JP2009274916A

JP2009274916A - シリコン単結晶及びその製造方法

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Publication number: JP2009274916A
Application number: JP2008128120A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kogure; 康弘小暮
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-05-15
Publication date: 2009-11-26

Abstract

【課題】シリコン単結晶の直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中にスリップ転位が発生した場合のスリップ転位の伝播について有効に抑制できるシリコン単結晶及びその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶５の直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶５中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液３中にボロンを添加することにより、製品部分である単結晶の直胴部には実質的に悪影響が及ぶことなくスリップ転位の伝播の有効な抑制が可能となる。ボロンを前記濃度にするためには、シリコン融液3中のボロン添加量を、0.009〜0.1質量％に調節することが好ましい。また、前記ボロン濃度増加にともなうシリコン結晶の抵抗率低下の影響が出ないようにするため、ボロン添加前の前記シリコン単結晶５中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性層用ウェーハと支持基板用ウェーハを、絶縁膜を介さずに直接貼り合わせ、活性層用ウェーハを薄膜化することにより形成される、貼り合わせウェーハの製造方法及びその製造方法に関するものである。

半導体デバイスの製造に使用されるシリコンウエーハは、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により成長させた単結晶から採取される。ＣＺ法とは、石英坩堝内に収容されたシリコンの原料融液に種結晶を漬け、種結晶及び石英坩堝を互いに逆方向に回転させながら種結晶を引き上げることにより、その下にシリコン（Si）の単結晶を成長させる方法である。

また、ＣＺ法によって製造されるシリコンウェーハは、デバイスチップの集積度向上に伴うチップ面積の拡大により大直径化が進んでおり、現在200mm（8インチ）〜300mm（12インチ）径の結晶でのデバイスプロセスの実操業化が進められている。しかし、ウェーハの大直径化によって、デバイスの歩留りは高くなる一方、大直径結晶や大容量の結晶成長方法においては、種結晶が融液に接触する際や、所望の長さに成長させた円筒形のシリコン単結晶の直胴部から直径を徐々に小さくしてテール部を円錐形にするテール部形成工程中に、スリップ転位が生じやすく、これが直胴部まで伝播するという問題があった。当然、スリップ転位が発生した部分については、製品として使用することができず、製品歩留まりが低下することから、現在に至るまで、スリップ転位の発生を防止する種々の方法が検討されている。

上記スリップ転位の発生を抑制する方法として、特殊形状の種結晶を用いる単結晶成長方法が開示されている。例えば、特許文献１に示すように、種結晶の先端部を円錐形にしたり、特許文献２に示すように、凹凸形状を有する種結晶を用いることで、前記絞り部を作製することなくシリコン単結晶を成長させることができるため、スリップ転位の発生を抑制することができるという方法である。

ただし、特許文献１及び特許文献２の方法は、特殊形状の種結晶を用い、種結晶の加工には高度な技術を必要とするためコストが大きくなり、また、テール部形成工程中に発生するスリップ転位については考慮されていないため、直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中にスリップ転位が発生し、種結晶を交換して再度引き上げ作業をやり直さなければならず、依然として解決すべき課題は残されていた。

さらにまた、製品として有害なスリップ転位は、一般に異物や熱ショックが育成中の界面で生じた際の過剰な応力によって発生し、（１１１）面を滑るように伝播し、その伝播長さは、通常、スリップ転位が発生した部分におけるシリコン単結晶の直径と同じ長さとなる。そのため、前記特許文献の方法では、スリップ転位の発生を抑制するという点では効果があるものの、発生したスリップ転位に対してその伝播を抑制するという効果はないため、スリップ転位の伝播を抑制する手段についても開発する必要があった。
特開平４−１０４９８８号公報特開２００５−２８１０６８号公報

本発明の目的は、シリコン単結晶の直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、所定の処理を施すことにより、スリップ転位が発生した場合のスリップ転位の伝播について有効に抑制できるシリコン単結晶及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記の課題を解決するため検討を重ねた結果、通常、5.4×10¹⁸atoms／cm³以下である前記シリコン単結晶中のボロン濃度が、1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液中にボロン（B）を添加することで、シリコン単結晶の降伏応力が増大し、スリップ転位の伝播を有効に抑制することが可能となり、また、前記ボロンの添加を、製品として実質的に使用されない単結晶のテール部の形成工程中に行うことで、ボロン添加によるシリコン単結晶の抵抗率低下という悪影響が製品となる単結晶の直胴部分に実質的に及ぶことなく、高い製品歩留まりでシリコン単結晶が製造可能であることを見出した。

