JP3969766B2 - シリコン単結晶のネック部において転位を除去する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、チョクラルスキー法(Ｃzochralski process)によって成長させるシリコン単結晶の製造に関する。本発明は、特に、シリコン単結晶の本体部を成長させる前にネック部内の転位(dislocation)を除去することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体電子部品を形成する大部分の方法の出発材料である単結晶シリコンは、いわゆるチョクラルスキー法によって通常製造される。この方法では、多結晶シリコン（ポリシリコン（"polysilicon")）をルツボに入れて溶融させ、溶融しているシリコンに種子結晶を接触させ、徐々に引き上げることによって単結晶を成長させる。結晶成長が始まる際に、種子結晶と溶融シリコンとが接触する熱衝撃（thermal shock）によって、結晶中に転位が生じる。転位は、種子結晶と結晶の本体部との間のネック部の領域において除去されなければ、成長しつつある結晶全体にわたって増殖する。
【０００３】
シリコン単結晶中の転位を除去する常套のダッシュ(Ｄash）法は、小さな直径（２〜４mm）のネック部を速い結晶引き上げ速度（６mm／分程度）で成長させて、結晶の本体部を成長させる前に転位を完全に除去することを含む。（ダッシュ・ネックとして知られる）ネック部が１００mmまでの長さに成長する場合でも、転位は除去される。
【０００４】
ネック部において転位を除去した後、結晶の本体部の所望の直径に達するまで、ネック部の直径を拡大する。溶融物の大部分が使い果たされるまで結晶の本体部を溶融物から引き上げると、先が細くなった結晶の末端部が形成され、結晶引き上げ装置から結晶が取り出される。
【０００５】
結晶の最も弱い部分であるネック部は、結晶の成長の間に壊れて、結晶の本体部をルツボの中に落下させることがある。結晶インゴット(ingot）の衝撃およびはね上がる溶融ポリシリコンによって、ルツボ、蓄熱器(susceptor）およびヒーターを壊したり、ポリシリコン溶融物が回収できないようになったり、安全面の重大な危機をもたらしたりすることがある。ダッシュ・ネックを有する常套の２００mm直径の結晶は、一般に、ネック部の応力割れ(stress fracture）を最小にするために、１００kgまたはそれ以下の重量まで成長させる。
【０００６】
ネック部の直径が増大することによってネック部の割れから生じる装置および原料の損失ならびに安全面の危険を最小にする試みがなされてきた。日本国特開平０５−４３３７９号には、ダッシュ・ネックの直径よりも大きな直径を有するネック部を形成しつつ、転位を除去する方法が記載されている。ネック部が４mm／分〜６mm／分の範囲の速度で引き上げられ、４.５mm〜１０mmの範囲の一定の直径が維持される場合に、転位が除去される。ネック部の直径が１０mmを越えると、転位を除去することは困難とされている。
【０００７】
直径が１０mmを越えるネック部から転位を一貫して除去することはできないということが、この産業分野において一般に認められている。ダッシュ・ネックによって支持することのできる結晶本体部の重量が制限されているのに、ダッシュ法による大部分のシリコン単結晶のネック部は増え続けている。
【０００８】
結晶の本体部用に追加の支持手段を設けることによってネック部の割れを減少することが他の者により試みられている。米国特許第５,１２６,１１３号には、単結晶インゴットを成長させる際にそのインゴットを支持するための装置が記載されている。結晶中の転位は、ダッシュ法による小さな直径のネック部の成長によって除去される。続いて、結晶本体部の円錐状の部分が始まる前に、ダッシュ・ネックの下側で大きな直径の膨らみ部(bulge）を成長させる。結晶の本体部を成長させる際に、機械式のグリップが膨らみ部の下側の凹所に係合して、結晶の本体部を支持する。グリップが結晶を保持する際に、グリップは安定な結晶成長の操作条件を損なうこともあるし、ダッシュ・ネックを壊すこともある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
装置の損傷、原料の損失、安全面の危機ならびに処理量および収率の低下を実質的に伴うことなく、より大きな直径の無転位の（即ち、転位のない（dislocation-free))単結晶を製造することができるように、単結晶のネック部内で転位を排除する改良した方法が必要とされている。
【００１０】
従って、本発明の目的の内で、無転位の大きな直径のネック部を有する単結晶を提供すること、結晶の成長ないし取扱いの間に重い結晶の本体部を壊れることなく支持することのできるネック部を有する単結晶を提供すること、常套のネック部によっては支持することのできない大きな直径の結晶の本体部を支持することができるネック部を有する単結晶を提供すること、ならびにチョクラルスキー法により成長させる無転位単結晶の収率および処理量に向上をもたらすことが注目される。
