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JP2004175620A - Manufacturing method of single crystal - Google Patents

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JP2004175620A
JP2004175620A JP2002343932A JP2002343932A JP2004175620A JP 2004175620 A JP2004175620 A JP 2004175620A JP 2002343932 A JP2002343932 A JP 2002343932A JP 2002343932 A JP2002343932 A JP 2002343932A JP 2004175620 A JP2004175620 A JP 2004175620A
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JP
Japan
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single crystal
crystal
melt
dopant
productivity
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JP2002343932A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryoji Hoshi
亮二 星
Susumu Sonokawa
将 園川
Koichi Inokoshi
浩一 猪越
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a single crystal by which productivity and yield are improved and manufacturing cost of the single crystal is decreased, by solving the problem of causing dislocation which has become conspicuous especially in a large diameter nitrogen-doped crystal and a low resistivity crystal, and effectively manufacturing the single crystal of high quality. <P>SOLUTION: This single crystal is manufactured by Czochralski method and this manufacturing process of a single crystal includes a process in which a melt liquid is formed by melting a crystal feedstock and a dopant in a crucible, a process in which the melt liquid is left for not shorter than 2 hours keeping the surface temperature by more than 15°C higher than its melting point, and a process in which a single crystal is grown from the melt liquid by immersing a seed crystal in the melt liquid. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶の製造方法に係り、特に高品位単結晶ウェーハとして製造されているエピタキシャルウェーハやアニールウェーハの基板として用いられることの多い、例えば低抵抗率結晶及び窒素ドープ結晶といった単結晶の製造方法及び単結晶に関する。
【0002】
【従来の技術】
単結晶は、主にチョクラルスキー法(Czochralski Method、以下CZ法と略称する)により製造されている。
【0003】
CZ法により結晶を製造する際には、例えば図1に示すような単結晶製造装置17を用いて製造される。この単結晶製造装置17は、多結晶である結晶原料を溶融するための部材や、単結晶を引き上げる機構などを有しており、これらは、メインチャンバー1内に収容されている。メインチャンバー1の天井部からは上に伸びる引き上げチャンバー2が連接されており、この上部に単結晶3をワイヤー13で引上げる機構(不図示)が設けられている。
【0004】
メインチャンバー1内には、結晶原料等が溶融された溶融液4を収容する石英ルツボ5とその石英ルツボ5を支持する黒鉛ルツボ6が設けられ、これらのルツボ5、6は駆動機構(不図示)によって回転昇降自在にシャフト14で支持されている。このルツボ5、6の駆動機構は、単結晶3の引き上げに伴う溶融液4の液面低下を補償すべく、ルツボ5、6を液面低下分だけ上昇させるようにしている。
【0005】
そして、ルツボ5、6を囲繞するように、原料を溶融させるためのヒーター7が配置されている。このヒーター7の外側には、ヒーター7からの熱がメインチャンバー1に直接輻射されるのを防止するために、断熱部材8がその周囲を取り囲むように設けられている。
【0006】
また、メインチャンバ−1の内部には、引き上げチャンバー2の上部に設けられたガス導入口10からアルゴンガス等の不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは、引き上げ中の単結晶3とガス整流筒11との間を通過し、遮熱部材12の下部と溶融液4の液面との間を通過し、メインチャンバ1の下部に設けられたガス流出口9から排出される。
【0007】