上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）坩堝内に所要量のシリコン原料を充填し加熱溶融してシリコン融液にする工程と、種結晶を前記融液へ浸した後に、前記種結晶を、融液の液温と引き上げ速度を調整して上方に引き上げながら所定の直径をもつシリコン単結晶の製品となる直胴部形成のため鉛直方向に所定の長さまで引き上げる直胴部形成工程と、シリコン単結晶の直径を徐々に小さくしてテール部を円錐形にするテール部形成工程とを有する、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法において、前記直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液中にボロンを添加し、このボロン添加前の前記シリコン単結晶中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

（２）前記ボロンの添加量は、0.009〜0.1質量％であることを特徴とする上記（１）記載のシリコン単結晶の製造方法。

（３）前記直胴部でのシリコン単結晶の直径は200mm以上であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のシリコン単結晶の製造方法。

（４）製造したシリコン単結晶中のスリップ転位の長さが、スリップ転位の伝播開始位置でのシリコン単結晶直径の91％以下となることを特徴とする上記（１）、（２）または（３）記載のシリコン単結晶の製造方法。

（５）上記（１）〜（４）のいずれか１項記載のシリコン単結晶の製造方法により製造されたシリコン単結晶。

この発明によれば、シリコン単結晶の直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液中にボロンを添加し、このボロン添加前の前記シリコン単結晶中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下であることにより、従来の方法と同様にスリップ転位の発生を抑制しつつ、スリップ転位が発生した場合のスリップ転位の伝播について有効に抑制することが可能となった。

発明に従うシリコンウェーハの製造方法について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の製造方法に用いる単結晶引き上げ装置を示し、図２は、本発明の製造方法によって製造されたシリコン単結晶を示す。本発明に従うチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法は、図１に示す単結晶引き上げ装置を用いて、石英坩堝２１及び黒鉛坩堝２２からなる坩堝２内に所要量のシリコン原料を充填し、ヒーター１０を用いて加熱溶融してシリコン融液３にする工程と、種結晶４を前記融液３へ浸した後に、前記種結晶４を、融液３の液温と引き上げ速度を調整して上方に引き上げながら所定の直径をもつシリコン単結晶５の製品となる直胴部１３を鉛直方向に所定の長さまで引き上げる直胴部形成工程と、シリコン単結晶５の直径を徐々に小さくして円錐形のテール部１４を形成するテール部形成工程とを有する製造方法である。

ここで、前記チョクラルスキー法は、特にテール部形成工程中において、シリコン単結晶５の融液からの急激な切り離しや、結晶５の成長速度及び温度の変化によって、結晶５内の応力が過大となる場合、並びに、シリコン融液３内に存在する異物が結晶成長界面に取り込まれたときに成長を乱した場合に、前記シリコン単結晶５内にスリップ転位が発生し、この発生したスリップ転位が、その発生位置の直径と同じ長さだけ上方に転位が伝播するという問題があった。そのため、本発明者らは、直胴部の末端部分に伝播により生じる転位を抑制するための検討を行った。ところで、文献（T. Fukuda and A. Ohsawa、Proc. Of The 2nd Symp. on Defects in Si、Electrochemical Society、NJ、1991年、vol.91-9、p.173）には、ボロン添加により、ボロンが転位を固着し、その結果、降伏応力が増加することが示されている。そこで本発明者らは、このシリコン結晶と降伏応力のボロン濃度の関係（図３）に着目し、スリップ転位の発生を抑制しつつ、スリップ転位の伝播についても防止することができるシリコン単結晶の製造方法について鋭意研究を行った。その結果、前記ボロンの添加はシリコン結晶の抵抗率低下という悪影響を製品に及ぼすため、一部の低抵抗品を除き、一般的にシリコン単結晶中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下とすることが必要であるが、製品として使用されない直胴部の末端部分（不良部分）またはテール部中に、ボロンを1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるように前記シリコン融液中へ添加することで、製品部分である単結晶の直胴部には実質的に悪影響が及ぶことなくスリップ転位の伝播の有効な抑制が可能となることを見出した。