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有してなり、チョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶が提供される。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分の大部分は１０mmより大きな直径を有しており、下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアする（flaring; 円錐台状に拡がる）セグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部をも有する。
【００１２】
本発明によれば、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有してなり、チョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶が提供される。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分は、直径が約１０mmより小さな部分を有さない。下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部をも有する。本体部は少なくとも２００kgの重量があり、本体部を溶融シリコンから成長させる際に本体部はネック部によって完全に支持される。
【００１３】
本発明のもう１つの態様は、ｐ+ 型シリコンからチョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶を提供することである。結晶は、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有する。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分の大部分は１０mmより大きな直径を有しており、中間部分と下側部分には、約８.５mm未満の直径の部分も約１７mmを越える直径の部分も存在しない。下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部を有する。
【００１４】
本発明の更にもう１つの態様は、チョクラルスキー法によって成長させるシリコン単結晶のネック部において転位を除去するための方法である。多結晶シリコンをルツボ内で加熱して溶融物をする。種子結晶と溶融物との接触を種子結晶が溶融し始めるまで行い、種子結晶に転位を生じさせる。続いて、種子結晶を溶融物から引き上げると、上側部分および中間部分を有してなるネック部が形成される。上側部分は、種子結晶と中間部分との間にあり、転位を有する。中間部分の大部分は１０mmを越える直径を有している。中間部分内の転位が除去されるまで、ネック部を約４.０mm／分未満の速度で成長させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に従って、結晶の引き上げを約４.０mm／分未満の速度で行う場合に、１０mmを越える直径を有する結晶のネック部において転位を除去することができるということが見出された。より遅い引き上げ速度にてネック部を成長させる場合に、転位の生成よりも速い速度で転位がなくなり、大きな直径の結晶のネック部において転位が完全に除去されるということが見出された。本発明によれば、直径４００mm以上、重量２００kg以上の結晶インゴットを成長させることができる。
【００１６】
ここで図１を参照すると、種子結晶１２、ネック部１４、コーン部（円錐部）１６、ショルダー部１８および本体部２０を有する単結晶１０が示されている。結晶１０は、チョクラルスキー法によって、無転位の種子結晶１２および溶融半導体材料、例えばシリコンなどから成長を開始する。
【００１７】
ネック部１４は、種子結晶１２をシリコン溶融物から引き上げる際に成長させる上側部分２２、上側部分の下側で成長させる中間部分２４、および中間部分の下側で成長させる下側部分２６を有する。中間部分２４および下側部分２６は、実質的に一定の直径で成長させる。本発明の目的のためには、ネック部の中間および下側部分の直径が、中間および下側部分の長手方向に沿って、所望の直径の１５％以内で保持される場合に、実質的に一定の直径が保たれる。上側部分２２は、一般に、種子結晶１２の直径から、中間部分２４のより小さく実質的に一定な直径へ先細りになっている。尤も、上側部分が中間部分に対して外側にフレアすることがないように、種子結晶と上側部分と中間部分と下側部分の直径は実質的に同じであってよい。
【００１８】
種子１２に隣接する上側部分２２のセグメントは、無転位の種子結晶をシリコン溶融物に接触させた際の熱衝撃によって最初に導入された（図示しない）転位を有する。ネック部を約４.０mm／分より小さい引上げ速度（pull rate）で成長させる場合、転位は生成する速度よりも速い速度で消滅する。転位の密度(density）はネック部の中間部分では低くなり、ネック部の下側部分２６において転位は完全になくなる。
【００１９】
