JPH03177388A - るつぼを含まないゾーン引張り法による酸素含有量の高いケイ素インゴットの製造方法 - Google Patents

るつぼを含まないゾーン引張り法による酸素含有量の高いケイ素インゴットの製造方法

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JPH03177388A
JPH03177388A JP2297353A JP29735390A JPH03177388A JP H03177388 A JPH03177388 A JP H03177388A JP 2297353 A JP2297353 A JP 2297353A JP 29735390 A JP29735390 A JP 29735390A JP H03177388 A JPH03177388 A JP H03177388A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はるつぼを用いないゾーン引上げ)去による酸素
含量の高いケイ素インゴットの製造方法に関する、この
方法では溶融ゾーンを供給インゴ。
トと生!Ii物インゴットとの間に周囲=M 遭加熱コ
イルによって形成する、この溶融ゾーンは溶融ネ。
り内の供給インゴットから出発して、コイルの環状孔を
通過し、次に拡大して生成物インゴットを被覆する溶融
キヤ・7プを形成して、石英成形部品と接触する、本発
明はまたこの方法によって得られたケイ素インゴット、
これから形成されるケイ素ウェファ−に関し、さらにこ
の方法を実施するこめの装置に関する。
ケイ素ウェファ−から高い充てん密度(packing
density)を有する電子要素の製造方法では、ケ
イ素の酸素含量が常に重要な役割を果す。この理由は酸
素の固有ゲッターリング作用がある一定の工程に常に頻
繁に利用されることにある。それ故、鴫クロ電子工学に
は、酸素原子約10”/C♂の最少酸素含量を有するケ
イ素がもっばら用いられる。
ケイ素溶融物と石英るつぼとの間の反応の結果として引
張り作業の過程中に酸素は溶融物中に蓄積し、戊辰する
結晶インゴット中に導入されるので、このようなケイ素
はチョクラルスキーるつぼ引張りン去(Czochra
lski rucible pulling)によって
得られる。さらに、導入された酸素はある種の硬化効果
をも有する。他方では、るつぼを用いないゾーン引張り
によって得られるケイ素はケイ素溶融物と石英るつぼと
の間に接触がないために、ケイ素!−につき典型的に酸
素約101S〜101&原子の明らかに低い酸素含量を
有する。しかし、その代りにるつぼ引張り材料と比べて
高い純度と高い少数キャリヤM積時間によって、および
特に高い抵抗が得られるという事実によって特にすぐれ
ている。
それ故、このゾーン引張り材料の主な適用分野は発′:
E用要素(power component)の製造を
含めた分野である。
今までに、ゾーン引張法によって高い酸素含量を有する
ケイ素結晶を得、このようにしてゾーン引張法材料の利
点とるつぼ法材料の利点とを組合セる試みがなされてい
る。例えば、ドイツ特許第A3.333,960号明細
書または対応する米国特許第4.722,764号明細
書において特許請求されているように、酸素含量の高い
るつぼ引張り多結晶供給インゴットが多結晶ケイ素の気
相茅着(gas phasedeposition)に
よって製造した供給インゴットの代りに用いられる1、
シかし、得られた材料はるつぼ引張り工程のために不純
物レベルが高い、さらにゾーン引張り工程中のガス抜き
(degasing)の結果として酸素の一部が失われ
る。
ヨーロッパ特許出闘第54,657号明細書に特許請求
されている方法では、ゾーン引張り装置に酸素雰囲気が
Get立されている。しかし、この場合には、インゴッ
ト全長にわたって定常な酸素含量を得るように酸素流を
調節することが、特に容器内の対流の変化として、困難
であり、供給インゴットと生成インゴットの長さの変化
が欠陥を生ずる。
