KR20050120707A

KR20050120707A - 단결정의 제조방법

Info

Publication number: KR20050120707A
Application number: KR1020057019035A
Authority: KR
Inventors: 료지 호시; 스스므 소노카와
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2005-12-22
Also published as: EP1614774A1; EP1614774A4; TW200500507A; US20060191468A1; WO2004092455A1; JP2004315258A

Abstract

도가니 내에 다결정 원료를 수용하여, 상기 도가니 주변을 둘러싸도록 배치된 히터로 상기 다결정 원료를 가열 융해하고, 이 원료 융액에 종결정을 융착한 후 인상하여 단결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정의 제조방법에 있어서, 보론을 도핑하여 저항율을 조정한 단결정을 육성하는 경우에 상기 도가니의 최고 온도를 1600℃이하로 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법. 이에 따라 높은 게터링(gettering) 능력을 갖는 보론 도핑한 단결정을 제조할 때, 유전위화의 발생을 억제하고, 고생산성이면서 저가로 제조할 수 있는 단결정의 제조방법이 제공된다.

Description

단결정의 제조방법{Process for Producing Single Crystal}

본 발명은 단결정의 제조 방법, 특히 도펀트로서 보론(boron)을 첨가하는 실리콘 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 실리콘 단결정 등의 단결정을 제조하는 방법으로서, 쵸크랄스키법(CZ법) 및 부유대법(浮游帶法)(FZ법)등이 알려져 있다.

CZ법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는데에는 도 4에 나타낸 것과 같은 단결정 제조 장치(30)를 이용하여 도가니(5)에 원료로서 다결정 실리콘을 수용하고, 도가니(5)의 주변을 감싸도록 배치된 히터(7)로 다결정 실리콘을 가열 용융한다.

이어서, 원료 융액(4)에 종결정(14)을 융착시킨 후, 회전하면서 서서히 인상함으로써 단결정(3)이 육성된다. 또한, 최근에는 단결정의 대형화가 진행되고, 융액(4)에 자기장을 인가하면서 단결정(3)을 육성하는, 이른바 MCZ법이 이용되는 경우가 많아지고 있다.

다음에, 육성된 실리콘 단결정은 슬라이스, 면취(面取), 연마 등의 가공을 거쳐 경면 웨이퍼가 되는데, 다시 그 위에 에피텍셜 층을 성장시키는 경우가 있다. 이와 같은 에피텍셜 웨이퍼에서는 기판이 되는 실리콘 웨이퍼상에 중금속 불순물이 존재하면 반도체 디바이스의 특성 불량을 일으키므로, 중금속 불순물은 될 수 있는 한 감소시킬 필요가 있다.

따라서, 중금속 불순물을 저감시키는 기술의 하나로서 게터링(gettering) 기술의 중요성이 점점 높아지고 있고, 에피텍셜 웨이퍼의 기판으로서, 게터링 효과가 높은 저저항율(예를 들면, 0.1Ω·㎝이하) 의 P형 실리콘 웨이퍼를 이용하는 경우도 많아지고 있다. 이와 같은 저저항율 단결정의 기판을 이용한 에피텍셜 웨이퍼는 래치 업(latch up) 문제나 게터링 문제에 관하여 유리하고, 고품질의 웨이퍼로서 주목받고 있다.

또한, BMD의 증가나 그론-인(grown-in)결함 사이즈의 제어 등을 목적으로 질소 도프되는 경우도 많아지고 있다(예를 들어, 일본 특개공보 2000-44389호 및 일본 특개공보 2003-2786호 참조).

그래서, 최근에는 MCZ법 (또는 CZ법)에 의해 직경이 200mm이상, 특히 300mm나 되는 대구경으로, 게터링 문제 등의 이유에서 질소 도프한 저저항의 P형(보론 도프) 실리콘 단결정을 육성하는 경우가 많아지고 있다.