このような単結晶製造装置17内に配置された石英ルツボ5に結晶原料を収容し、この石英ルツボ5を、ヒーター7により加熱し、石英ルツボ5内の結晶原料を溶融させる。このように結晶原料を溶融させたものである溶融液4に、ワイヤー13に接続している種ホルダー15で固定された種結晶16を着液させ、その後、種結晶16を引き上げることにより、種結晶16の下方に所望の直径と品質を有する単結晶3を育成する。この際、種結晶16を溶融液4に着液させた後に、直径を3mm程度に一旦細くして絞り部を形成するいわゆる種絞り(ネッキング)を行い、次いで、所望の直径になるまで太らせて、単結晶を引き上げている。
【0008】
このようなCZ法により単結晶を製造する際に、単結晶に微小欠陥や双晶等が導入されるの抑制して、生産性や歩留まりを向上させるために、温度制御を行うことが知られている。
例えば、そのような温度制御としては、製造する単結晶に微小欠陥や転位が導入されるのを抑制するために、CZ法によりシリコン単結晶を製造する際に、結晶原料を溶融した後に、1440℃以下の温度にシリコン溶融液全体を維持して、シリコン単結晶を引き上げることが開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、双晶や多結晶の発生を防止するために、ルツボ内の溶融液の温度勾配を制御して、単結晶を引き上げることも開示されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0009】
このようなCZ法で製造する単結晶として、例えばシリコン単結晶があげられるが、このシリコン単結晶から切り出されて加工した鏡面ウェーハは半導体素子の基板として広く使われている。
【0010】
特に、シリコン単結晶ウェーハ上にシリコン薄膜がエピタキシャル成長されたエピタキシャルウェーハは、その優れた特性から広く個別半導体やバイポーラIC等を製造するウエーハとして、古くから用いられてきた。また、MOS、LSIについても、ソフトエラーやラッチアップ特性が優れている事から、マイクロプロセッサユニットやフラッシュメモリデバイスに広く用いられている。このような半導体エピタキシャルウェーハの優れた特性の一例としては、単結晶製造時に導入される、いわゆるGrown−in欠陥がエピタキシャル層中には実質的に存在しないので、DRAMの信頼性等の不良が低減するということがあげられる。このため、エピタキシャルウェーハの需要はますます拡大している。
【0011】
このようなエピタキシャルウェーハとしては、基板に例えば0.1Ωcm以下の低抵抗率結晶を用いたものや基板に窒素がドープされた結晶を用いたものが、基板が強力なゲッタリング能力を備えているため需要が多く、益々重要性が高まってきている。
【0012】
同様の理由でアニールウェーハの重要性も高まってきている。特にアニールを行うことでウェーハ表層の品質を改質し、同時にウェーハ内部にゲッタリングソースを造りこめる技術として、窒素ドープ結晶が基板に用いられることが多くなってきている。
【0013】
さらに近年、半導体デバイスの高集積化、高精度化がますます進み、利用されるウェーハは大直径化の一途をたどっている。特に、直径150mm、200mm以上、さらには直径300mm以上といった大直径のウェーハに対する需要が増大している。
以上のように、特に大直径の窒素ドープ結晶や低抵抗率結晶の重要性が高まってきている。
【0014】
【特許文献1】
特開平7−25695号公報
【特許文献2】
特開平9−175892号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、CZ法で大直径結晶を育成する際に、特に直径が150mm以上の結晶を育成するようになった時代から、有転位化が発生しやすいという問題が生じている。特に、大直径の窒素ドープ結晶や低抵抗率結晶を製造する際に、有転位化の発生が顕著に増えている。単結晶成長中に有転位化すると、育成中の結晶を再溶融し、もう一度単結晶を育成し直すことになる。そして、この再溶融を何度か繰り返すうちに、最終的には単結晶化するのが現状である。
【0016】
しかしながら、有転位化が何度も発生するというだけでも生産性の低下を招くことになるが、再溶融を繰り返すうちに石英ルツボが傷んで単結晶を育成できない状況になってしまうこともあり、益々生産性の低下を招いていた。このような状況になると、投入した結晶原料の量に対して取れる製品の量が減ることになり、歩留りの低下をも招いていた。これによって単結晶製造のコストの増加へとつながってしまうという問題があった。
【0017】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、大直径の窒素ドープ結晶や低抵抗率結晶などで特に顕著になってきている、結晶育成中の有転位化の問題を解消し、高品質の単結晶を効率良く製造することで、これらの生産性や歩留りを改善して単結晶製造のコストを下げることができる単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、チョクラルスキー法により単結晶を製造する方法において、少なくとも、ルツボ内で結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液を生成する工程、該溶融液を結晶原料の融点よりも15℃以上高い表面温度を維持して2時間以上放置する工程、及びその溶融液に種結晶を浸漬し、該溶融液から単結晶を育成する工程を含むことを特徴とする単結晶の製造方法を提供する(請求項1)。
【0019】
このように、チョクラルスキー法により単結晶を製造する際に、ルツボ内で結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液を生成した後に、該溶融液を結晶原料の融点よりも15℃以上高い表面温度を維持して2時間以上放置することで、従来は溶融液中で溶け残ることの多かったドーパント等を溶融液中に十分に溶け込ませることができる。従って、続く単結晶育成の際の有転位化の発生の原因の一つであった、溶融液中にドーパント等が溶け残っているという問題が解消できるので、結晶育成中に発生する単結晶の有転位化の回数を減らすことができる。これにより、単結晶製造時の生産性や歩留りを向上させることができる。