ヨーロッパ特許出願第140,239号は、石英ロッド
がコイルによって囲繞された溶融ネック方向に導かれ、
熔融ネックにおいて溶融物中に浸せきする方法を述べて
いる、この方法では、石英ロッドが徐々に溶解し、その
結果酸素とおそらくは他のドーパントをもケイ素に供給
する。しかし、この方法はインゴット直径の小さいイン
ゴットの場合にのみ適当な濃度範囲でるつぼ法材料中へ
の酸素混入を生ずる。しかし、インゴット直径約751
璽以上であり、これに対応して自由溶融表面の大きいイ
ンゴノlの場合には、このような高い混入率がこの方法
ではもはや得られない。さらに、除熱の結果としてケイ
素がロッドの浸せき点から析出し、形成された結晶がは
く離して熔融物の表面から生成インゴットとの界面に浮
遊し、そこで転位の形成を生しうる危険性がある。さら
に処理してケイ素ウェファ−を得るためには転位を含ま
ないケイ素単結晶のみが適切であるので、引張りプロセ
スを中断しなければならない。
それ故、本発明の目的はこれらの欠点を解消し、特に結
晶インゴット全体に均一に分布した酸素を転位生成を生
ずることなく混入し、約75mm以上の直径とるつぼ引
張り材料に匹敵する酸素含量とを有するインゴットをゾ
ーン引張り法によって得ろことを可能にする方法を提供
することである。
この目的は、引張りプロセス中に平たい石英構造体を溶
融キャップに接触させることを含む方法によって遺戒さ
れる。
石英成形体と溶融キャップとの間の面接触は高濃度領域
までの酸素の制御混入を可能にし、同時に付加的な遮へ
い効果の生成を可能にし、−酸化ケイ素としての酸素の
蒸発を減する。これらの条件下で、混入率は接触面積の
サイズを変えることによって影響される。この方法の利
益は、接触面積の増加が常に自由溶融表面の減少を伴い
、従って接触面積の減少が自由熔融表面の増大を伴うの
で、混入効果とガス抜き効果は常に有利に相関する。さ
らに、石英成形体と溶融キャップとの間の面接触が溶融
ネックへの石英ロフトの導入に比べて、接触面積が大き
いにも拘らず、転位を誘発する微結晶の発生傾向は著し
く低いことが、意外にも発見された。
平たい構造体は生成インゴットの長軸に関して熔融キャ
ップと接触する部分の回転対称配置を生ずる形状で好都
合に用いられる。複数の個別部品から成る配置および/
または多角形配置の場合には、これに関連して2組から
10mまでの対称が有利であると実証されている。しか
し、平たい構造体はそれ自身で閉した円形環の形状に形
成するか、または2個以上の個別部品から威り、その内
径は溶融ネックの直径よりも大きいことが好ましいが、
外径は一般に単結晶である生成インゴットの直径よりも
小さい。
この場合に、酸素の混入率は自由溶融表面と平たい石英
構造体によって4へいされた溶融表面との比によっても
影響される。本発明の方法における自由溶融表面と石英
と接触する溶融キャップの被覆ン容融表面との比がるつ
ぼ引張り法における自由熔融表面とるつぼ壁と接触する
溶融表面との比に大体等しい場合には、親指の法則とし
て、得られる酸素含量がるつぼ引張り法によるケイ素の
酸素含量と大体等しいということができる。この比と、
その結果の引張りプロセス中の酸素混入とはるつぼ引張
りプロセス中は溶融物レヘルの沈下のために常に変化す
るが、本発明による方法ではこれが常に本質的に一定で
あり、その結果、ロッド全長にわたって本質的に定常な
酸素混入も達成される。溶融キャップの自由表面と被覆
表面との比が、溶融ネックによる付加的な自由表面を無
視するならば、約1:15〜10:1であるようなサイ
ズで平たい石英構造体があることが有利である。
酸素混入率は溶融ケイ素によって濡れる平たい構造体の
表面積が地えることによってもさらに重加しうる。この
ためには、溶融物と接触する平たい構造体の面積を例え
ばみぞ、堀または架橋等のみぞまたは突起のような、接
触面積を高める要素によって形成することができる。極
端な場合には、運へい用平たい構造体の他に、熔融キャ
ップの中に完全に浸せきし、主として遮へい作用を有す