그런데, CZ법에 의해 단결정을 육성하면, 육성중에 전위가 발생(유전위화)하고, 다결정화해 버리는 경우가 종종 있다. 유전위화(有轉位化)가 발생하면 그 다음에 육성하는 부분은 물론, 그보다 전에 육성한 부분에까지 슬립 전위가 전파(傳播)하고, 단결정 즉, 제품으로서의 가치를 잃어버리고 만다. 이 때문에, 종래 유전위화가 발생한 경우에는 육성한 단결정을 다시 용융하고(재용융), 다시 단결정의 육성(재육성)을 실시하고 있다. 그러나, 이와 같은 재용융·재육성을 반복하여 실시하면, 생산성의 저하를 초래하게 되고 말기 때문에 유전위화를 막는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에서 사용가능한 단결정 제조 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에서 사용가능한 단결정 제조 장치의 다른 예를 나타내는 개략도이다.

도 3은 본 발명에서 사용가능한 단결정 제조 장치의 또다른 예를 나타내는 개략도이다.

도 4는 종래의 단결정 제조 장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 5는 실시예 및 비교예에서의 생산성을 비교한 그래프이다.

도 6은 도가니의 최고 온도와 생산성 비와의 관계를 나타내는 그래프이다

그래서, 유전위화의 발생에 관하여 본 발명자들이 조사한 결과, 보론을 도핑한 단결정, 특히 저저항율(예를 들어 0.1Ω·㎝ 이하) 의 단결정을 육성하면, 통상 저항율 결정의 경우에 비하여 유전위화의 발생 빈도가 높고, 유전위화한 단결정을 녹여 육성을 다시 행하는 횟수도 늘어나게 되고, 생산성에 있어서도 큰 저하를 초래한다는 것을 알았다.

본 발명은 이와 같은 문제를 감안한 것으로, 높은 게터링 능력을 갖는 보론 도프한 단결정을 제조할 때, 유전위화의 발생을 억제하고, 고생산성이면서 저가로 제조할 수 있는 단결정의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 도가니 내에 다결정 원료를 수용하고, 상기 도가니의 주변을 감싸도록 배치된 히터로 상기 다결정 원료를 가열 용융하고, 이 원료 융액에 종결정을 융착한 뒤 인상하여 단결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정의 제조 방법에 있어서, 보론을 도핑하여 저항율을 조정한 단결정을 육성하는 경우에, 상기 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법이 제공된다.

후술하는 바와 같이, 본 발명자들의 분석에 따라, CZ법에 의해 단결정을 제조할 때의 유전위화의 발생원인의 하나는 약 1500℃ 정도 이상의 온도에서 형성되는 질화보론(BN)인 것이 판명되었다.

그래서, 보론을 도핑하여 저항율을 조정한 단결정을 육성하는 경우에, 도가니의 최고 온도를 1600℃이하로 제어하여 단결정을 육성하면, 질화 보론의 형성이 억제되고, 질화보론에 기인하는 유전위화가 방지된다.

따라서, 생산성의 향상을 도모할 수 있고, 높은 게터링 능력을 갖는 보론 도프한 단결정을 저가로 제조할 수 있다.

이 경우, 상기 육성된 단결정의 저항율이 0.1Ω㎝ 이하가 되도록 보론을 도핑한 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

육성된 단결정의 저항율이 0.1Ω㎝ 보다 커지는 경우, 보론의 첨가량은 비교적 적기 때문에 특별히 문제가 되지 않는 경우도 있지만, 저항율이 0.1Ω㎝ 이하로 되는 저저항 단결정에서는 보론의 농도가 상당히 높기 때문에, 얼마 안 되는 질소가 존재하더라도 BN 기인의 유전위화가 발생하기 쉽다. 따라서, 이와 같은 저저항의 단결정을 육성하는 경우에 특히 본 발명이 유효하게 된다.

