に伴って転位４はまっすぐ下方に伸びる。

図２は、引き上げ後のシリコン単結晶の胴部と結晶内に発生した転位を模式的に示す図である。転位４が、シリコン単結晶８の長さ方向に、かつ結晶８の中心部に存在している。

図２の下方には、このシリコン単結晶８のトップ部、ミドル部およびボトム部における結晶長さ方向に垂直な断面をそれぞれ示しているが、結晶長さ方向のいずれの部位においても、転位４はシリコン単結晶８の中心部に存在している。

このように、本発明のシリコン単結晶は、転位が結晶長さ方向に、かつ結晶の中心部にのみ存在するシリコン単結晶であり、その他の領域には転位が全く存在していない。したがって、この単結晶から製造したウェーハ面上に作られたデバイスのうち、転位が存在するために、リーク電流の増大、酸化膜耐圧の低下等の動作不良になるものは数個に限定される。

また、本発明のシリコン単結晶は、転位が発生する領域が結晶中心部の極限られた範囲に限定されるため、予め、この転位が発生する領域にはデバイスを作成しないように仕様条件を指定することで、デバイス工程での不良デバイスそのものの製作を回避することもできる。

上記本発明のシリコン単結晶を結晶長さ方向に対して垂直に切断し、当該切断表面をエッチングしてその表面を観察した場合に、結晶の中心部に２０個以下のピットが観察されるものであれば、単結晶内で転位同士の相互作用が発生せず、多結晶化することなく育成された結晶であるとみることができる。ここで、結晶の中心部は、シリコン単結晶の中心軸を中心とし、シリコン単結晶の直径の２０％以下を直径とする円柱状の領域内とすることが望ましい。２０％を超える領域で転位が発生してしまうと、製品歩留まりが低下するだけでなく、単結晶径方向の転位の増殖を誘発して結晶全体が多結晶化してしまう恐れがあるからである。

前記の図２における拡大図は、ボトム部における結晶長さ方向に垂直な断面を拡大した図であるが、結晶８の中心部に、この例では１０個のピット４ａが存在している。これらピット４ａはそれぞれ種結晶内に発生し、ネック部を通じて成長結晶に引き継がれ、結晶成長に伴ってまっすぐ下方に伸びた転位に対応している。すなわち、図２に例示したシリコン単結晶８では、結晶の長さ方向中心部に１０本の転位が存在している。

このように、結晶の中心部に２０個以下のピットが観察されるシリコン単結晶であれば、転位の存在する場所が限られた領域であり、その他は無転位領域なので、ウェーハ製造の素材として使用可能である。

本発明のシリコン単結晶において、ドーパントとしてのボロンまたはリンの濃度を１×１０¹⁷〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲とする実施形態を採ることができる。

シリコン単結晶中のドーパント（ボロンまたはリン）の濃度を前記の範囲とするのは、ボロンまたはリンの濃度が１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であれば、転位の伸展が抑制されるという作用効果（ピンニング効果）が得られるからである。一方、それらの濃度の上限を１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とするのは、それ以上の濃度になると、電気抵抗が小さくなりすぎて製品ウェーハとして使用できないからである。また、１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超えるようなウェーハ表面にドーパント濃度の薄い高抵抗のエピタキシャル層を成長させた場合には、エピタキシャル層中のドーパント濃度とウェーハ中のドーパント濃度との格子定数の差が大きくなりすぎて、エピタキシャル層とウェーハとの界面でミスフィット転位を生じてしまい、エピタキシャル層に結晶欠陥を誘起するからである。

また、前述したように、直径３００ｍｍのシリコン単結晶引き上げにもなると、直径１０ｍｍ以上のシリコン種結晶を使用して、直径４ｍｍ〜６ｍｍ程度のネック部を形成しなければならず、多結晶化を起こすことなく、転位を完全に排除した無転位のシリコン単結晶を育成することはできない状況にある。しかも、転位が径方向の各所に点在するようにに発生したシリコン単結晶やシリコンウェーハは出荷することができない。

一方、本発明のシリコン単結晶およびシリコンウェーハは、結晶中心部においてのみ転位が発生し、径方向への転位の増殖を生じていないため、その他の結晶領域をデバイス領域として使用することが可能となる。したがって、無転位単結晶を用いるか、本発明の有転位単結晶を用いるかは、デバイスの製造歩留りまでを総合的に勘案して、経済的なバランスにより選択することが可能といえる。