そのため、ボロン添加前の前記シリコン単結晶５中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下となるようにし、前記直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶５中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液３中にボロンを添加する必要がある。ここで、ボロン添加前の前記シリコン単結晶５中のボロン濃度を5.4×10¹⁸atoms／cm³以下としたのは、一般的な物性をもつシリコン単結晶のボロン濃度であるとともに、シリコン結晶の抵抗率低下の影響が出ないようにするためである。また、前記直胴部形成工程の後半とは、直胴部１３の末端部位置から直胴部１３の全体長さＬの70〜100％の長さの領域にある部分をいう。図２に示すように、特に直胴部１３の下部が品質不良部１５となった段階でボロンの添加を行うことが、シリコン単結晶の有効利用の点で好ましい。なお、前記品質不良部１５とは、品質に影響し、製品として払い出せない部位のことであり、例えば、熱履歴や故意に添加した不純物が濃化し、許容レベル以上になった直胴部１３の一部等である。

また、前記シリコン単結晶５中のボロン濃度を1.0×10¹⁹ atoms／cm³とするために、前記融液３にボロンを添加し、前記融液３の濃度を調節する必要があるが、ボロンの前記シリコン融液3中の添加量は、0.009〜0.1質量％であることが好ましい。0.009質量％未満では、前記シリコン単結晶５中のボロン濃度を1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上にすることができないためであり、0.1質量％超えでは、ボロン濃度が高すぎるため、シリコン融液内で溶質過多による組成的過冷却現象が生じ単結晶成長を阻害するからである。

さらに、融液３に対して0.009〜0.1質量％になるように計算された量のボロンは、図１に示すように、炉外から炉内へ通ずるパイプ状のドーパント供給装置６を用いて坩堝２内のシリコン融液３の表面またはシリコン融液３中に、タイミングを見て投下することが好ましい。前記ドーパント供給装置６とは、炉外にドーパント保持容器７及びドーパント投下管８を有し、運転中もボロンの充填、投下ができるように炉内とのアイソレーションバルブ９及びガスパージ機能（図示せず）を備えたものであり、手動または自動で、任意の投下タイミングに投下を行える装置である。

また、本発明による製造方法で製造した前記シリコン単結晶５の直胴部１３における直径は、特に限定されることなく、製品の仕様等によっても異なるが、できるだけ大きいほうが本発明の効果が顕著であるため、200mm以上であることが好ましい。前記スリップ転位の伝播量は、通常はスリップ転位が発生した部分の直径とほぼ等しくなることが知られており、前記シリコン単結晶の直径が大きくなるほど発生したスリップ転位の伝播長さが長くなるため製品歩留まりの低下が大きくなることから、本発明によるスリップ転位の伝播抑止効果が有効に発揮されるためである。

さらに、前記ボロン添加によるスリップ転位の伝播抑止効果により、製造したシリコン単結晶中のスリップ転位の長さは、スリップ転位の伝播開始位置でのシリコン単結晶直径の91％以下とすることが可能となる。一般に、前記スリップ転位の伝播量は、スリップ転位伝播開始位置での直径と等しくなるが、本発明では、従来技術に比べ9％以上のスリップ転位の伝播抑制効果を有している。

上記のシリコン単結晶の製造方法によって、前記単結晶の直胴部分にまで伝播しがちな、スリップ転位の伝播を有効に抑制したシリコン単結晶を得ることができる。

なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。

（実施例１〜７及び比較例１〜４）
評価用のサンプル１〜１１（実施例１〜７及び比較例１〜４）については、以下の手順（１）〜（４）で作製した。
（１）坩堝内にシリコン原料を充填し炉内圧4.0×10³Pa、アルゴンガス流量100slpmの雰囲気内で加熱溶融して約1420℃程度のシリコン融液を形成した。このときのシリコン融液中のボロン濃度は6.2×10⁻⁶質量％であった。
（２）その後、種結晶を前記融液へ浸し、種結晶の回転速度12rpm、坩堝の回転速度15rpm、引き上げ速度3〜4mm/minで同一雰囲気中種結晶を引き上げることにより絞り部を形成し、絞り部形成後、回転速度12〜15rpm、引き上げ速度0.5〜0.8mm/minで、シリコン単結晶の直径が200mmになるまで徐々に大きくしていき、ショルダー部を形成した。
（３）ショルダー部形成後、前記種結晶を炉内圧4.0×10³〜8.0×10³Pa、アルゴンガス流量50slpm、融液の液温を約1415℃、結晶の回転速度15rpm、坩堝の回転速度６〜10rpm、引き上げ速度を0.8〜0.6mm／minに調整しながら上方に引き上げ、直径200mm、長さ1.5mの直胴部を形成した。なお、融液中にボロンを添加する前の直胴部のボロン濃度は、9.0×10¹⁵atoms／cm³であった。
（４）直胴部形成後、ドーパント投下装置を用いて、融液中にボロンの添加を行い（サンプル１については添加せず）、添加後のシリコン単結晶中のボロン濃度が表１に示すような値となるようサンプルごとに調整した後、回転速度15rpm、引き上げ速度0.6〜1.0mm/minで、シリコン単結晶の直径を徐々に小さくしていき円錐形のテール部を形成してシリコン単結晶の評価用サンプル１〜１１を製造した。