ネック部の下側部分２６に一旦転位が存在しなくなると、チョクラルスキー法の残りの部分は常套のように進行する。コーン部１６の外側にフレアするセグメント２８を、ネック部の無転位の下側部分に隣接して成長させる。コーン部１６は、結晶の直径を継続的に増大させることによって成長させる。単結晶が所望の直径に達すると、ショルダー部１８を生成させる。続いて、本体部２０をショルダー部１８と同じ直径で成長させるように、引き上げ速度を維持する。溶融物がほとんど使い果されると、引き上げ速度の増大および溶融物温度の上昇によって、先細りの（図示しない）テールエンドが生成する。ネック部の成長後、単結晶は無転位の状態を保つことができる。常套のチョクラルスキー引き上げ装置（Czochralski puller）内で一般的な成長条件下においては、シリコン中における新たな転位の生成は極めて困難である。
【００２０】
本発明の方法は、ネック部の大きな直径を維持しつつ、ネック部において転位を除去するものである。ネック部の中間部分および下側部分の大部分は、１０mmを越える直径に成長する。中間部分および下側部分の少なくとも約５０％、６０％または７０％が１０mmを越える直径を有することが好ましく、より好ましくは少なくとも約８０％、更に好ましい場合には少なくとも約９０％または１００％がそうである。コーン部の外側にフレアするセグメントの成長が始まる前に、ネック部内の転位は除去されなければならない。本発明の好ましい態様において、中間部分および下側部分に約１７mmを越える直径を有する部分、より好ましくは約１５mmを越える直径を有する部分が存在しない限り、転位は除去される。好ましくは、中間部分および下側部分のいかなる部分も約８.５mmより小さいまたは約１７mmを越える直径を有することはなく、より好ましくは約１０mmより小さいまたは約１５mmを越える直径を有することはなく、更に好ましくは約１０mmより小さいまたは約１３mmを越える直径を有することはない。
【００２１】
４.０mm／分未満、好ましくは３.０mm／分未満の引き上げ速度でのネック部の成長の間、ネック部の中間部分および下側部分の直径は保たれる。一般に、引き上げ速度は、約１.０mm／分〜約３.０mm／分、好ましくは、約１.８mm／分〜約２.２mm／分の範囲であり、より好ましい速度は約２.０mm／分である。より速い引き上げ速度を用いることもできるが、ネック部の直径における変動を制御することが困難となることがあり、過度の変動により転位を生じることがあるということが、現在までに経験的に判明している。１.０mm／分未満の引き上げ速度では転位を除去することが困難になり得るということもダッシュ法によるネック部の成長について経験的に判明している。
【００２２】
引き上げ速度は、結晶成長プロセスの間中で直径の変動に応じて調節される。ネック部の中間部分および下側部分の直径が、所望の直径の１５％内で保たれる（即ち、実質的に一定である）、または、好ましくは所望の直径の１０％内で保たれる場合に、ネック部から転位を除去することができる。引き上げ速度および溶融物温度を用いることにより、直径が許容される範囲内に維持される。直径が小さくなり過ぎると引き上げ速度を低下し、直径が大きくなり過ぎると引き上げ速度を増大する。
【００２３】
ネック部は、全ての転位が除去される長さに成長させる。所望の直径、引き上げ速度および長さにて結晶のネック部を成長させ、ネック部の全長の軸方向のスライス面を磨き、表面のラッピング(lapping）および化学的エッチングを行って転位箇所を現れさせ、転位が除去された長さを測定することによって、適当な長さを測定することができる。同じ直径および引き上げ速度にて成長させた後続の結晶は、ほぼ同じ長さに成長させることができる。例えば、所望の直径が１０mm〜約１３mmの範囲である場合、ネック部の中間および下側部分を、約１２０mm〜約１８０mmの範囲、より好ましくは約１５０mm〜約１６０mmの範囲の長さとなるように成長させることが好ましい。転位を除去するために必要とされるよりも長く中間部分および下側部分を成長させることは、結晶引き上げ操作のコストを上昇させ、処理量を低下させる。
【００２４】
本発明の方法は、シリコン単結晶の大きな直径のネック部における転位を除去するために特に適する。本発明の方法は、ホウ素がドーピングされて、０.１Ω−cmを越えない抵抗率を有するｐ+ 型シリコンにより形成された単結晶中の転位を除去するために使用されることが好ましい。本発明の方法は、他の半導体材料または他の種類のシリコンにより形成される単結晶中の転位を除去するために用いることもできるが、転位の除去はｎ+ 型やｐ- 型シリコンからよりもｐ+ 型シリコンからの方がより容易であることが経験的に見出されている。
【００２５】
本発明の方法は、市販の結晶引き上げ装置、例えばハムコ・モデル(Hamco model）３０００ チョクラルスキー引き上げ装置（CZ puller）などを用いる場合には自動化することができる。オペレータは、ネック部の中間および下側部分の所望の直径および長さ、目標引き上げ速度、およびチョクラルスキー引上げ法の残りのパラメータを選択することができる。結晶引き上げ装置によって直径、引き上げ速度およびヒーター出力を制御して、上述のように中間および下側部分について直径を実質的に一定に維持することができる。結晶の成長の間、結晶表面にファセット・ライン(facet line)が存在することにより、結晶中に転位が存在しないことが示される。結晶を引き上げた後、インゴットをスライスしてウェハー（wafer）とすることができ、それを転位について分析して、無転位（zero dislocation）結晶が成長したかどうかを調べることができる。ウェハーの目視検査によって転位が明白である場合、結晶のネック部において転位を除去できなかった可能性がある。