한편, 상기 육성된 단결정의 저항율이 0.001Ω㎝ 이상이 되도록 보론을 도핑한 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

저항율이 0.001Ω㎝ 보다도 작아지는 단결정을 육성하는 경우, 보론의 첨가량이 매우 많아지고, 단결정화하기가 어려워진다.

따라서, 저항율이 0.001Ω㎝ 이상이 되도록 보론 도프하여 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

또한, 육성된 단결정 중의 질소 농도가 1×10¹⁰/㎤ 이상, 5×10¹⁵/㎤ 이하가 되도록 질소를 도핑한 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

상기 범위의 질소농도가 되도록 질소 도프하여 단결정을 육성하면, 단결정화에 악영향이 없고, BMD 나 그론-인(grown-in) 결함의 제어 효과를 충분히 발휘하고, 게터링 능력에 한층 우수한 단결정을 확실하게 제조할 수 있다.

또한, 보론과 질소 모두를 도핑하여 단결정을 육성하는 경우, 예를 들어, 저항율이 1000Ω㎝가 되는 고저항, 저농도 보론 도프라도 질소농도가 상기 범위 내라면, 질화보론이 형성되는 것이 매우 쉬워지지만, 도가니의 최고온도를 1600℃ 이하로 제어함으로써 질화보론의 형성이 억제되기 때문에, 본 발명이 특히 유효하다.

상기 단결정으로서, 실리콘 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

실리콘 단결정은 수요가 높고, 본 발명을 적용해서 제조하면, 고품질의 P형 실리콘 단결정을 보다 저가로 제조할 수 있다.

또한, 상기 단결정의 육성 시, 상기 원료 융액에 적어도 300 가우스 이상의 자기장을 인가하여 단결정을 육성하는 것이 바람직하다.

최근, MCZ법에 의해 단결정을 제조하는 경우가 많고, 300 가우스 이상의 강도로 자기장을 인가하면, 융액의 대류 억제효과가 커지고, 온도 구배가 쉽게 생기게 된다. 이로 인해, 융액의 온도가 높아지기 쉽지만, 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 제어하여 단결정을 육성함으로써, 융액의 온도도 낮게 유지되고, 질화 보론의 형성이 억제된다.

따라서, 질화보론에 기인하는 유전위화가 방지되고, 대구경으로 게터링 능력이 높은 단결정을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

상기 단결정으로서, 직경이 200mm이상의 단결정을 육성하는 것이 바람직하다. 직경이 200mm 이상이 되는 대구경 단결정을 육성하는 경우에는 사용하는 도가니도 커지게 된다. 이 경우, 도가니에서 결정까지의 거리가 멀어지고, 도가니 내의 융액의 용융 상태를 유지하면서 단결정을 성장시키기 위해서 도가니가 고온으로 가열된다.

이로 인해, 질화보론이 생성하기 쉬워지지만, 이와 같은 대구경의 단결정을 육성하는 경우에도 도가니의 최고 온도를 1600℃이하로 제어하여 육성을 실시함으로써, 질화보론의 형성이 억제되고, 대구경의 단결정을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는, 쵸크랄스키법에 의해 보론을 도핑하여 저항율을 조정한 단결정을 육성하는 경우에, 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 제어하여 단결정을 육성한다.

이와 같이 도가니의 온도를 1600℃ 이하로 제어함으로써, 도가니 내의 원료 융액의 온도가 낮게 유지되기 때문에, 질화보론의 형성을 억제할 수 있다.

따라서, 질화보론에 기인하는 단결정의 유전위화의 발생 빈도를 크게 감소시킬 수 있고, 높은 게터링 능력을 갖는 P형 단결정을 높은 생산성으로 제조할 수 있으며, 결과적으로 제조 비용의 저감을 달성할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명자들은 여러 가지 분석법(IR, X선 회절, 라만 분광, 형광 X선 등)을 이용하여 여러 유전위화 상황의 검증을 실시하고, 보론 도프 저저항 실리콘 단결정이 유전위화하는 원인의 하나가 질소와 보론이 반응하여 형성되는 질화보론(BN)이라는 것을 특정할 수 있었다. 질화 보론은 약 1500℃ 정도 이상의 온도로 발생하지만, 한번 발생하면 3000℃의 가압 상태가 아니면 녹지않는 물질로, 유전위화의 원인이 된다.