【0020】
この場合、前記ドーパントを、ボロン、窒化珪素、炭素、又は炭化珪素のいずれか1つ以上のものとすることができる(請求項2)。
【0021】
このように、結晶原料と一緒に溶融するドーパントを、近年高品質化のために結晶にドープされることの多くなってきたボロン、窒化珪素、炭素、又は炭化珪素といった難溶性のものとしても、前記本発明における放置する工程により、このような難溶性のドーパントを溶融液中に十分に溶けこませることができる。
【0022】
この場合、前記育成する単結晶の抵抗率を、0.001Ωcm以上0.1Ωcm以下の範囲のもの、及び/又は窒素濃度を、1×1013/cc以上1×1015/cc以下の範囲のものとすることが好ましい(請求項3)。
【0023】
このように、育成する単結晶が低抵抗率のものや、窒素濃度が上記範囲のもののように、難溶性のドーパントを多く投入する必要がある場合であっても、前記放置する工程により、量の多い難溶性のドーパントを溶融液中に十分に溶けこませることができる。
【0024】
この場合、前記育成する単結晶の直径を、150mm以上のものとすることができ(請求項4)、また前記チョクラルスキー法を、磁場を印加するMCZ法とすることができる(請求項5)。さらに、前記育成する単結晶を、シリコン単結晶とすることができる(請求項6)。
【0025】
育成する単結晶が、例えば直径150mm以上といった大直径のものであると、それに合わせて用いるルツボの口径も大きいものとする必要がある。しかし、大口径のルツボは、ヒーターからの距離が大きくなる部分が生じて、溶融液中に温度の低い部分ができ、難溶性物質が溶けにくい。またMCZ法ではルツボ内の溶融液の対流が抑制されるために、ルツボ内の温度不均一が大きくなり、溶融液中に温度の低い部分ができる。このため、溶融液中に固化が発生し易く、また難溶性のドーパントが溶け残り易い。本発明では、前記放置する工程により、このような固化物や溶け残ったドーパントを溶液内に十分に溶け込ませることができる。したがって、本発明の単結晶製造方法は、近年大直径化が進み、また近年MCZ法で製造することの多いシリコン単結晶を製造する際に用いるのに効果的である。
【0026】
この場合、前記維持する溶融液の表面温度を、結晶原料の融点よりも20℃を超える温度とし、かつ放置する時間を10時間以下とすることが好ましい(請求項7)。
【0027】
このように、放置する工程での、維持する溶融液の表面温度を、結晶原料の融点よりも20℃を超える高い温度とすれば、例えば、10時間以下といったより短い時間であってもドーパント等の溶け残りを溶融液中にさらに十分に溶融することができる。したがって、単結晶製造時の生産性や歩留りを確実に向上させることができる。
【0028】
さらに、本発明は前記単結晶製造方法で製造されたものである単結晶を提供する(請求項8)。
【0029】
このように、本発明の単結晶製造方法で作られた、例えば大直径の窒素ドープ結晶や低抵抗率結晶などは、高品質で安定した特性を有するものであり、また従来に比べて比較的安価なものとすることができる。
【0030】
以下、本発明についてさらに詳しく述べる。
本発明者らは、CZ法により単結晶を製造する際に、従来のように結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液とした後、該溶融液を生産性維持のために素早く単結晶育成可能な温度にして単結晶の育成を開始するのでは、溶融液中に難溶性のドーパント等が完全に溶けきらないために、有転位化現象が引き起こされると考えた。言い換えると、本発明者らは、難溶性のドーパント等が溶けきらない内に種結晶を溶融液に浸漬させて単結晶の育成を開始すると、溶け切っていない難溶性のドーパント等が成長中の結晶に近づき、さらに付着することで、結晶を有転位化させてしまっていると考えた。特に、近年の大直径結晶の育成では、カーボンや窒素をドープすべく、難溶性のドーパントを用いる場合が多い。また、低抵抗率化のため、大量のボロンの投入が必要となっており、これらが溶け残ることで有転位化が生じているものと考えられた。
【0031】
そこで、本発明者らは鋭意検討し、実験を重ねた結果、単結晶育成時の有転位化発生の原因は、確かに、難溶性であるドーパント等が溶融液に溶け切らずに溶融液中を浮遊し、育成中の単結晶に付着することが原因であることをつきとめた。従来、何度か再溶融を繰り返すうちに単結晶化できていたのは、再溶融中に難溶性のドーパント等がようやく溶けたためであることがわかった。
【0032】
そこで、本発明者らは、結晶原料とドーパントを溶融して溶融液とした後に直ちに結晶の育成を開始せずに、該溶融液を結晶原料の融点よりも高く石英ルツボが軟化してしまうほどではない高温度で、一定以上の時間放置して溶融液中にドーパント等を十分に溶け込ませ、その後、その溶融液から単結晶を育成することで、有転位化現象を避けることができることを見出し、本発明を完成させたものである。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明では、チョクラルスキー法により単結晶を製造する際に、少なくとも、ルツボ内で結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液を生成する工程と、該溶融液を結晶原料の融点よりも15℃以上高い表面温度を維持して2時間以上放置する工程と、その溶融液に種結晶を浸漬し、該溶融液から単結晶を育成する工程を行うことにより単結晶を製造する。
【0034】
先ず、ルツボ内で結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液を生成する工程について説明する。
この工程では、例えばシリコン多結晶などの結晶原料とドーパントとをルツボに充填して溶融する。この際に溶融液と結晶原料とが混在しているうちは、石英ルツボ内の溶融液の温度は結晶原料の融点になっている。しかしながら、溶融液中の原料が完全に溶融されると溶融液の温度は融点を超え、急上昇する。次の放置する工程の所望の維持温度を超えて上昇してしまうと降温のために要する時間的なロスになるばかりでなく、あまりの高温になるとルツボの材料である石英が軟化したり、溶融液が沸騰してしまう可能性もある。