【００２６】
【実施例】
以下の実施例は、本発明の好ましい態様例および有用性を説明するために示すものであって、特許請求の範囲において特に断らない限り、本発明を限定するものではない。
【００２７】
実施例１
１×１０19 ホウ素原子／cm3（目標抵抗率０.００９Ω−cm）を含むｐ+ 型ポリシリコン塊２６kgを入れた溶融石英ルツボを含む自動化されたハムコ・モデル３０００チョクラルスキー結晶引き上げ装置において、シリコン単結晶の引き上げを行った。目標引き上げ速度２.４mm／分、ネック部直径１１mmおよびネック部長さ２００mmを選択した。所望のネック部直径が維持されるように、結晶引き上げ装置によりヒータ出力および引き上げ速度を調節しながら、ネック部を自動的に成長させた。
【００２８】
続いて、単結晶のネック部を化学的にエッチングして転位を発現させた。ネック部全体の軸方向断面の（１１０）面を磨き、機械的に研磨し、続いてＨＡｃ（酢酸）：ＨＮＯ3 （硝酸）：ＨＦ（フッ化水素酸）の１０：３：１の溶液中で１０分間化学的に研磨して表面の損傷を除去した。続いて、表面を２０分間ライト・エッチ（Wright Etch）して転位のエッチピット(dislocation etch pit）を発現させた。ニコン・ノルマルスキー干渉位相差顕微鏡（Interference Contrast microscope）を用いて、１００倍の倍率でエッチピットを観察した。結晶の中央部（−◆−）および端部（−●−）における長手方向に沿う転位の密度を図２に示す。ネック部の底の部分において１８０mm〜２００mmの範囲にわたって転位エッチピットの観察されない部分があり、結晶のネック部内で転位が完全に除去されていることが示された。
【００２９】
実施例２
１×１０19 ホウ素原子／cm3（目標抵抗率０.００９Ω−cm）を含むｐ+ 型ポリシリコン塊６０kgを入れたレイボールド(Leybold）−２０００チョクラルスキー結晶引き上げ装置において、シリコン単結晶の引き上げを行った。目標引き上げ速度２.０mm／分、ネック部直径１３mmおよびネック部長さ１６５mmを選択した。所望のネック部直径が維持されるように、結晶引き上げ装置によりヒータ出力および引き上げ速度を調節しながら、ネック部を自動的に成長させた。ネック部の成長の間、ネック部の直径は１２mm〜１４mmの間で変動し、実際の引き上げ速度は１.０mm／分〜３.０mm／分の範囲で変動した。
結晶ランの間中、転位が存在しないことを示すファセット・ラインが存在した。更に、単結晶から切り出したウェハー内に転位のエッチピットは目視的に観察されず、このことによって結晶のネック部内の転位が完全に除去されていることが示された。
【００３０】
本発明は種々の変形および変更を加えた形態をとることが可能であり、それらの特定の態様を一例として図面に示して、本明細書において詳細に説明した。しかしながら、開示した特定の形態に本発明を限定することを意図するものではなく、反対に、特許請求の範囲に規定するように、本発明の精神および範囲の中に含まれる全ての変形例、均等例および代替例も本発明には含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の態様例における単結晶の上部領域を示す垂直断面図である。
【図２】 単結晶のネック部の長手方向の転位の密度を示す図である。
【符号の説明】
単結晶…１０、 種子結晶…１２、 ネック部…１４、
コーン部…１６、 ショルダー部…１８、 本体部…２０、
上側部分…２２、 中間部分…２４、 下側部分…２６、
外側にフレアするセグメント…２８。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、チョクラルスキー法(Ｃzochralski process)によって成長させるシリコン単結晶の製造に関する。本発明は、特に、シリコン単結晶の本体部を成長させる前にネック部内の転位(dislocation)を除去することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体電子部品を形成する大部分の方法の出発材料である単結晶シリコンは、いわゆるチョクラルスキー法によって通常製造される。この方法では、多結晶シリコン（ポリシリコン（"polysilicon")）をルツボに入れて溶融させ、溶融しているシリコンに種子結晶を接触させ、徐々に引き上げることによって単結晶を成長させる。結晶成長が始まる際に、種子結晶と溶融シリコンとが接触する熱衝撃（thermal shock）によって、結晶中に転位が生じる。転位は、種子結晶と結晶の本体部との間のネック部の領域において除去されなければ、成長しつつある結晶全体にわたって増殖する。
【０００３】
シリコン単結晶中の転位を除去する常套のダッシュ(Ｄash）法は、小さな直径（２〜４mm）のネック部を速い結晶引き上げ速度（６mm／分程度）で成長させて、結晶の本体部を成長させる前に転位を完全に除去することを含む。（ダッシュ・ネックとして知られる）ネック部が１００mmまでの長さに成長する場合でも、転位は除去される。
