KR20080090293A

KR20080090293A - 실리콘 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR20080090293A
Application number: KR1020080029785A
Authority: KR
Inventors: 수이치 이나미
Original assignee: 가부시키가이샤 섬코
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2008-10-08
Also published as: TW200844271A; JP2008254958A; KR100951760B1; US7641734B2; TWI409369B; JP5056122B2; US20080245291A1

Abstract

경정축 방위가 [110]인 무전위(無轉位) 실리콘 단결정을 안정적으로 육성할 수 있는 실리콘 단결정의 제조방법을 제공한다.

쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 육성 방법으로서, 붕소 농도가 1.7×10¹⁹atoms/㎤ 이상인 실리콘 종결정을 이용하여, 넥부 종단으로부터 견부(肩部)에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각을 120~50°로 하여 견부를 형성하여, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성한다. 육성시에 있어서의 넥부의 직경을 5~10㎜ 로, 통상적으로 채용되고 있는 넥부 직경보다 굵게 하는 것이 가능하다.

Description

실리콘 단결정의 제조 방법{METHOD OF PRODUCING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 쵸크랄스키법(이하, CZ법으로 기입)에 의해 결정축 방위가 [110]인 무전위 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

CZ법에 의해 실리콘 단결정을 육성할 때, 실리콘 종결정을 실리콘 용해액과 접촉시킬 때의 히트 쇼크(heat shock)에 의해 실리콘 종결정 내에 전위가 발생하지만, 종래부터 다용되고 있는 결정축 방위가 [100]인 실리콘 단결정에서는, 넥킹 프로세스에 의해 상기 발생한 전위를 소멸시킬 수 있다.

그러나, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정은, 결정 구조상, 인상 축방향과 평행한 슬립면인 {111}면을 가지므로, 실리콘 용해액과의 접촉에 의해 발생된 전위는, 넥킹 프로세스에서는 실리콘 종결정 외에 빠지기 어렵다. 그 때문에, 넥부를 통해 전위가 성장 결정으로 인계되고, 무전위 실리콘 단결정의 육성을 할 수 없는 문제가 있다.

그와 더불어, 실리콘 단결정 잉곳의 대구경·대중량화에 수반하여, 넥 경을 굵게 할 필요가 있고, 이 관점으로부터도 전위 제거가 한층 더 어려워지고 있다.

CZ법에 의해 육성되는 실리콘 단결정의 무전위화에 대해서는, 종래 여러 가 지 기술이 개발되어 제안되고 있다. 그 중에서, 특히 실리콘 단결정의 대구경·대중량화에 대처하기 위해, 특허 문헌 1에서는, 2.7×10¹⁷atoms/㎤ 이상, 1.4×1 0¹⁹atoms/㎤ 이하의 붕소 농도를 가진 실리콘 종결정을 사용하여, 실리콘 융액으로서 같은 고농도의 붕소를 첨가한 융액을 사용하여, 넥부의 직경을 5~8㎜로 하는 CZ법에 따른 실리콘 단결정의 제조 방법이 개시되어 있다.

이에 의해, 실리콘 종결정을 실리콘 융액에 접촉시킨 시점에서 발생하는 전위는, 실리콘 종결정 중의 고농도의 불순물에 의해 고착되어 전파하지 않기 때문에, 넥부의 직경을 굵게 해도 넥부를 무전위화시킬 수 있고, 그 결과 넥부의 강도를 향상시켜, 대구경이고 대중량인 실리콘 단결정의 인상이 가능하게 된다고 한다.

또, 특허 문헌 2에는, 붕소 농도가 5×10¹⁹~6×10²⁰atoms/㎤의 범위에 있는 실리콘 종결정을 이용하여 실리콘 단결정을 인상하는 방법이 기재되어 있다. 고농도의 붕소에 의해, 실리콘 종결정의 용해액으로의 착액시에 생긴 전위가 실리콘 종결정의 상부 방향으로 전파하는 데 필요로 하는 응력 레벨을 일반적인 붕소 농도의 경우보다 더 높게 하여, 전위의 전파를 저지할 수 있으므로, 전위가 도입된 부분을 용해액으로 녹여 내면, 전위 도입 부분을 제거할 수 있고, 전위가 없는 실리콘 종결정을 기본으로 한 단결정의 인상이 가능하게 된다고 한다.