즉, 이와 같은 질화보론이 육성중의 단결정에 부착하면, 성장 단결정에 전위가 발생할 것으로 생각된다.

특히, 보론 도프 저저항율 단결정의 육성에 있어서는, 융액 중의 보론 농도가 통상 저항의 단결정을 육성하는 경우에 비해 높기 때문에, 추가로 질소를 도프하는 경우에 한하지않고, 석영 도가니에 포함되어 있거나, 대기중의 질소가 기인하여 발생하는 질화물이나 기계적인 리크 등을 통해 육성 장치 내로 혼입하는 얼마 안 되는 질소와 반응하여 질화보론을 쉽게 형성하는 것으로 생각된다.

또한, 본 발명자들은 융액 중에 질화 보론이 생겨 유전위화가 발생한 경우, 종래와 같이 유전위화한 결정을 다시 용융하여도 질화보론이 용해할 가능성은 매우 적고, 융액 내를 부유하고, 다시 결정을 육성할 때에 육성 중의 결정에 다시 부착할 가능성이 높다고 생각하였다.

그래서, 본 발명자들은 실리콘의 융점은 약 1420℃이고, 석영 도가니의 연화점(軟化点)은 1750℃이므로, 육성시 실리콘 융액과 도가니의 온도는 이것들 사이의 온도로 유지되게 되나, 질화 보론의 발생을 억제하기 위해서는, 도가니나 융액의 온도를 될 수 있는 한 낮게 유지하는 것이 중요하다고 생각하였다.

즉, 질화보론의 생성 온도는 1500℃ 정도 이상이므로, 도가니의 최고 온도를 1500℃보다 낮게 하면, 도가니 내의 실리콘 융액의 온도도 낮아지고, 질화 보론의 생성을 억제할 수 있게 된다.

그러나, 결정구경이 커질수록 사용하는 도가니도 커지고, 융액 전체의 융액 상태를 유지하면서 결정을 성장시키기 위하여 히터 파워도 커지므로, 도가니의 온도는 높아진다. 따라서, 도가니의 최고 온도를 1500℃ 보다도 낮게 억제하여 단결정을 육성하는 것은 곤란하게 될 경우가 있다.

그래서, 본 발명자들이 예의 연구 및 검토를 한 결과, 보론 도프한 단결정을 육성하는 경우, 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 억제하여 단결정을 육성하면, 보론과 질소와의 반응이 억제되고, 질화보론에 의한 유전위화의 발생 빈도가 현저하게 감소하고, 결과적으로 생산성의 향상 및 저비용화를 도모할 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기까지에 이르렀다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 근거하여 도펀트로서 고농도로 보론을 첨가한 실리콘 단결정과 보론과 질소를 첨가한 실리콘 단결정을 제조하는 경우에 대해 설명한다.

도 1 은 본 발명에서 사용할 수 있는 단결정 제조 장치(인상 장치)의 일례의 개략을 도시한 것이다. 이 단결정 제조 장치(20)는 원료 융액(4)을 수용하는 도가니(5) 및 가열 히터(7)를 구비한 메인 챔버(1)와 원료 융액(4)에서 인상한 단결정봉(3)을 수용하고, 이것을 꺼내기 위한 인상 챔버(2)를 갖고 있다.

도가니(5)는 내측의 석영 도가니(5a)와 외측의 흑연 도가니(5b)로 이루어지고, 받침대(15)상에 적치되어 아래쪽에 설치된 도가니 제어 수단(미도시)에 의해 회전축(16)을 통해 회전시키면서 승강을 행할 수 있도록 되어 있다.