【０００４】
ネック部において転位を除去した後、結晶の本体部の所望の直径に達するまで、ネック部の直径を拡大する。溶融物の大部分が使い果たされるまで結晶の本体部を溶融物から引き上げると、先が細くなった結晶の末端部が形成され、結晶引き上げ装置から結晶が取り出される。
【０００５】
結晶の最も弱い部分であるネック部は、結晶の成長の間に壊れて、結晶の本体部をルツボの中に落下させることがある。結晶インゴット(ingot）の衝撃およびはね上がる溶融ポリシリコンによって、ルツボ、蓄熱器(susceptor）およびヒーターを壊したり、ポリシリコン溶融物が回収できないようになったり、安全面の重大な危機をもたらしたりすることがある。ダッシュ・ネックを有する常套の２００mm直径の結晶は、一般に、ネック部の応力割れ(stress fracture）を最小にするために、１００kgまたはそれ以下の重量まで成長させる。
【０００６】
ネック部の直径が増大することによってネック部の割れから生じる装置および原料の損失ならびに安全面の危険を最小にする試みがなされてきた。日本国特開平０５−４３３７９号には、ダッシュ・ネックの直径よりも大きな直径を有するネック部を形成しつつ、転位を除去する方法が記載されている。ネック部が４mm／分〜６mm／分の範囲の速度で引き上げられ、４.５mm〜１０mmの範囲の一定の直径が維持される場合に、転位が除去される。ネック部の直径が１０mmを越えると、転位を除去することは困難とされている。
【０００７】
直径が１０mmを越えるネック部から転位を一貫して除去することはできないということが、この産業分野において一般に認められている。ダッシュ・ネックによって支持することのできる結晶本体部の重量が制限されているのに、ダッシュ法による大部分のシリコン単結晶のネック部は増え続けている。
【０００８】
結晶の本体部用に追加の支持手段を設けることによってネック部の割れを減少することが他の者により試みられている。米国特許第５,１２６,１１３号には、単結晶インゴットを成長させる際にそのインゴットを支持するための装置が記載されている。結晶中の転位は、ダッシュ法による小さな直径のネック部の成長によって除去される。続いて、結晶本体部の円錐状の部分が始まる前に、ダッシュ・ネックの下側で大きな直径の膨らみ部(bulge）を成長させる。結晶の本体部を成長させる際に、機械式のグリップが膨らみ部の下側の凹所に係合して、結晶の本体部を支持する。グリップが結晶を保持する際に、グリップは安定な結晶成長の操作条件を損なうこともあるし、ダッシュ・ネックを壊すこともある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
装置の損傷、原料の損失、安全面の危機ならびに処理量および収率の低下を実質的に伴うことなく、より大きな直径の無転位の（即ち、転位のない（dislocation-free))単結晶を製造することができるように、単結晶のネック部内で転位を排除する改良した方法が必要とされている。
【００１０】
従って、本発明の目的の内で、無転位の大きな直径のネック部を有する単結晶を提供すること、結晶の成長ないし取扱いの間に重い結晶の本体部を壊れることなく支持することのできるネック部を有する単結晶を提供すること、常套のネック部によっては支持することのできない大きな直径の結晶の本体部を支持することができるネック部を有する単結晶を提供すること、ならびにチョクラルスキー法により成長させる無転位単結晶の収率および処理量に向上をもたらすことが注目される。
本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有してなり、チョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶が提供される。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分の大部分は１０mmより大きな直径を有しており、下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアする（flaring; 円錐台状に拡がる）セグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部をも有する。
【００１２】
本発明によれば、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有してなり、チョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶が提供される。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分は、直径が約１０mmより小さな部分を有さない。下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部をも有する。本体部は少なくとも２００kgの重量があり、本体部を溶融シリコンから成長させる際に本体部はネック部によって完全に支持される。
【００１３】