る平たい構造体に結合しているかまたはこの構造体から
独立している付加的な平たい構造体を設けることもでき
る。このような配置の可能な例は、互いに平行して存在
し、スタンド(stud)または架橋のようなスペーシ
ング要素を介して相互に結合し、下方の環は溶融物中の
作用位置に完全に浸せきし、他方の環は溶融キャンプ上
にあってその表面を遮へいする石英環によって形成され
る。従って、方では、ケイ素溶融物によって濡れて著し
く増大した石英表面、他方では溶融キャップを覆う大き
な石英面積が引張り作業中に得られる。
例えば約loommのインゴット直径の場合には、内径
が約20〜50m、外径が約50〜9011の単独円形
石英環の使用が有利であることが実証されている。
一般に、生成インゴット直径の約0.2〜0.5倍の肉
様とこの値の約0.5〜0.9倍に等しい外径を有する
このような円形環によって特に良好な結果が得られる。
しかし、これらの値は基準値としてのみ見なすべきであ
り、限定の意味で理解すべきではない。
平たい構造体は引張り作業中に石英とケイ素溶融物との
間の反応の結果として、作用され、ある程度の材料浸蝕
も生ずるので、この腐食にも拘らず、これらの平たい構
造体を溶融物から再び分耕しうるために引張り作用の最
後にもこれらの平たい構造体が充分な機械的剛性を保証
するような厚さで形成されることが合目的である。約1
〜51m、特にl〜2 amの平たい構造体の厚さが有
利であると1°す明しており、原則として可能な下限は
必要な機振的安定性によって定められ、上限は除熱挙動
(heat removal behaviour)と
利用可能な空間とによって決定される。
生成インゴットへの酸素の導入のみが望ましい場合には
、平たい構造体を高純度石英から製造し、−fCには石
英ガラスを用い、例えば鉄、二・7ケルもしくは銅のよ
うな金属および/または特に、例えばホウ素、リンまた
はアルミニウムのような、ドーパント作用を有する不純
物の含量として、約35ppm以下の不純物レヘルが目
的とされるが、後イは引張り作業においてしばしば特別
な問題を招来する。同時に、必要なケイ素ドーピングが
公知のやり方で、例えば気相を介してのドーパントの供
給によって行われる。
しかし、原則として、付加的にドーパントを含む石英製
の平たい構造体を用いることも可能である。この方法は
特に、ゾーン引張りケイ素中に気相を介しての混入が困
難である、例えばインジウムのようなドーパントに対し
て適している。必要な場合には、ドーパントを気相と平
たい構造体との両方を介して供給する複合方法を用いる
こともできる。
実際のゾーン引張り方法は例えば最初に挙げた特許文献
またはダプリュ・ジェソツェ(W、Dietze)、ダ
ブリュ・ケラ−(W、Keller)およびエイ・ミー
ルハウエル(A、Muhlbauer)   rフロー
トゾーン結晶ケイ素(Float Zone Groa
m 5ilicon) J 、クリスタルス(Crys
tals)  5巻(1981)  スプリンガー出版
(Spr:nger−verlag)、ベルリン−ハイ
デルヘルグーニューヨークに説明されているような、公
知のやり方で実施することができる。種結晶を適所にお
き、成長する単結晶の直径が徐々に増大する初jII1
段階はまだ、平たい構造体と接触する溶融キャップなし
に実施することもできる。この際には、1つの部分から
成る環の場合には平たい構造体をこれと同心の加熱コイ
ルの下側の下方で、溶融キャップの上方であるのが有利
である静止位置に維持することができる。多重部分から
成る配置またはそれ自体で閉しない配置には、これらが
例えば系の中心軸から器壁の方向へ外方へ移動または旋
回しうる静止位置を設けることができる。
平たい構造体の必要な動きは、例えば融合結合部品また
はレバーによって平たい構造体を結合することの適当な
マニュピユレータによって、制御することができる。適
当な運動は、必要に応して水平方向の並進運動を重ね合
せることもできる昇降運動である。
生成インゴットの予定直径に達した場合には、トたい構