도가니(5)의 주변에는 가열 히터(7)가 배설되고, 또한 히터(7)의 외측에는 단열부재(8)이 설치되어 있다.

메인 챔버(1)와 인상 챔버(2)의 사이에서 융액면을 향해 가스 정류통(냉각보조통) (11a)가 설치되어 있고, 또한 정류통(11a)의 선단부에 차열부재(12)가 설치되어 있다. 또한, 메인 챔버(1)의 상방으로는 육성중의 단결정봉(3)의 직경이나 상태를 측정 및 관찰하기 위한 광학계 장치(미도시)가 설치되어 있다.

인상 챔버(2)는 육성을 종료한 단결정을 꺼낼 수 있도록 개방 가능하게 구성되어 있고, 상방으로는 와이어 (또는 샤프트)(13)를 통하여 단결정(3)을 회전시키면서 인상하는 결정 인상 수단(미도시)이 설치되어 있다.

이와 같은 장치(20)를 이용하여 고농도의 보론을 도핑한 실리콘 단결정을 제조하는데에는 예를 들어, 도가니(5)에 다결정 실리콘 원료와 함께 금속 보론 엘레멘트 등의 보론 도프제를 수용하고, 또한 보론과 질소를 도프한 실리콘 단결정을 제조하는데에는 보론 도프제 이외에 질화실리콘 등의 질소 도프제를 수용한다.

첨가하는 보론 도프제의 양은 육성되는 단결정 중의 보론 농도 즉, 저항율에 반영되기 때문에, 목적으로 하는 실리콘 단결정의 저항율에 따라서 결정하면 된다. 일반적으로 저항율이 0.1Ω㎝이하로 되는 저저항율의 단결정을 육성하는 경우, 융액 중의 보론 농도가 높아지고, 고의로 질소를 도프하지 않고도 질화 보론이 생성하기 쉬워진다.

또한, 저항율이 0.001Ω㎝보다 작은 단결정을 육성하게 되면, 융액 중의 보론 농도는 매우 높아지고, 보론의 실리콘에의 고용한계를 넘어 단결정화하기 어려워진다.

따라서, 보론 도프제는 육성되는 단결정의 저항율이 0.001Ω㎝이상, 0.1Ω㎝이하가 되는 보론 농도가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 질소 도프제의 양도 육성되는 단결정 중의 질소 농도에 반영되기 때문에, 목적으로 하는 실리콘 단결정의 질소 농도에 따라서 도프제의 양을 결정하면 무방하다. 또한, 단결정 중의 질소 농도가 너무 낮으면, BMD나 그론-인(grown-in )결함에의 효과를 충분히 얻을 수 없으므로, 불균일 핵 형성을 충분히 일으키는 1×10¹⁰/㎤ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

단, 융액 중의 질소 농도가 실리콘에의 고용한계를 초과해 버리면, 단결정화하기가 어려워지므로, 육성되는 단결정 중의 질소농도가 5×10¹⁵/㎤ 이하가 되도록 질소 도프제를 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, 이와 같이 고의로 질소를 도프하는 경우, 보론 농도와는 거의 관계가 없이, 예를 들어 저항율이 1000Ω㎝정도가 되는 낮은 보론 농도라도 질화 보론이 발생하기 쉬워진다.

도가니(5) 내에 원료 및 도프제를 수용하여 히터(7)로 가열 용융한 후, 상방에서 살며시 와이어(13)를 하강하고, 와이어(13) 하단의 홀더(6)로 메어진 원주 또는 각주형의 종단결정(14)을 융액면에 착액(융착)시킨다.

이어서, 종결정(14)을 회전시키면서 상방으로 살며시 인상하여 서서히 직경을 좁히는 네킹을 실시한 후, 인상 속도, 온도 등을 조절하여 조임 부분의 직경을 확대하고, 단결정봉(3)의 콘 부분의 육성으로 이행한다.

그리고, 콘 부분을 소정의 직경까지 확대한 후, 다시 인상 속도와 융액 온도를 조절하여 원하는 직경의 직동부 육성으로 이행한다.