本発明のもう１つの態様は、ｐ+ 型シリコンからチョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶を提供することである。結晶は、上側部分、中間部分および下側部分を有するネック部を有する。上側部分は転位を有する。中間部分は、上側部分と下側部分の間の部分である。中間部分と下側部分の大部分は１０mmより大きな直径を有しており、中間部分と下側部分には、約８.５mm未満の直径の部分も約１７mmを越える直径の部分も存在しない。下側部分には転位が存在しない。結晶は、ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメントおよび該外側にフレアするセグメントに隣接する本体部を有する。
【００１４】
本発明の更にもう１つの態様は、チョクラルスキー法によって成長させるシリコン単結晶のネック部において転位を除去するための方法である。多結晶シリコンをルツボ内で加熱して溶融物をする。種子結晶と溶融物との接触を種子結晶が溶融し始めるまで行い、種子結晶に転位を生じさせる。続いて、種子結晶を溶融物から引き上げると、上側部分および中間部分を有してなるネック部が形成される。上側部分は、種子結晶と中間部分との間にあり、転位を有する。中間部分の大部分は１０mmを越える直径を有している。中間部分内の転位が除去されるまで、ネック部を約４.０mm／分未満の速度で成長させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に従って、結晶の引き上げを約４.０mm／分未満の速度で行う場合に、１０mmを越える直径を有する結晶のネック部において転位を除去することができるということが見出された。より遅い引き上げ速度にてネック部を成長させる場合に、転位の生成よりも速い速度で転位がなくなり、大きな直径の結晶のネック部において転位が完全に除去されるということが見出された。本発明によれば、直径４００mm以上、重量２００kg以上の結晶インゴットを成長させることができる。
【００１６】
ここで図１を参照すると、種子結晶１２、ネック部１４、コーン部（円錐部）１６、ショルダー部１８および本体部２０を有する単結晶１０が示されている。結晶１０は、チョクラルスキー法によって、無転位の種子結晶１２および溶融半導体材料、例えばシリコンなどから成長を開始する。
【００１７】
ネック部１４は、種子結晶１２をシリコン溶融物から引き上げる際に成長させる上側部分２２、上側部分の下側で成長させる中間部分２４、および中間部分の下側で成長させる下側部分２６を有する。中間部分２４および下側部分２６は、実質的に一定の直径で成長させる。本発明の目的のためには、ネック部の中間および下側部分の直径が、中間および下側部分の長手方向に沿って、所望の直径の１５％以内で保持される場合に、実質的に一定の直径が保たれる。上側部分２２は、一般に、種子結晶１２の直径から、中間部分２４のより小さく実質的に一定な直径へ先細りになっている。尤も、上側部分が中間部分に対して外側にフレアすることがないように、種子結晶と上側部分と中間部分と下側部分の直径は実質的に同じであってよい。
【００１８】
種子１２に隣接する上側部分２２のセグメントは、無転位の種子結晶をシリコン溶融物に接触させた際の熱衝撃によって最初に導入された（図示しない）転位を有する。ネック部を約４.０mm／分より小さい引上げ速度（pull rate）で成長させる場合、転位は生成する速度よりも速い速度で消滅する。転位の密度(density）はネック部の中間部分では低くなり、ネック部の下側部分２６において転位は完全になくなる。
【００１９】
ネック部の下側部分２６に一旦転位が存在しなくなると、チョクラルスキー法の残りの部分は常套のように進行する。コーン部１６の外側にフレアするセグメント２８を、ネック部の無転位の下側部分に隣接して成長させる。コーン部１６は、結晶の直径を継続的に増大させることによって成長させる。単結晶が所望の直径に達すると、ショルダー部１８を生成させる。続いて、本体部２０をショルダー部１８と同じ直径で成長させるように、引き上げ速度を維持する。溶融物がほとんど使い果されると、引き上げ速度の増大および溶融物温度の上昇によって、先細りの（図示しない）テールエンドが生成する。ネック部の成長後、単結晶は無転位の状態を保つことができる。常套のチョクラルスキー引き上げ装置（Czochralski puller）内で一般的な成長条件下においては、シリコン中における新たな転位の生成は極めて困難である。
【００２０】
本発明の方法は、ネック部の大きな直径を維持しつつ、ネック部において転位を除去するものである。ネック部の中間部分および下側部分の大部分は、１０mmを越える直径に成長する。中間部分および下側部分の少なくとも約５０％、６０％または７０％が１０mmを越える直径を有することが好ましく、より好ましくは少なくとも約８０％、更に好ましい場合には少なくとも約９０％または１００％がそうである。コーン部の外側にフレアするセグメントの成長が始まる前に、ネック部内の転位は除去されなければならない。本発明の好ましい態様において、中間部分および下側部分に約１７mmを越える直径を有する部分、より好ましくは約１５mmを越える直径を有する部分が存在しない限り、転位は除去される。好ましくは、中間部分および下側部分のいかなる部分も約８.５mmより小さいまたは約１７mmを越える直径を有することはなく、より好ましくは約１０mmより小さいまたは約１５mmを越える直径を有することはなく、更に好ましくは約１０mmより小さいまたは約１３mmを越える直径を有することはない。