本発明例１として、直径３００ｍｍ、直胴部の目標長さを１５００ｍｍの結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を引き上げた。まず、本発明例１では、育成中の単結晶の周囲を囲繞するように配置した逆円錐状の輻射スクリーンの下端とシリコン溶融液表面との間隔を広げて結晶成長直後の単結晶への熱輻射量を増大するようにし、単結晶引き上げ速度を遅くすることで、育成中のシリコン単結晶への熱応力を低減するように調整して、シリコン単結晶を引き上げた。なお、引き上げに際し、ネック部の直径は５ｍｍ、長さは３００ｍｍで一定とした。また、ドーパントとしてボロンを使用し、育成結晶の直胴部の上端の濃度が５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で一定となるように、あらかじめボロンをシリコン溶融液中に添加した。

本発明例２として、育成結晶の直胴部の上端の濃度が５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で一定となるように、あらかじめボロンをシリコン溶融液中に添加した以外は本発明例１と同じ条件でシリコン単結晶を育成した。

比較例１として、直径３００ｍｍ、直胴部の目標長さを１５００ｍｍの結晶方位が［１１０］のシリコン単結晶を引き上げた。比較例１では、育成中の単結晶の周囲を囲繞するように配置した逆円錐状の輻射スクリーンの下端とシリコン溶融液表面との間隔を狭くして結晶成長直後の単結晶への熱輻射量を少なくするようにし、単結晶引き上げ速度を速めることで、育成中のシリコン単結晶への熱応力を大きくするように調整して、シリコン単結晶を引き上げた。なお、引き上げに際し、ネック部の直径は５ｍｍ、長さは３００ｍｍで一定とした。また、ドーパントとしてボロンを使用し、育成結晶の直胴部の上端の濃度が５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で一定となるように、あらかじめボロンをシリコン溶融液中に添加した。

比較例２として、育成結晶の直胴部の上端の濃度が５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³で一定となるように、あらかじめボロンをシリコン溶融液中に添加した以外は比較例１と同じ条件でシリコン単結晶を育成した。

引き上げ後のそれぞれ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各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、エッチピットの発生状況を調査した。

調査結果を表１に示す。

表１に示すように、育成中のシリコン単結晶への熱応力を低減するように育成した本発明例１および本発明例２では、転位がシリコン単結晶の中心部にのみ存在し、その他の領域では無転位のシリコン単結晶を育成することができた。本発明例１よりも本発明例２の方が結晶中心部で発生するピット数が少なく、より結晶中心部に近いところでピットが発生していた。これは本発明例１よりも単結晶中のボロン濃度が高いことが、転位の発生、径方向への転位の増殖を抑制しているものと推測される。

これに対し、育成中のシリコン単結晶への熱応力を大きくするように育成した比較例１および比較例２では、シリコン単結晶中のボロン濃度に関係なく、転位が結晶の径方向に増殖し、多結晶化したため、単結晶は得られなかった。

本発明のシリコン単結晶およびシリコンウェーハは、転位が中心部のみに存在しているので、転位が存在しないその他の結晶領域をデバイス工程で使用される製品シリコン単結晶領域として使用することができる。

したがって、本発明のシリコン単結晶およびシリコンウェーハは、半導体材料としてのシリコン単結晶の製造、さらには半導体素子の基板材料であるシリコンウェーハとして好適に利用することができる。

ＣＺ法により引き上げられた結晶軸方位が［１１０］の単結晶に発生する転位を模式的に示す図である。 引き上げ後のシリコン単結晶の胴部と結晶内に発生した転位を模式的に示す図である。

符号の説明

１：種結晶
２：石英ルツボ
３：シリコン溶融液
４：転位、４ａ：ピット
５：引き上げ軸
６：ネック部
７：成長結晶
８：シリコン単結晶

Claims (3)

1. 結晶軸方位が［１１０］であるシリコン単結晶であって、
   前記シリコン単結晶の結晶長さ方向に、かつ結晶の中心部に転位が存在し、前記結晶中心部以外の部分に転位が存在せず、
   前記結晶中心部がシリコン単結晶の中心軸を中心とし、シリコン単結晶の直径の２０％以下を直径とする円柱状の領域であり、
   前記シリコン単結晶を結晶長さ方向に対して垂直に切断し、当該切断表面をエッチングしてその表面を観察した場合に、前記結晶中心部に２０個以下のピットが観察されることを特徴とするシリコン単結晶。
2. 前記シリコン単結晶中のドーパントとしてのボロンまたはリンの濃度が１×１０¹⁷〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶。
3. 前記請求項１または請求項２のいずれかに記載のシリコン単結晶から切り出されたシリコンウェーハ。

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