또한, 단결정(3)의 성장에 따라 원료 융액(4)이 줄어들어 융액면이 내려가기 때문에, 도가니(5)를 상승시킴으로써 융액면의 레벨을 일정하게 유지하고, 육성중의 단결정봉(3)이 소정의 직경이 되도록 제어된다.

또한, 조업중에는, 챔버(1)(2)내는 가스 도입구(10)에서 아르곤가스가 도입되고, 가스 유출구(9)에서 배출함으로써 아르곤 가스 하에서 이루어진다.

상기와 같이 단결정의 육성을 행하면, 육성중의 단결정이 유전위화하는 경우가 있다.

이와 같은 유전위화가 발생한 경우, 종래에 있어서는, 육성한 단결정을 다시 용융하고, 동일한 원료 융액에서 단결정을 다시 육성하는 작업을 반복하여 실시하였다. 그러나, 본 발명자들은 조사에서, 특히 CZ법에 의해 저저항의 P형 단결정을 육성하는 경우, 고의로 질소를 도프하지 않고도 융액 중에 질화보론이 발생하기 쉽고, 이것이 결정에 부착하여 유전위화를 일으키는 것으로 판명하고, 일단 발생한 질화 보론(BN)은 소멸하기 어려우므로, 재용융·재육성을 반복하여도 다시 유전위화가 발생할 가능성이 높다.

그래서, 본 발명에서는 상기와 같은 보론을 도핑한 단결정을 육성하는 경우, 질화보론의 형성을 억제하기 위해, 도가니의 최고온도를 1600℃ 이하로 제어하여 단결정을 육성하도록 하였다.

상기와 같이, 질화보론은 원료 융액의 온도가 1500℃ 정도 이상에서 발생하지만, 도가니의 최고 온도가 1600℃ 이하가 되도록 제어하여 육성을 하면, 원료 융액의 온도를 낮게 억제하고, 질화 보론의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

단, 도가니의 최고 온도를 실리콘의 융점(1420℃) 근처까지 낮게 해 버리면, 원료 전체의 용융상태를 유지하면서 단결정을 육성하는 것은 곤란하게 될 우려가 있다.

따라서, 사용하는 도가니의 크기 등에도 기인하지만, 도가니의 최고 온도는 1450℃ 이상, 1600℃이하, 특히 1480℃이상, 1550℃이하로 제어하는 것이 바람직하다.

도가니의 온도 제어에 대해서는 예를 들어, 차열부재의 위치나 차열부재의 높이 등의 로 내 구조(핫 존 구조)를 조절함으로써 최고 온도를 1600℃이하로 제어할 수 있다.

도 1의 인상 장치(20)에서는, 도 4에 도시한 장치(30)와 비교하여 냉각 보조통(가스 정류통)(11a)의 융액면으로부터의 거리를 2.5배로 넓혔다. 통상 단결정을 육성할 때, 융액 표면과 단결정의 고액계면 부근의 온도가 원하는 값이 되도록 히터 파워를 설정하지만, 도 1 및 도 4의 장치와 같이 히터(7)의 주변 단열부재(8)이 비교적 낮으면 방열이 커지게 되고, 도가니(5)나 융액(4)은 히터(7)에 의해 과열되게 된다. 그러나 도 1의 장치(20)와 같이, 냉각 보조통(11a)(차열부재(12))와 융액 표면과의 거리를 크게 함으로써 도가니(5)나 융액(4)의 냉각효과가 커지고, 도가니(5)(석영 도가니(5a))의 온도를 1600℃ 이하로 유지할 수 있다.

또한, 도 2에 도시한 장치(20a)에서는 도 4의 장치(30)와 비교하여 히터(7)를 감싸는 단열부재(8a)를 높여 방열을 작게 하고 있다. 또한, 도 3에 도시한 장치(20b)에는 도 1에 도시한 냉각 보조통(11a)과 도 2에 도시한 단열부재(8a)에 더하여 두께를 얇게 한 차열부재(12a)를 채용하고 있다.