【００２１】
４.０mm／分未満、好ましくは３.０mm／分未満の引き上げ速度でのネック部の成長の間、ネック部の中間部分および下側部分の直径は保たれる。一般に、引き上げ速度は、約１.０mm／分〜約３.０mm／分、好ましくは、約１.８mm／分〜約２.２mm／分の範囲であり、より好ましい速度は約２.０mm／分である。より速い引き上げ速度を用いることもできるが、ネック部の直径における変動を制御することが困難となることがあり、過度の変動により転位を生じることがあるということが、現在までに経験的に判明している。１.０mm／分未満の引き上げ速度では転位を除去することが困難になり得るということもダッシュ法によるネック部の成長について経験的に判明している。
【００２２】
引き上げ速度は、結晶成長プロセスの間中で直径の変動に応じて調節される。ネック部の中間部分および下側部分の直径が、所望の直径の１５％内で保たれる（即ち、実質的に一定である）、または、好ましくは所望の直径の１０％内で保たれる場合に、ネック部から転位を除去することができる。引き上げ速度および溶融物温度を用いることにより、直径が許容される範囲内に維持される。直径が小さくなり過ぎると引き上げ速度を低下し、直径が大きくなり過ぎると引き上げ速度を増大する。
【００２３】
ネック部は、全ての転位が除去される長さに成長させる。所望の直径、引き上げ速度および長さにて結晶のネック部を成長させ、ネック部の全長の軸方向のスライス面を磨き、表面のラッピング(lapping）および化学的エッチングを行って転位箇所を現れさせ、転位が除去された長さを測定することによって、適当な長さを測定することができる。同じ直径および引き上げ速度にて成長させた後続の結晶は、ほぼ同じ長さに成長させることができる。例えば、所望の直径が１０mm〜約１３mmの範囲である場合、ネック部の中間および下側部分を、約１２０mm〜約１８０mmの範囲、より好ましくは約１５０mm〜約１６０mmの範囲の長さとなるように成長させることが好ましい。転位を除去するために必要とされるよりも長く中間部分および下側部分を成長させることは、結晶引き上げ操作のコストを上昇させ、処理量を低下させる。
【００２４】
本発明の方法は、シリコン単結晶の大きな直径のネック部における転位を除去するために特に適する。本発明の方法は、ホウ素がドーピングされて、０.１Ω−cmを越えない抵抗率を有するｐ+ 型シリコンにより形成された単結晶中の転位を除去するために使用されることが好ましい。本発明の方法は、他の半導体材料または他の種類のシリコンにより形成される単結晶中の転位を除去するために用いることもできるが、転位の除去はｎ+ 型やｐ- 型シリコンからよりもｐ+ 型シリコンからの方がより容易であることが経験的に見出されている。
【００２５】
本発明の方法は、市販の結晶引き上げ装置、例えばハムコ・モデル(Hamco model）３０００ チョクラルスキー引き上げ装置（CZ puller）などを用いる場合には自動化することができる。オペレータは、ネック部の中間および下側部分の所望の直径および長さ、目標引き上げ速度、およびチョクラルスキー引上げ法の残りのパラメータを選択することができる。結晶引き上げ装置によって直径、引き上げ速度およびヒーター出力を制御して、上述のように中間および下側部分について直径を実質的に一定に維持することができる。結晶の成長の間、結晶表面にファセット・ライン(facet line)が存在することにより、結晶中に転位が存在しないことが示される。結晶を引き上げた後、インゴットをスライスしてウェハー（wafer）とすることができ、それを転位について分析して、無転位（zero dislocation）結晶が成長したかどうかを調べることができる。ウェハーの目視検査によって転位が明白である場合、結晶のネック部において転位を除去できなかった可能性がある。
【００２６】
【実施例】
以下の実施例は、本発明の好ましい態様例および有用性を説明するために示すものであって、特許請求の範囲において特に断らない限り、本発明を限定するものではない。
【００２７】
実施例１
１×１０19 ホウ素原子／cm3（目標抵抗率０.００９Ω−cm）を含むｐ+ 型ポリシリコン塊２６kgを入れた溶融石英ルツボを含む自動化されたハムコ・モデル３０００チョクラルスキー結晶引き上げ装置において、シリコン単結晶の引き上げを行った。目標引き上げ速度２.４mm／分、ネック部直径１１mmおよびネック部長さ２００mmを選択した。所望のネック部直径が維持されるように、結晶引き上げ装置によりヒータ出力および引き上げ速度を調節しながら、ネック部を自動的に成長させた。
【００２８】
続いて、単結晶のネック部を化学的にエッチングして転位を発現させた。ネック部全体の軸方向断面の（１１０）面を磨き、機械的に研磨し、続いてＨＡｃ（酢酸）：ＨＮＯ3 （硝酸）：ＨＦ（フッ化水素酸）の１０：３：１の溶液中で１０分間化学的に研磨して表面の損傷を除去した。続いて、表面を２０分間ライト・エッチ（Wright Etch）して転位のエッチピット(dislocation etch pit）を発現させた。ニコン・ノルマルスキー干渉位相差顕微鏡（Interference Contrast microscope）を用いて、１００倍の倍率でエッチピットを観察した。結晶の中央部（−◆−）および端部（−●−）における長手方向に沿う転位の密度を図２に示す。ネック部の底の部分において１８０mm〜２００mmの範囲にわたって転位エッチピットの観察されない部分があり、結晶のネック部内で転位が完全に除去されていることが示された。