또한, 특허 문헌 3에서는, 붕소를 1×10¹⁹atoms/㎤ 이상 함유한 실리콘 종결정을 이용하는 실리콘 단결정 제조 방법이 개시되어 있고, 이에 의해 실리콘 종결 정의 항복 강도를, 실리콘 종결정과 실리콘 융액이 접촉한 순간에 작용하는 열응력 이상으로 높여 실리콘 종결정에 발생하는 전위를 줄일 수 있는 것이 나타나 있다.

이들 특허 문헌 1~3에 기재된 방법은, 모두 실리콘 종결정으로의 고농도의 붕소 첨가에 의해, 전위의 전파 또는 전위의 생성을 저지하여 실리콘 종결정을 무전위화 또는 전위의 전파를 저지하여, 이 종결정면 상으로부터 무전위의 단결정을 성장시키는 방법이다.

그렇지만, 고농도의 붕소를 도핑한 실리콘 종결정을 이용하여, 직경이 300㎜로, 결정축 방위가 [110]인 무전위 실리콘 단결정의 육성을 시도한바, 무전위 실리콘 단결정을, 항상 좋은 수율로, 안정적으로(낙하 또는 그 우려 없이) 인상할 수는 없었다.

한편, 특허 문헌 4에서는, 비소 또는 안티몬으로 도핑되어 있어서, 40~60°의 열림각을 가지는 결정 원추부(넥부로부터 원통형 결정으로의 이행부를 나타냄)를 구비한 실리콘 단결정의 제조 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 방법으로 얻을 수 있는 것은, (100)면 방위를 가지는 무전위 단결정이고, 또, 열림각은 넓다고는 하지 못하고, 상기 원추부의 형성에 장시간을 필요로 하여, 생산성이 낮다고 하는 난점이 있다.

[특허 문헌 1: 일본국 특허 제3726847호]

[특허 문헌 2: 일본국 특허 공개 평9-249492호 공보]

[특허 문헌 3: 일본국 특허 공개 평4-139092호 공보]

[특허 문헌 4: 일본국 특허 제3555081호]

본 발명은, 상술의 문제를 해결하여, 결정축 방위가 [110]인 무전위 실리콘 단결정을, 수율이 좋고, 또한 육성 중의 단결정의 낙하 또는 그 우려 없이 안정적으로 육성할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 상기의 과제를 해결하기 위해 검토를 반복하는 과정에서, 결정축 방위가 [110]인 결정 인상 시에는, 이하에 서술하는 바와 같이, 넥부에서 무전위화한 후의 견부(肩部)의 형성이 중요한 것을 지견했다.

견부의 육성을 반복한 결과, 붕소 농도가 일반적인 레벨(1×10¹⁵atoms/㎤ 정도)의 실리콘 종결정을 사용했을 때에는, 결정 인상 길이에 대한 확경(擴徑)(직경의 확대)의 비율이 3(후술하는 원추부의 열림각으로 112°)을 초과할 경우에 유전위화하는 것이 많지만, 실리콘 종결정 중의 붕소 농도를 높이면, 무전위 상태를 유지할 수 있는 상기 결정 인상 길이에 대한 확경 비율(원추부의 열림각)을 크게 할 수 있게 된다. 이에 의해, 견부의 육성에 필요한 시간을 단축하여, 직동부를 길게 할 수 있으므로, 생산성 향상에 크게 기여할 수 있다.

도 1은, 결정축 방위가 [110]이며, 동부 직경이 300㎜인 단결정을 인상할 때의, 인상 길이와 결정의 직경의 관계를 예시한 도면이다. 가로축은 넥부 하단으로부터의 결정 인상 길이이고, 세로축은 인상된 결정의 직경(원추부에 있어서의 직 경)이다. 또한, 이 예는, 실리콘 종결정의 붕소 농도를 2×10¹⁹atoms/㎤로 했을 경우이다.