이들 장치(20a)(20b)에서도 히터(7)에 의한 도가니(5)의 과열을 막거나 냉각효과가 높아지기 때문에, 도가니(5)(석영 도가니(5a))의 온도를 낮게, 즉, 1600℃ 이하로 유지할 수 있다.

이들 장치(20)(20a)(20b)를 이용하여 실제로 단결정을 육성할 때에는 예를 들어, 미리 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 계산에 따라 도가니의 최고 온도가 1600℃이하가 되도록 각 조건(히터 파워, 냉각 보조통의 융액면으로부터의 거리, 단열부재의 길이, 차열부재의 형상 등)을 조절하면 무방하다.

또는 실제로 열전대 등을 이용하여 도가니의 온도를 측정하고, 로 내 구조를 조절함으로써 도가니의 최고 온도가 1600℃이하가 되도록 제어해도 된다.

또한, 도가니의 최고 온도를 1600℃이하로 제어하는 장치는 도 1- 도 3에 도시한 것과 같은 장치(20)(20a)(20b)에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일본특개공보 평9-227276호에 개시되어 있는 것과 같이 도가니의 열화를 방지하기 위해, 도가니의 상방으로 보조 히터 등을 설치하여 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 제어할 수 있는 인상 장치를 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명에서 육성하는 단결정의 크기도 특별히 제한되지 않지만, 직경이 200mm이하, 특히 300mm나 되는 대구경의 실리콘 단결정을 육성하는 경우에는 메인 챔버(1)의 외측으로 자기장 인가 장치를 구비한 장치를 이용하여 MCZ법에 의해 육성이 이루어지는 경우가 많다.

이때 300가우스 이상의 중심 자기장 강도로 자기장을 인가하면, 융액의 대류 억제 효과가 커지고, 융액의 온도가 높아져 질화 보론이 형성되기 쉽지만, 도가니의 최고 온도를 1600℃ 이하로 제어하여 육성을 행함으로써, 질화 보론의 형성을 억제할 수 있다.

따라서, MCZ법에 의해 대구경으로 게터링 능력이 높은 단결정을 높은 생산성으로 육성할 수 있다.

그리고, 상기와 같이 제조된 실리콘 단결정으로부터, 슬라이스, 면취, 랩핑, 에칭, 연마 등의 공정을 거쳐서 제조된 저저항율 웨이퍼는 저저항이므로, 게터링 능력이 특히 우수하고, 에피텍셜 웨이퍼 용의 기판으로서 유용하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예에 대해서 설명한다.

(실시예 1)

도 1에 개력적으로 도시한 단결정 제조 장치(20)(도가니 직경:800mm)를 이용하여, 쵸크랄스키법(CZ법)에 의해 직경 12인치(300mm)의 P형(보론 도프) 실리콘 단결정을 육성하였다.

용융공정에서는, 도가니 내에 다결정 실리콘 원료를 320kg 충진하고, 동시에 저항 제어용 금속 보론 엘레멘트를 첨가하였다. 또한, 육성된 단결정의 저항율이 0.005-0.01Ω㎝의 범위에 들어가도록 보론의 양을 조절하였다.

또한, 냉각 보조통과 융액표면과의 거리는 75mm로 하였다.

결정육성공정에서는 중심 자기장 강도 3500G의 수평 자기장을 인가하고, 직동길이가 약 120cm인 결정을 육성하였다.

또한, 상기와 같은 조건하에서, FEMAG(종합 전열 해석 소프트:F.Dupret, P. Nicodeme, Y. Ryckmans, P. Wouters, and M. J. Crochet, Int. J. HeatMass Transfer, 33, 1849(1990))에 의해 계산된 도가니의 최고 온도는 1543℃였다.