造体を静止位置から作用位置に移動させ、作用位置にお
いて平たい構造体は溶融キャンプと接触する。これに関
連して、一般に、平たい構造体が溶融キャップ表面と軽
く接触して、その短時間後に溶融ケイ素による濡れが生
ずるならば、充分である。浸せき深さは約200〜50
0 μmであることが有利である。溶融物中の流動状態
が突然変化して、突然の熱損失の結果として平たい構造
体においてケイ素析出が生ずるのを阻止するために、接
触は細心に、徐々に実施することが好ましい。
浸せき深さは平たい構造体が溶融キャップ中に完全に浸
せきするような程度にまで大きくすることが原則として
可能である。しかし、石英−溶融物接触面積の増加は平
たい構造体の遮へい作用の損失に直面する。
例えば環状の平たい構造体を溶融キャンプに置いた後に
溶融物が熱的に再び安定化した場合には、実際のインゴ
ット引張りによって引張り作業を続けて、一般に単結晶
であるケイ素インゴントを製造することができる。この
作業を添付図に(既略的に示す。
図は一般に多結晶ケイ素から威る供給ロッドlを示ず。
この供給ロッドはその下端においてm R加熱コイル2
に囲まれた溶融ネック3中に移行する。このネックは拡
大して溶融キャップ4を形成し、溶融キャップ4は一般
に単結晶である生成インゴット5を覆う。結晶は析出フ
ロント6において成長する。溶接石英レバー8によって
昇降させることのできる平たい石英環7を平たい構造体
の好ましい実施態様として、溶融キャップ4の殆んど水
平に伸びる部分上に置く。
石英環がケイ素溶融物によって濡れると、引張り作業の
過程で若干の変形が時には生ずるが、1投にこれらの変
形は不利な効果を及ぼさない。インゴノト長さがかな−
り長く、対応して引張り作業が長時間である場合にも、
材料’1111Fがかなりの程度に達する。これにも拘
らず、例えば供給インゴットと生成インゴットとの回転
に関して標準プロセスパラメータを引張り作業中に維持
することができ、交互回転方向を用いることも原則とし
て可能である。高い酸素混入率が必要である場合には、
溶融表面の高い回転速度によって高い浸蝕率と高い混入
率も確実に生ずるので、生成インゴットの高い回転速度
が有利であると実証されている。
予定[1ソド長さに達した場合には、平たい構造体すな
わち本発明の場合の石英環を溶融キャップから持ち上げ
て、引張り作業を通常のように惇止する。
本発明による方法では、約75mm以上および100■
以上の直径を有し、ゾーン引張り材料に典型的な高純度
、高耐性および高い耐用期間を特徴とし、同時にるつぼ
引張り材料の特徴であるような約5x l Q I 6
酸素原子/ケイ素CII!以上、典型的には5×10I
th〜1Q18酸素原子/ケイ素cjの範囲内である酸
素含量をイfするゾーン引張りケイ素インゴットを!!
造することが可能である。これらの値は赤外吸収測定〔
例えば、A S T M標準規格F120およびF12
1参照〕を用いて測定することができる。
−Cに少ムくとも1回ののこ引き工程(suwings
Lep) 、通常は1回の次のラッピング作業工程およ
び必要ならば1回の研磨工程から成る、他の標準的な処
理後にこれらのインゴットから製造され、顧客にのこ引
きし、ラップし、研磨した形で通常供給されるけい素つ
アファーにも同しことが通用する。ゾーン引張り材料は
同時に、特にドーパント含量と主としてホウ素、リンお
よびアルミニウム含量とに関して、るつぼ引張りケイ素
に比べて著しく低い不純物レヘルを有し、これらのレヘ
ルは前者では典型的に1〜2×1016/cdであり、
後者では、典型的に約l〜2X1012/cII+であ
る。
これらの値は例えば光ルミネセンス研究によって測定す
ることができる〔例えば、ピー・エム・コレイ(P、M
、Co11ey)とイー・シー・ライトウレルス(E、
C,LighLowlers)   セミコンド・サイ
・チクノル(Semicond、Sci、Techno
l、) 2巻、157頁(1987)参照〕。
拡散抵抗のプロフィルを測定することによる、いわゆる