【0035】
従って、結晶原料が完全に溶融されてしまう前にヒーターのパワーを下げるなどの操作を行い、溶融終了後にルツボ内の温度を必要以上に上昇させずに、速やかに次工程における所望の維持温度に到達させることが、高生産性を保つために重要である。
【0036】
また、結晶原料と一緒に添加して溶融するドーパントとしては、例えばボロンといった単結晶に導電型を与えるためのもの、あるいは、例えば窒素やカーボンといった結晶欠陥を抑制するためのものがあげられる。これらを単独もしくは複合して結晶原料と一緒に溶融する。
【0037】
ボロンをドープする方法としては、金属ボロンエレメントをそのまま用いてドープする場合と、それによって育成された結晶(あるいは合金)を砕いたものをドーパントとして用いる場合とがある。一般には、例えば0.001Ωcm以上0.1Ωcm以下の範囲といった抵抗率の低い結晶を育成する場合には金属ボロンエレメントをそのままドーパントとして用いて、一方抵抗率の高いものを育成する場合には一度シリコン結晶化したもの(あるいは、シリコンとの合金化したもの)をドーパントとして用いることになる。一度シリコン結晶化したものでもドーパントは多少難溶性ではあるが、特に金属ボロンエレメントは、融点が2080℃であり、さらに難溶性である。
【0038】
また窒素をドープする場合には窒化珪素(Si)を投入することとなる。これをドープする目的は、ゲッタリング能力を向上させたり、Grown−in欠陥のサイズを小さくコントロールしたりすることにある。これらの効果を得るためには、結晶中の窒素濃度が1×1013/cc以上必要である。一方で、結晶中の窒素濃度が1×1015/ccを超えるものでは固溶限に近くなり単結晶化しなくなるという問題がある。したがって、結晶中の窒素濃度を1×1013/cc以上1×1015/cc以下の範囲となるようにドープすることが重要である。このように用いる、窒化珪素も融点が1900℃とやはり難溶性である。
【0039】
さらに、挙げられる難溶性のドーパントとしては、融点が3600℃の炭素、2700℃の炭化珪素等が挙げられる。炭素も、ゲッタリング能力の制御等の目的でドープされる場合がある。
以上にあげた難溶性物質はシリコンの融点を超え、石英ルツボの軟化点をも超えるものであるが、所定時間放置することで溶融液と化学反応を起こして溶融液中に溶け込み、有転位化の原因となる浮遊物の発生が抑止される。
【0040】
本発明の方法によると、結晶原料と共に溶融するドーパントが、例えばこのような難溶性のドーパントであった場合でも、次の放置する工程で、溶融液を結晶原料の融点より高い表面温度で維持し、所望時間放置することで、ドーパントと溶融した結晶原料とが化学反応を起こして溶融液中にドーパントを十分に溶け込ませることができる。尚、溶融シリコンは、溶融速度に差があるものの、およそすべてのものを溶かすと言われている。
【0041】
次に、溶融液を結晶原料の融点よりも15℃以上高い表面温度を維持して2時間以上放置する工程について説明する。
【0042】
放置する際に、溶融液の表面温度を結晶原料の融点よりも少なくとも15℃以上高い温度、さらには融点より20℃を超える温度、例えば結晶原料がシリコンの場合、融点は約1420℃なので、1435℃以上の温度、好ましくは1440℃を超える温度に維持することで、溶融液中で固化が発生し難くなり、また溶融液中にドーパントを十分に溶融することができ、したがって有転位化を抑制することができる。
【0043】
一方、溶融液の表面温度が余りに高温になるような状況では、ヒーターに近いルツボ部分はさらに高温度になってしまうことになる。その結果、ルツボの損傷が進んで単結晶が育成できなくなってしまうばかりか、さらに高温となった場合には、ルツボが軟化してその形状を保てなくなってしまうこともある。そのため、極端な高温は避けることが好ましく、ルツボの軟化温度よりも低い温度とするのが好ましい。さらに、例えば単結晶の製造に使用される石英ルツボの軟化点は1650℃前後であるので、ヒーターに近いルツボ部分の温度が最大となるところの温度を少なくとも1600℃を越えないようにすることがより好ましい。
【0044】
また、放置する時間を、少なくとも2時間以上、好ましくは3時間以上とすることにより、溶融液中にドーパント等を溶け込ませることができるために、有転位化が抑制でき、生産性並びに生産コストを向上させることができる。
【0045】
一方、放置する時間が12時間もあれば、溶融液中にドーパント等を十分に溶融することができ、12時間を超えて放置してもドーパント等の溶融の効果はさほど変わらなくなる。したがって、12時間を超えて放置しても、結晶育成中に発生する有転位化の回数は放置時間が12時間の条件のものとそれほど変わらなくなる。そのため、放置時間が長時間になることによる時間的ロスの弊害が大きくなり、生産性の低下をまねくことになる。また、ルツボやヒーターの負荷が大きくなるので好ましくない。
【0046】
このような放置する工程での条件としては、維持する溶融液の表面温度を、結晶原料の融点よりも20℃を超える高い温度とするのが好ましい。このように温度を上げることで、例えば、10時間以下といったより短い時間であってもドーパント等の溶け残りを溶融液中にさらに十分に溶融することができる。したがって、さらに生産性や歩留まりを向上することができる。
【0047】
次に、その溶融液に種結晶を浸漬し、該溶融液から単結晶を育成する工程について説明する。
【0048】
近年、例えばシリコン単結晶といった単結晶は大直径化が著しい。この単結晶育成工程で育成される単結晶の直径が大きくなると、それに合わせて用いられるルツボの口径が大きくなる。大口径のルツボでは、ヒーターからの距離が大きくなる部分があるため、融液温度の低い部分が発生して固化が発生し易くなる。特に、難溶性のドーパントは溶け残り易く、これが原因で有転位化が多発していた。そのため本発明の単結晶製造方法は、育成される単結晶の直径が、例えば150mm以上、200mm以上、さらには300mm以上といった大直径の単結晶を製造する際に特に好適である。