도 1에 있어서, (a)의 관계는, 결정 인상 길이에 대한 확경 비율을 3.8(견부를 형성하는 원추부의 열림각으로 125°)로 했을 경우이지만, 이 조건으로 인상했을 경우는, 견부 육성 중에 유전위화가 생겼다. 한편, (b)의 관계는, 상기 확경 비율을 1.6(상기와 동일, 77°)으로 했을 경우이고, 유전위화시키지 않고 견부를 형성할 수 있었다.

본 발명은 상기의 지견에 근거하여 이루어지게 된 것으로, 그 요지는 아래와 같은 실리콘 단결정의 제조 방법에 있다.

즉, CZ법에 따른 실리콘 단결정의 육성 방법이고, 붕소 농도가 1.7x10¹⁹atoms/㎤ 이상인 실리콘 종결정을 이용해 넥부 종단으로부터 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)을 120~50°로 하여 견부를 형성하여, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법이다.

여기에서 서술하는, 「원추부의 열림각(θ)」이라는 것은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 종결정의 하단면에 형성된 넥부(1)의 종단으로부터 견부(2)에 걸쳐 형성되는 원추부(3)의 모선(4)이 인상 축방향(도 2 중에 파선 C로 표시)에 대해 이루는 각(θ/2)의 2배이다. 즉, 상기 원추부의 모선이 인상 축에 대해 이루는 각(θ/2), 및 이 각(θ/2)과 인상 축방향에 대해 선대칭에 있는 각(θ/2)을 합친 각 (θ)을 의미한다.

이 방법에 있어서, 육성시에 있어서의 넥부의 직경을 5~10㎜로 통상적으로 채용되어 있는 넥부 직경(5~6㎜ 정도)보다 굵게 하면, 인상 중에 낙하 등의 우려가 없고, 안정적인 인상이 가능하게 된다.

본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법에 의하면, 결정축 방위가 [110]이고, 그리고, 직경 300㎜ 이상의 대구경·대중량의, 무전위 실리콘 단결정을, 인상 중에 단결정의 낙하 등의 우려가 없이, 안정적으로 육성할 수 있다

본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법은, CZ법에 의해 실리콘 단결정을 육성할 때, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성하는 것, 붕소 농도가 1.7×10¹⁹atoms/㎤ 이상인 실리콘 종결정을 이용하는 것, 및 넥부 종단으로부터 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)을 120~50°로서 견부를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

결정 방위 [110]인 실리콘 단결정을 육성의 대상으로 하는 것은, 상술과 같이, 이 단결정은 인상 축방향과 평행한 슬립면인 {111}면을 가지므로, 실리콘 용해액과의 접촉에 의해 발생하는 전위는, 넥킹 프로세스에서는 실리콘 종결정 외로 빠지기 어렵고, 무전위 실리콘 단결정을 안정적으로 육성할 수 없기 때문이다.

붕소 농도가 1.7×10¹⁹atoms/㎤ 이상인 종결정을 이용하는 것은, 실리콘 종 결정과 실리콘 용해액의 접촉시에 발생하는 전위를 실리콘 종결정 중의 고농도의 붕소에 의해 고착하여, 전위의 전파를 저지하여 넥부를 무전위화하기 때문이다.

붕소 농도의 상한은 특히 정하지 않다. 일반적으로, 실리콘 종결정과 실리콘 용해액의 붕소 농도가 다르면, 격자 정수의 차이에 의해, 종결정과 실리콘 용해액의 접촉시에 실리콘 종결정 내로 미스핏 전위(misfit dislocation)가 발생하기 쉽다는 문제가 있기 때문에, 실리콘 용해액으로서 실리콘 종결정의 붕소 농도와 대략 동일 농도의 붕소가 첨가된 용해액이 이용된다.