「拡散抵抗」測定方法〔これに関連して、例えばAST
M方法F方法 25 (1977)参照)によって測定
することのできる、ドーパント分布すなわち不純物分布
の顕微鏡的変化はまた、ゾーン1張り材料に典型的であ
り、るつぼ引張り材料ではあまり顕著に観察されない「
しま(striation) Jを示す。これに反して
、インゴットはゾーン引張りケイ素に典型的に−様な軸
方向抵抗分布を示し、るつぼ引張りインゴットはこのパ
ラメータの顕著な軸方向変化を示す。
本発明の方法によると、ゾーン引張り材料の純度利点と
るつぼ引張り材料の高い酸素含量に基づく利点とを合せ
て有する直径約75m5以上、特に約100mm以上の
直径を有するケイ素インゴ・7Fとケイ素つアファーが
得られる。
この方法を具体的な実施態様に関して以下にさらに詳細
に説明する。
1j4遺ヒL 約100頚−までの直径を有するケイ素単結晶のるつぼ
を用いないゾーン引張り用の商業的装置を、本発明の方
法を実施するように、適当に変更した。
このために、1巻き加熱コイルの平たい下側の下方に、
これと同心的に平行して配置した、高純度石英ガラス製
の厚さ約1 amの平たい環(内径約40m1、外径約
60m、ホウ素含量約2重Lt ppm未満、リン含量
約3重1 ppm未満、アルミニウム含量約20服量1
+11)を備え、これに図に示した配置と同様に石英ロ
ッドを溶接する。このロッドは容器の器壁内に入ったマ
ニピュレータに結合し、これによって石英環は下降し、
再び上昇することができる。
静止位置において、石英環はコイル下側の直下(こ存在
した。
種結晶を多結晶供給インゴットに加え、生成インゴット
の円錐状に拡大する出発部分を引張る初期段階では、石
英環は静止位置に放置した。約7511の予定インゴッ
ト直径に達した時に、すなわら実際のインゴット引張り
の開始時に、石英環をその下側全体が溶融キャップ表面
に溶融するまで徐々に下降させた。溶融ゾーンが再び安
定化した後に、単結晶を引張ることが可能であった。こ
の場合に、供給インゴットと生成インゴットの逆方向回
転を通常のやり方で調節した。容器内にはアルゴン雰囲
気が存在した、ドーピングガスは供給しなかった。これ
らの条件下で、約30cmの長さのインゴットが引張ら
れた。
この後に石英環を溶融キャップから上昇させ、尚正位置
に戻した。これによって生成インゴットを供給ロッドか
ら分離して、最終的に取出すことが可能であった。
インゴット両端部のホウ素含量、リン含量およびアルミ
ニウム含量を光ルミネセンスの方法によって測定した0
種結晶に面するインゴット端部では、測定値(それぞれ
測定部分に応した比抵抗として表現)はホウ素では32
00Ω値およびリンでは1228Ω国であるが、アルミ
ニウムの値は検出限界値未満であった。供給インゴット
に面したインゴット端部では、測定値はホウ素3628
Ωω、リン2458Ω0およびアルミニウム2180Ω
0であった。
ASTM規格F 120/F 121による赤外吸収測
定によってこのインゴット端部の酸素含量は5.15 
X 1017原子/ケイ素−と測定された。インゴット
の他の端部では、この値は5.53×1016原子/ケ
イ素CII!であった。
芸」L鮭」− 直径約104mmおよびインゴット長さ約50〜70c
mを有する転位のないケイ素単結晶3個を実施例1に述
べた装置において、実施例1に述べた方法によって引張
った。各引張り作業では、すべての場合に厚さがl a
mであるが、異なる内径と外径を有する石英環を平たい
構造体として再び用いた。すべての場合に予定直径に達
した後に、環を静止位置から溶融キャップ上に下降させ
、予定のインゴット長さに達するまでそこに溶融物と接
触させて放置した。次にこれらを上昇させて静止位置に
戻した後に、引張りプロセスを停止した。次にAsTM
規格F 120/F l 21による赤外吸収測定によ
って酸素濃度を測定した。結果は下記の表に記載する。
表、用いた石英環のサイズが変化した場合の酸素濃度の
変化 0 0 0 50       1  :  11      2.