【0049】
また、このような大直径の結晶を育成する場合に、ルツボ内の溶融液の対流を制御するために磁場を印加するMCZ法を行うことが多くなってきている。しかし、磁場を印加した場合、一般にルツボ内の溶融液の対流が抑制されるためルツボ内の温度分布が不均一化し、温度の低い部分が発生してしまう。そのため、難溶性のドーパント等が更に溶融液中に溶け残り易く、これが原因で更に有転位化が多発していた。本発明の結晶製造方法は、結晶育成中に磁場を印加して溶融液内の対流を制御した場合であっても、難溶性のドーパント等を溶融液中に十分に溶け込ませることができる。
【0050】
以上のような本発明の単結晶製造方法により育成された単結晶は、高品質で安定した特性を有するものである。また、単結晶育成時の有転位化が抑制されるために生産性や歩留まりが向上するので、従来に比べて安価で供給されるものである。
【0051】
【実施例】
以下、本発明を実施例および比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
図1に概略図を示した単結晶製造装置及びホットゾーンに直径800mmルツボを装備して、直径が300mmの単結晶をMCZ法により育成した。
石英ルツボへ結晶原料としてシリコン多結晶を320kgチャージし、この石英ルツボに、中心磁場強度3500Gの水平磁場を印加しながら、直胴長さ約120cmの単結晶を育成した。この時抵抗率が単結晶0cmで0.008Ωcmとなるように、ドーパントとして金属ボロンエレメントを多結晶とともに石英ルツボ中に入れておいた。シリコン多結晶と金属ボロンエレメントを溶融して溶融液としたのち、溶融液の表面の温度をシリコン結晶の融点(約1420℃)に比べて約20℃程度高目(約1440℃)に設定し、この温度で6時間何もせずに放置した。その後、その溶融液に種結晶を浸漬し、該溶融液からの単結晶の育成を開始した。結晶が途中で有転位化してしまった場合には、その結晶を再び溶融して、製品として使い得る単結晶が得られるまでこれを繰り返した。この条件で11本の単結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。
【0052】
その結果を、図2に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は1.09回であった。また、単結晶の生産性は、後述する従来技術の比較例1の生産性を1とした場合、1.35となった。
【0053】
(実施例2)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約20℃高目に設定した後で放置する時間を12時間としたことを除いて実施例1と全く同じ条件で、単結晶を育成した。この条件で10本の単結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果を図2に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は0.5回と実施例1と比較しても極端に減少した。また、単結晶の生産性は、後述する比較例1の生産性を1とした場合、1.31となった。
このことから、実施例2では放置時間の長時間化に伴い、実施例1に比較して有転位化回数が減少したが、実施例2の生産性は放置時間の長時間化のために、実施例1とほぼ同等となっていることがわかる。
【0054】
(実施例3)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約20℃高目に設定した後で放置する時間を3時間としたことを除いて実施例1と全く同じ条件で、単結晶を育成した。この条件で10本の単結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果を図2に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は2.1回であった。また、単結晶の生産性は、後述する比較例1の生産性を1とした場合、1.23となった。
このことから、実施例3では、実施例1に比較して有転位化回数が増加しているが、放置しない場合にくらべて格段に生産性を向上できていることがわかる。
【0055】
(実施例4)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約30℃高目に設定した後で放置する時間を6時間としたことを除いて実施例1と全く同じ条件で、単結晶を育成した。この条件で10本の単結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果、1本あたりの有転位化回数は0.90回と実施例1と比較して減少した。また、単結晶の生産性は、後述する比較例1の生産性を1とした場合、1.44となった。
このことから、実施例4では放置する際の温度を実施例1よりもさらに上げることで、より速く難溶性物質を溶かすことができ、実施例1に比較して有転位化回数がさらに減少し、そのため生産性がさらに向上していることがわかる。
【0056】
(実施例5)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約20℃高目に設定した後で放置する時間を3時間としたことと、抵抗率を単結晶0cmのところで約20Ωcmとし、かつ窒素濃度を3×1013/ccとすべく石英ルツボ中に多結晶原料とともに窒化珪素を入れたことを除いて、実施例1と全く同じ条件で、単結晶を育成した。この時、抵抗率コントロールのためのドーパントには金属ボロンエレメントではなく、一度シリコン結晶化したドーパントを用いた。この条件で9本の単結晶を育成し、単結晶一本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果を図3に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は0.44回であった。また、結晶の生産性は、後述する比較例2の生産性を1とした場合、1.23となった。
【0057】