（評価方法）
上記で作製した各サンプルの、ボロン添加後のシリコン単結晶中のボロン濃度、及びスリップ転位伝播率{(スリップ転位の長さ／スリップ転位発生位置での単結晶の直径)×100％}を計測し、計測結果を表１に示す。さらに、各サンプルのボロン濃度とスリップ転位の伝播率（％）の関係をプロットし、その結果を図４に示す。

表１の結果から、シリコン単結晶中のボロン濃度が1.0×10¹⁹（atoms/cm³）以上である実施例１〜７（サンプル５〜１１）のスリップ転位伝播率（％）は、ボロン濃度が1.0×10¹⁹（atoms/cm³）未満である比較例１〜４（サンプル１〜４）に比べ伝播率が小さくなっており、製品歩留まりが向上した。また、実施例１〜７（サンプル５〜１１）を比較した場合、ボロン濃度が高くなるほど、スリップ転位の伝播率が小さくなっていることがわかる。
また、図４の結果から、添加後の単結晶中のボロン濃度（atoms/cm³）が1.0×10¹⁹atoms/cm³のときを境に、スリップ転位の伝播を抑制する効果が発揮できていることがわかる。

この発明によれば、シリコン単結晶の直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液中にボロンを添加することにより、従来の方法と同様にスリップ転位の発生を抑制しつつ、スリップ転位が発生した場合のスリップ転位の伝播について有効に抑制することが可能になった。

本発明の製造方法に用いる、単結晶引き上げ装置及びドーパメント投下装置の模式断面図を示す。本発明の製造方法により製造されたシリコン単結晶を示す正面図である。シリコン結晶の降伏応力とボロン濃度との関係を示すグラフである。実施例及び比較例の各サンプルについての、単結晶中のボロン濃度（atoms/cm³）と、スリップ転位の伝播率（％）との関係を示したグラフである。

符号の説明

１単結晶引き上げ装置
２坩堝
３シリコン融液
４種結晶
５シリコン単結晶
６ドーパメント投下装置
７ドーパメント保持容器
８ドーパメント投下管
９アイソレーションバルブ
１０ヒーター
１１絞り部
１２ショルダー部
１３直胴部
１４テール部
１５品質不良部
２１石英坩堝
２２黒鉛坩堝

Claims

坩堝内に所要量のシリコン原料を充填し加熱溶融してシリコン融液にする工程と、種結晶を前記融液へ浸した後に、前記種結晶を、融液の液温と引き上げ速度を調整して上方に引き上げながら所定の直径をもつシリコン単結晶の製品となる直胴部形成のため鉛直方向に所定の長さまで引き上げる直胴部形成工程と、シリコン単結晶の直径を徐々に小さくしてテール部を円錐形にするテール部形成工程とを有する、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法において、
前記直胴部形成工程の後半またはテール部形成工程中に、前記シリコン単結晶中のボロン濃度が1.0×10¹⁹ atoms／cm³以上となるよう前記シリコン融液中にボロンを添加し、このボロン添加前の前記シリコン単結晶中のボロン濃度は5.4×10¹⁸atoms／cm³以下であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
前記ボロンの添加量は、0.009〜0.1質量％であることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
前記直胴部でのシリコン単結晶の直径は200mm以上であることを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。
製造したシリコン単結晶中のスリップ転位の長さが、スリップ転位の伝播開始位置でのシリコン単結晶直径の91％以下となることを特徴とする請求項１、２または３記載のシリコン単結晶の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１項記載のシリコン単結晶の製造方法により製造されたシリコン単結晶。