25       2.5560       1  
F  9       3.05       2.6
160       1  :  4       4
.68       4.88石石英環面積を大きくす
ることによって、ケイ素に混入される酸素の割合も増加
することが明らかである。さらに、酸濃度の良好な軸方
向不変性(axialにons tans)が示される
丈笠且 比較のために、直径約75−1の他のケイ素インゴット
を引張ったが、この場合には平たい石英構造体を溶融キ
ャップ上に置かず、石英ロッド(直径約3關〉を溶融ネ
ック中に導入した6他の点に関しては、例1と同じ引張
りパラメータを維持した。
約25cmのインゴット長さにおいて、石英ロッドをi
9融ネックから取り出し、引張り作業を停止した。この
ようにして得たケイ素インゴットの、実施例1と同じ方
法で測定した酸素含量は種結晶に面したインゴット端部
では3×1016酸素原子/ケイ素−であり、供給イン
ゴットに面したインゴット端部では4XIOI6酸素原
子/ケイ素cdであった。
以下、本発明の好適な実施態様を例示する。
(1)  その内径が溶融ネックの直径より大きく、そ
の外径が生成インゴットの直径より小さい、環状の平た
い構造体を用いることを特徴とする請求項1記載の方法
(2)  生成インゴットの予定直径に達した後に引張
り作業の初期段階において、平たい構造体を溶融キャッ
プと接触させ、予定インゴット長さに達した後に引張り
作業の最終段階において溶融キャンプから除去すること
を特徴とする請求項lまたは前項l記載の方法。
(3)  平たい構造体によって被覆される溶融キャッ
プ表面と自由表面との比が、溶融ネックを考慮しないな
らば、1:15から10:1までであることを特徴とす
る請求項l、前項(11または(2)のいずれかに記載
の方法。
(4)  ドーパント作用を有する不純物含量が約35
重量ppm以下であることを特徴とする請求項1、前項
fll〜(3)のいずれかに記載の方法。
(5)  面接触が中心対称性を有することを特徴とす
る請求項4に記載の装置。
(6)  コイルの下方に同心的に配置し、溶融キャッ
プ上に垂直に下降させることのできる石英環を平たい構
造体として用いることを特徴とする請求項4または前項
(5)記載の装置。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の方法によるケイ素引張り作業を示す。 1・・・供給ロッド、    2・・・誘導加熱コイル
、3・・・ン容融ネック、    4・・・ン容融キャ
ップ、5・・・生成インゴット、 6・・・析出フロン
ト。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)供給インゴットと生成インゴットとの間を囲繞する
    誘導過熱コイルによって、溶融ネック内の供給インゴッ
    トから出発して、コイルの内孔を通り、次に拡大して生
    成インゴットを被覆する溶融キャップになる溶融ゾーン
    が形成され、溶融ゾーンが石英成形部品と接触する、る
    つぼを含まないゾーン引上げによる酸素含量の高いケイ
    素インゴットの製造方法において、引張り過程中に平た
    い石英構造体を溶融キャップと接触させることを特徴と
    する方法。 2)請求項1に記載の方法によって得られる、75mm
    以上の直径と5×10^1^6酸素原子未満/ケイ素c
    m^3の酸素含量とを有するケイ素インゴット。 3)請求項2記載のケイ素インゴットから得られるケイ
    素ウェファー。 4)供給インゴットと生成インゴットとの保持装置を備
    えた容器内に、供給インゴットから出発する溶融ネック
    の形状でコイルの内孔を通過し、拡大して生成インゴッ
    トを覆う溶融キヤップになる溶融ゾーンを供給インゴッ
    トと生成インゴットとの間に形成する誘導過熱コイルを
    配置した、請求項1に記載した方法の実施装置において
    、静止位置から、溶融キャップと面接触する作用位置に
    移動しうる可動な平たい石英構造体少なくとも1個を用
    いることを特徴とする装置。
JP2297353A 1989-11-24 1990-11-05 るつぼを含まないゾーン引張り法による酸素含有量の高いケイ素インゴットの製造方法 Expired - Lifetime JPH08751B2 (ja)

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