(比較例1)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約20℃高目に設定した後で放置せずに、すぐに種結晶を溶融液に浸漬して単結晶を育成したことを除いて、実施例1と全く同じ条件で、単結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。この条件で8本の単結晶を育成し、単結晶一本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果を図2に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は3.25回であった。
【0058】
(比較例2)
溶融液をシリコン結晶の融点に比べて約20℃高目に設定した後で放置せずに、すぐに種結晶を溶融液に浸漬して単結晶を育成したことを除いて、実施例5と全く同じ条件で、単結晶を育成した。この条件で8本の結晶を育成し、単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を求めた。その結果を図3に示す。それによると1本あたりの有転位化回数は1.13回であった。
【0059】
図2は、実施例1、2、3及び比較例1の各単結晶製造条件での単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を比較したグラフである。
図2から、放置時間がない条件の比較例1と比較して、放置時間を3時間以上とした条件の実施例1、2、3は、単結晶1本あたりの有転位化の回数が顕著に少なくなっているのがわかる。さらに、放置時間が、3時間、6時間、さらには12時間と長時間になるにつれて、単結晶1本あたりの有転位化の回数は減少している。
【0060】
一方、生産性を比較してみると、放置時間がない条件の比較例1と比較して、放置時間を3時間以上とした条件の実施例1、2、3は、生産性が顕著に向上していることがわかる。これは、実施例1、2、3は放置するという時間的ロスがあっても、有転位化の回数が減少しているので、有転位化した時に繰り返し再溶融を行うことによる時間的ロスが減っているためである。
従って、放置時間の最適化を計ることで、生産性を向上できる。すなわち、放置時間を2時間以上行うようにすれば、有転位化の回数の減少および生産性の向上をはかることができることが判る。
【0061】
図3は、実施例5及び比較例2の各単結晶製造条件での単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を比較したグラフである。
図3から、やはり、放置時間がない条件の比較例2と比較して、放置時間を3時間とした条件の実施例5は、単結晶1本あたりの有転位化の回数が顕著に少なくなっているのがわかる。一方、生産性を比較してみても、放置時間がない条件の比較例2と比較して、放置時間を3時間とした条件の実施例5は、生産性が顕著に向上していることがわかる。
【0062】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0063】
例えば、上記実施例では、直径300mmのシリコン単結晶を製造する場合について例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、それ以外の直径の単結晶を製造する場合にも適用することができ、例えば直径150mm以上、あるいは直径300mmを超えるような大直径の単結晶を製造する場合に適用すれば特に効果的である。
【0064】
また、上記実施例では、放置する工程での、維持する溶融液の表面温度を、結晶原料の融点よりも20℃高い温度、又は30℃高い温度として単結晶を製造しているが、本発明はこれらに限定されず、溶融液の表面温度が結晶原料の融点よりも15℃以上高い温度で、かつルツボの最も高温になる部分の温度がルツボの軟化温度よりも低い温度となる範囲であれば適用できる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、近年高品質化のために単結晶にドープされることが多くなってきた難溶性のドーパントをうまく溶融液中に溶融することで、ゲッタリング能力の高い、また結晶欠陥の少ない高品位結晶の生産性向上並びにコスト低減をはかることが可能であり、LSIデバイスにおける高歩留まりも期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】単結晶製造装置及びホットゾーンの概略図である。
【図2】実施例1、2、3及び比較例1の各単結晶製造条件での単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を比較したグラフである。
【図3】実施例5及び比較例2の各単結晶製造条件での単結晶1本あたりの有転位化回数と生産性を比較したグラフである。
【符号の説明】
1…メインチャンバー、 2…引き上げチャンバー、 3…単結晶、
4…溶融液、 5…石英ルツボ、 6…黒鉛ルツボ、 7…ヒーター、
8…断熱部材、 9…ガス流出口、 10…ガス導入口、
11…ガス整流筒、 12…遮熱部材、 13…ワイヤー、
14…シャフト、 15…種ホルダー、 16…種結晶、
17…単結晶製造装置。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a single crystal, particularly often used as a substrate for an epitaxial wafer or an annealed wafer that is manufactured as a high-quality single crystal wafer, for example, a single crystal such as a low resistivity crystal and a nitrogen-doped crystal. The present invention relates to a manufacturing method and a single crystal.