【００２９】
実施例２
１×１０19 ホウ素原子／cm3（目標抵抗率０.００９Ω−cm）を含むｐ+ 型ポリシリコン塊６０kgを入れたレイボールド(Leybold）−２０００チョクラルスキー結晶引き上げ装置において、シリコン単結晶の引き上げを行った。目標引き上げ速度２.０mm／分、ネック部直径１３mmおよびネック部長さ１６５mmを選択した。所望のネック部直径が維持されるように、結晶引き上げ装置によりヒータ出力および引き上げ速度を調節しながら、ネック部を自動的に成長させた。ネック部の成長の間、ネック部の直径は１２mm〜１４mmの間で変動し、実際の引き上げ速度は１.０mm／分〜３.０mm／分の範囲で変動した。
結晶ランの間中、転位が存在しないことを示すファセット・ラインが存在した。更に、単結晶から切り出したウェハー内に転位のエッチピットは目視的に観察されず、このことによって結晶のネック部内の転位が完全に除去されていることが示された。
【００３０】
本発明は種々の変形および変更を加えた形態をとることが可能であり、それらの特定の態様を一例として図面に示して、本明細書において詳細に説明した。しかしながら、開示した特定の形態に本発明を限定することを意図するものではなく、反対に、特許請求の範囲に規定するように、本発明の精神および範囲の中に含まれる全ての変形例、均等例および代替例も本発明には含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の態様例における単結晶の上部領域を示す垂直断面図である。
【図２】 単結晶のネック部の長手方向の転位の密度を示す図である。
【符号の説明】
単結晶…１０、 種子結晶…１２、 ネック部…１４、
コーン部…１６、 ショルダー部…１８、 本体部…２０、
上側部分…２２、 中間部分…２４、 下側部分…２６、
外側にフレアするセグメント…２８。
Claims (6)
- 上側部分、中間部分および下側部分を有してなり、上側部分は転位を有しており、中間部分は上側部分と下側部分の間の部分であり、中間部分および下側部分の少なくとも５０％は１０mmを越える直径を有しており、下側部分には転位が存在しないネック部；
ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメント；および
外側にフレアするセグメントに隣接する本体部
を有してなるチョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶。 - 中間部分および下側部分が、１７mmを越える直径の部分を有さない請求項１記載の結晶。
- 上側部分、中間部分および下側部分を有してなり、上側部分は転位を有しており、中間部分は上側部分と下側部分の間の部分であり、中間部分および下側部分は１０mm未満の直径の部分を有しておらず、下側部分には転位が存在しないネック部；
ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメント；および
外側にフレアするセグメントに隣接し、少なくとも２００kgの重量を有する本体部であって、本体部を溶融シリコンから成長させる際にネック部によって完全に支持される本体部
を有してなるチョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶。 - 上側部分、中間部分および下側部分を有してなり、上側部分は転位を有しており、中間部分は上側部分と下側部分の間の部分であり、中間部分および下側部分の少なくとも５０％は１０mmを越える直径を有しており、下側部分には転位が存在しておらず、中間部分と下側部分には８.５mm未満の直径の部分も１７mmを越える直径の部分も存在しないネック部；
ネック部の下側部分に隣接して外側にフレアするセグメント；および
外側にフレアするセグメントに隣接する本体部
を有してなる、ｐ＋型シリコンからチョクラルスキー法により製造されるシリコン単結晶。 - チョクラルスキー法により成長させるシリコン単結晶のネック部において転位を除去する方法であって、
ルツボ内で多結晶シリコンを加熱して溶融物を形成する工程；
種子結晶と溶融物との接触を種子結晶が溶融し始めるまで行い、種子結晶に転位を生じさせる工程；
溶融物から種子結晶を引き上げて、上側部分および中間部分を有してなり、上側部分は種子結晶と中間部分との間の部分であって転位を有しており、中間部分の少なくとも５０％は１０mmを越える直径を有するネック部を形成する工程；ならびに
ネック部の中間部分内の転位が除去されるまで、４.０mm／分未満の速度でネック部を成長させる工程
を含んでなる方法。 - １.０mm／分〜３.０mm／分の速度でネック部を成長させる請求項５記載の方法。
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