결정이 도중에 유전위화 해버리는 경우에는 이 결정을 재용융하여 다시 육성하는 것으로 하고, 제품으로서 사용할 수 있는 단결정이 얻어질 때까지 재용융·재육성을 반복하는 것으로 하였다.

이 로 내 구조에서 제품으로서의 단결정이 얻어질 때까지의 유전위화 횟수는 다음의 비교예의 1/5회 정도였다.

(비교예)

도 4에 개략적으로 도시한 로 내 구조를 이용하여 냉각 보조통과 융액 표면과의 거리를 30mm로 한 것 외에는 실시예 1과 같은 조건으로 결정을 육성하였다. 이때 FEMAG에 의해 계산된 도가니 최고 온도는 1627℃이었다.

이 장치에서는 종래와 같이, 제품으로서의 단결정이 얻어질 때까지 유전위화가 빈번히 발생하였다.

(실시예 2)

도 2에 개략적으로 도시한 장치를 이용하여 냉각 보조통과 융액 표면과의 거리를 30mm로 하고, 차열부재를 20cm 높게 한 것 외에는 실시예 1과 같은 조건으로 단결정을 육성하였다.

이 장치에서는 단열부재를 길게 하고, FEMAG에 의하여 계산된 도가니 최고 온도는 1597℃이었다.

이 장치에서 제품으로서의 단결정이 얻어질 때까지의 유전위화 횟수는 상기 비교예의 1/2회 정도였다.

(실시예 3)

도 3에 개략적으로 도시한 장치를 이용하여 차열부재의 두께가 얇은 것으로 하고, 차열부재를 20cm 높게 한 것 외에는 실시예 1과 같은 조건에서 단결정을 육성하였다.

이 장치에서는 FEMAG에 의하여 계산된 도가니 최고 온도는 1563℃이었다.

이 장치에서 단결정이 얻어질 때까지의 유전위화 횟수는 비교예의 약 1/5회로, 실시예 1 보다 약간 많은 정도였다.

(생산성의 비교)

상기 각 실시예 및 비교예에서의 생산성을 비교한 것을 도 5에 도시하였다. 또한, 도가니의 최고 온도에 대해 생산성비를 플롯한 것을 도 6에 도시하였다.

도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 생산성은 비교예 1.73배, 실시예 2는 1.53배, 실시예 3은 1.6배로, 모두 양호함을 알 수 있다.

또한, 도 6에 나타난 바와 같이, 도가니의 최고 온도가 1630℃에 가까운 경우(비교예)에는, 1600℃ 이하로 제어한 경우(실시예 1-3)에 비하여 생산성이 확실히 낮은 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 단지 예시이고, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

본 발명에 의하면, 보론과 질소와의 반응이 억제되어 질화보론에 의한 유전위화의 발생 빈도가 현저하게 감소하고, 결과적으로 생산성의 향상 및 저비용화를 도모할 수 있다

Claims

도가니 내에 다결정 원료를 수용하고, 상기 도가니의 주변을 감싸도록 배치된 히터로 상기 다결정 원료를 가열 용융하고, 이 원료 융액에 종결정을 융착한 후, 인상하여 단결정을 육성하는 쵸크랄스키 법에 의한 단결정의 제조 방법에 있어서,

보론을 도핑하여 저항율을 조정한 단결정을 육성하는 경우에, 상기 도가니의 최고 온도를 1600℃이하로 제어하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 육성되는 단결정의 저항율이 0.1Ω㎝이하가 되도록 상기 보론을 도핑한 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2항에 있어서,

상기 육성된 단결정의 저항율이 0.001Ω㎝이상이 되도록 상기 보론을 도핑한 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 육성된 단결정 중의 질소 농도가 1×10¹⁰/㎤ 이상, 5×10¹⁵/㎤ 이하가 되도록 질소를 도핑한 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단결정으로서, 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단결정의 육성 시, 상기 원료 융액에 적어도 300 가우스 이상의 자기장을 인가하여 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단결정으로서 직경이 200mm이상의 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.