[0002]
[Prior art]
Single crystals are mainly produced by the Czochralski Method (hereinafter abbreviated as CZ method).
[0003]
When a crystal is manufactured by the CZ method, the crystal is manufactured using, for example, a single crystal manufacturing apparatus 17 as shown in FIG. The single crystal manufacturing apparatus 17 has a member for melting a polycrystalline crystal raw material, a mechanism for pulling up a single crystal, and the like, and these are housed in the main chamber 1. A pulling chamber 2 extending upward from the ceiling of the main chamber 1 is connected, and a mechanism (not shown) for pulling the single crystal 3 by a wire 13 is provided above the pulling chamber 2.
[0004]
In the main chamber 1, a quartz crucible 5 for accommodating a melt 4 in which a crystal raw material and the like are melted and a graphite crucible 6 for supporting the quartz crucible 5 are provided. These crucibles 5 and 6 are driven by a driving mechanism (not shown). ) So as to be rotatable up and down. The driving mechanism of the crucibles 5 and 6 raises the crucibles 5 and 6 by the liquid level lowering in order to compensate for the lowering of the liquid level of the melt 4 due to the pulling of the single crystal 3.
[0005]
Further, a heater 7 for melting the raw material is arranged so as to surround the crucibles 5 and 6. Outside the heater 7, a heat insulating member 8 is provided so as to surround the periphery thereof in order to prevent heat from the heater 7 from being directly radiated to the main chamber 1.
[0006]
Further, an inert gas such as an argon gas is introduced into the main chamber 1 from a gas inlet 10 provided in an upper part of the pulling chamber 2. The introduced inert gas passes between the single crystal 3 being pulled up and the gas rectification cylinder 11, passes between the lower part of the heat shield member 12 and the liquid surface of the molten liquid 4, and passes through the main chamber 1. It is discharged from a gas outlet 9 provided at the lower part.
[0007]
A crystal raw material is accommodated in a quartz crucible 5 arranged in such a single crystal production apparatus 17, and the quartz crucible 5 is heated by a heater 7 to melt the crystal raw material in the quartz crucible 5. The seed crystal 16 fixed by the seed holder 15 connected to the wire 13 is immersed in the molten liquid 4 obtained by melting the crystal raw material in this manner, and then the seed crystal 16 is pulled up, so that the seed crystal 16 is pulled up. A single crystal 3 having a desired diameter and quality is grown below the crystal 16. At this time, after the seed crystal 16 is immersed in the melt 4, so-called seed drawing (necking) is performed, in which the diameter is once reduced to about 3 mm to form a drawn portion, and then the diameter is increased to a desired diameter. The single crystal is being pulled.
[0008]
When a single crystal is manufactured by such a CZ method, it is known that temperature control is performed in order to suppress introduction of minute defects, twins, and the like into the single crystal and to improve productivity and yield. ing.
For example, as such a temperature control, in order to suppress the introduction of minute defects and dislocations into a single crystal to be manufactured, when a silicon single crystal is manufactured by the CZ method, 1440 after melting a crystal raw material. It is disclosed that a silicon single crystal is pulled while maintaining the entire silicon melt at a temperature of not more than ℃ (for example, see Patent Document 1).
Further, in order to prevent twins and polycrystals from being generated, it is also disclosed that a single crystal is pulled by controlling a temperature gradient of a melt in a crucible (for example, see Patent Document 2).
[0009]
As a single crystal manufactured by such a CZ method, for example, a silicon single crystal can be cited, and a mirror-finished wafer cut out from the silicon single crystal and processed is widely used as a substrate of a semiconductor element.
[0010]
In particular, an epitaxial wafer in which a silicon thin film is epitaxially grown on a silicon single crystal wafer has been widely used as a wafer for manufacturing individual semiconductors, bipolar ICs, and the like because of its excellent characteristics. MOS and LSI are also widely used in microprocessor units and flash memory devices because of their excellent soft error and latch-up characteristics. As an example of such excellent characteristics of the semiconductor epitaxial wafer, there is substantially no so-called grown-in defect introduced in the production of a single crystal in the epitaxial layer, so that defects such as reliability of the DRAM are reduced. That is to do. For this reason, the demand for epitaxial wafers is expanding more and more.