이 용해액으로부터 육성되는 실리콘 단결정의 붕소 농도는, 용해액의 붕소 농도에 따라 일정한 농도가 되고, 또한 실리콘 단결정의 저항율이 정해지고, 붕소 농도가 높을수록 저항율이 작아진다. 저항율의 하한은 실리콘 단결정에 있어서 필요하게 되는 성능에 따라 정해지고, 따라서 붕소 농도의 상한은 스스로 정해지기 때문이다.

상기 넥부의 종단으로부터 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)을 120~50°로 하는 것은, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성할 때, 유전위화를 억제하기 때문이다. 결정 인상 길이에 대한 확경 비율이 너무 커서 상기 열림각이 120을 초과하면, 견부에서 생기는 열응력이 너무 커져서 실리콘의 항복 응력보다 큰 열응력이 발생해 유전위화한다고 생각된다.

한편, 열림각이 50 미만인 경우에는, 견부 육성에 필요로 하는 시간이 너무 길어져서 실리콘 단결정의 생산성이 저하한다.

상기 원추부의 열림각은, 115~60°의 범위로 하는 것이 바람직하다. 원추부 의 열림각(θ)의 열림을 약간 좁혀 유전위화하기 어려워지게 함과 더불어, 하한을 약간 넓히고 생산성을 높이기 때문이다.

본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 육성시의 넥부 직경을 5~10㎜로 하면, 단결정 인상 중에 낙하 등의 우려가 없고, 안정된 인상이 가능하게 된다. 통상적으로, 동부 직경이 300㎜인 실리콘 단결정의 인상에서 채용되는 넥부 직경은 5~6㎜정도이며, 이 직경보다 상한측으로 여유가 있게 할 수 있고, 가능한 한 굵게 할 수 있기 때문이다.

또한, 넥부 직경을 어느 정도로 설정할 것인지에 대해서는, 상술의 실리콘 종결정 중의 붕소 농도나, 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)을 감안하여 적절히 정하면 된다.

본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법은, 동부 직경 300㎜ 이상의 대구경의 단결정의 육성에 적용하는 것이 바람직하다. 직경이 이보다 작은, 예를 들면 200㎜ 이하의 소경품이면, 매달리는 하중이 작고, 넥부의 직경을 5㎜ 보다 가늘게 할 수 있고, 무전위 단결정의 육성이 용이하므로, 본 발명의 육성 방법을 적용할 필요성이 작기 때문이다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법은, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성하는데 있어서, 고농도 붕소를 도핑한 실리콘 종결정을 사용하고, 또한 넥부의 종단으로부터 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각을 소정의 범위로 정하여 견부를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법이다. 이와 같이, 실리콘 종결정의 붕소 농도의 규정에 더해 인상 초기의 견부 형성시의 원추 부 열림각을 적정하게 규정함으로써, 결정축 방위가 [110]인 무전위 실리콘 단결정의 제조가 가능해진다.

또한, 이 방법에 의하면, 실리콘 종결정에 1.7×10¹⁹atoms/㎤ 이상 (저항율로 0.007Ω·㎝ 이하)의 붕소가 도핑되어 있으므로, 그에 맞춰서 실리콘 용해액의 붕소 농도를 적절히 조정함으로써, 고저항율의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 전원 컨트롤 등의 용도에 이용되고 있는 파워 반도체 디바이스용의 기판으로서 적층 웨이퍼가 주로 이용되고 있고, 그 때문에, 저소비 전력화가 가능한 저저항 실리콘 웨이퍼가 채용되고 있지만, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 실리콘 단결정은, 그러한 분야에서의 이용이 기대된다.

직경 300㎜, 결정 방위가 [110]인 실리콘 단결정을, 직동부의 목표 길이를 1500㎜로 하여, 사용하는 실리콘 종결정의 붕소 농도, 및 결정 인상시에 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)을 변경하여 육성해, 얻어지는 단결정에 있어서, 유전위화의 유무를 조사했다. 또한, 실리콘 용해액의 붕소 농도는, 상기 실리콘 용해액의 붕소 농도로 육성되는 단결정으로 형성되는 넥부의 붕소 농도를 붕소의 편석 계수로부터 상정하여, 이 넥부의 붕소 농도가 인상으로 이용한 실리콘 종결정의 붕소 농도와 동일 농도가 되도록 정했다. 또, 실리콘 단결정의 인상 개수는, 각 조건 모두 3개로 했다.

조사 결과를 표1에 나타낸다. 표 1에 있어서, 3개 모두의 실리콘 단결정을 무전위로 육성한 경우를 0으로 하여, 일부 실리콘 단결정이 유전위화된 경우를 △로 하고, 모든 단결정이 유전위화된 경우를 ×로 평가했다.

유전위화의 유무는, 인상된 단결정의 축방향을 따라 형성되는 정벽(晶癖)선의 유무에 의해 판단하여, 무전위로 판정된 경우에는, 또한 인상 후의 실리콘 단결정의 중앙부를 결정 길이 방향에 대해 수직으로 절단하여, 해당 절단 표면을 HF:HNO₃=1:5의 혼합액으로 밀러 에칭하여 샘플의 표면을 경면으로 한 후, 라이트액을 이용해 라이트 에칭한다. 이와 같이 하여 에칭한 샘플을 집광등에 의한 광조사 아래에서 목시에 의한 표면 관찰을 실시하여, 전위의 유무를 확인했다.

[표 1]

표 1의 시험 No. 1~7은, 붕소 농도를 본 발명의 규정 범위 내에서 일정(2×10¹⁹atoms/㎤)한 실리콘 종결정을 이용하여, 원추부의 열림각을 변경해 견부를 형성해, 실리콘 단결정의 육성을 실시했을 경우이지만, 열림각을 본 발명의 규정 범위 내로 유지한 시험 No.3~6에서는, 3개 모두의 단결정을 무전위로 육성할 수 있었다. 또한, 시험 No.7에서는, 무전위의 단결정이 육성되었지만, 열림각이 작고 견부의 형성에 시간이 걸려, 생산성의 관점에서 문제가 있었다.

시험 No.8~15는, 원추부의 열림각을 본 발명의 규정 범위 내에서 일정(목표 115°)으로서 견부를 형성하여, 실리콘 종결정의 붕소 농도를 변경해 실리콘 단결정의 육성을 실시했을 경우이지만, 붕소 농도를 본 발명의 규정 범위 내로 한 시험 No.11~15에서는, 무전위의 단결정을 육성할 수 있었다. 그 경우, 넥부의 직경을 10㎜로 해도(시험 No.13), 고농도 붕소의 첨가 작용 효과에 의해 전위의 전파를 저지하여 넥부에서 무전위화하는 것이 가능하고, 안정된 결정 육성이 가능한 것을 확인했다.

본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법은, 고농도의 붕소가 도핑된 실리콘 종결정을 이용하여 또한 견부 형성 때의 원추부의 열림각을 소정 범위로 유지하여 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로서, 이에 의해, 직경 300㎜ 이상의 대구경·대중량, 무전위 실리콘 단결정을, 인상 중에 단결정의 낙하 등의 우려 없이, 안정되게 육성할 수 있다.

따라서, 본 발명의 방법은, 반도체 재료로서의 실리콘 단결정 제조에 적합하게 이용할 수 있다.

도 1은 결정축 방위가 [110]이고 동부 직경이 300㎜의 단결정을 끌어올릴 때의, 인상 길이와 결정의 직경과의 관계를 예시하는 도면이다. 도 2는 넥부 종단으로부터 견부에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각(θ)의 설명도면이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1: 넥부

2: 견부

3: 원추부

4: 모선

Claims

쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 육성 방법으로서, 붕소 농도가 1.7×10¹⁹atoms/㎤ 이상인 실리콘 종결정을 이용하여, 넥부 종단으로부터 견부(肩部)에 걸쳐 형성되는 원추부의 열림각을 120~50°로 하여 견부를 형성하여, 결정축 방위가 [110]인 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

육성시에 있어서의 넥부의 직경을 5~10㎜로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.