[0011]
As such an epitaxial wafer, a substrate using a low resistivity crystal of, for example, 0.1 Ωcm or less or a substrate using a nitrogen-doped crystal for the substrate has a strong gettering ability. Therefore, there is much demand and the importance is increasing more and more.
[0012]
For the same reason, the importance of annealed wafers is increasing. In particular, nitrogen-doped crystals are increasingly used for substrates as a technique for improving the quality of the wafer surface layer by performing annealing and at the same time forming a gettering source inside the wafer.
[0013]
Furthermore, in recent years, semiconductor devices have become more highly integrated and more precise, and the diameter of wafers used has been increasing. In particular, there is an increasing demand for large diameter wafers with a diameter of 150 mm, 200 mm or more, and even 300 mm or more.
As described above, in particular, the importance of a large diameter nitrogen-doped crystal and a low resistivity crystal is increasing.
[0014]
[Patent Document 1]
JP-A-7-25695
[Patent Document 2]
JP-A-9-175892
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when growing a large diameter crystal by the CZ method, there is a problem that dislocations are likely to occur, especially from the era when a crystal having a diameter of 150 mm or more has been grown. In particular, when producing a nitrogen-doped crystal or a low resistivity crystal having a large diameter, the occurrence of dislocations has been significantly increased. If dislocations occur during single crystal growth, the growing crystal is re-melted and the single crystal is grown again. At present, a single crystal is finally formed while repeating this remelting several times.
[0016]
However, even if dislocations occur many times, the productivity will be reduced.However, during re-melting, the quartz crucible may be damaged and a single crystal may not be grown. This has led to a decline in productivity. In such a situation, the amount of the product that can be obtained with respect to the amount of the input crystal raw material is reduced, and the yield is also reduced. As a result, there has been a problem that the cost of manufacturing a single crystal is increased.
[0017]
The present invention has been made in view of such problems, and has become particularly conspicuous in large-diameter nitrogen-doped crystals and low resistivity crystals, etc., and solves the problem of dislocations during crystal growth, It is an object of the present invention to provide a single crystal manufacturing method capable of efficiently manufacturing a high quality single crystal, thereby improving the productivity and yield thereof and reducing the cost of the single crystal manufacturing.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to solve the above problems, and in a method for producing a single crystal by the Czochralski method, at least, a step of melting a crystal raw material and a dopant in a crucible to generate a molten liquid, A step of maintaining the surface temperature of the melt at least 15 ° C. higher than the melting point of the crystal raw material for at least 2 hours, and a step of immersing a seed crystal in the melt and growing a single crystal from the melt. A method for producing a single crystal is provided (claim 1).
[0019]
As described above, when a single crystal is produced by the Czochralski method, a melt is generated by melting a crystal raw material and a dopant in a crucible, and then the melt is heated to a surface 15 ° C. or more higher than the melting point of the crystal raw material. By keeping the temperature for 2 hours or more, it is possible to sufficiently dissolve the dopant and the like, which have conventionally been often dissolved in the melt, into the melt. Therefore, one of the causes of dislocations during the subsequent growth of the single crystal, which is a problem that the dopant or the like remains dissolved in the melt, can be solved. The number of dislocations can be reduced. As a result, productivity and yield during single crystal production can be improved.
[0020]
In this case, the dopant may be one or more of boron, silicon nitride, carbon, and silicon carbide.
[0021]
In this way, the dopant that melts together with the crystal raw material, boron, silicon nitride, carbon, or silicon carbide, which has been frequently doped into the crystal for high quality in recent years, is also considered as a hardly soluble one. By the leaving step in the present invention, such a hardly soluble dopant can be sufficiently dissolved in the melt.
[0022]
In this case, the single crystal to be grown has a resistivity in the range of 0.001 to 0.1 Ωcm and / or a nitrogen concentration of 1 × 10 5 Thirteen / Cc or more 1 × 10 Fifteen / Cc or less (claim 3).
[0023]
As described above, even when the single crystal to be grown has a low resistivity or a nitrogen concentration in the above-described range, it is necessary to introduce a large amount of a hardly soluble dopant into the single crystal. The hardly soluble dopant having a large amount can be sufficiently dissolved in the melt.
[0024]
In this case, the diameter of the single crystal to be grown can be 150 mm or more (Claim 4), and the Czochralski method can be an MCZ method that applies a magnetic field (Claim 5). ). Furthermore, the single crystal to be grown can be a silicon single crystal.
[0025]
If the single crystal to be grown has a large diameter of, for example, 150 mm or more, the diameter of the crucible to be used must be large. However, a large-diameter crucible has a portion where the distance from the heater is large, and a low-temperature portion is formed in the melt, so that the hardly soluble substance is hardly dissolved. Further, in the MCZ method, since the convection of the melt in the crucible is suppressed, the temperature in the crucible becomes more non-uniform, and a low-temperature portion is formed in the melt. For this reason, solidification easily occurs in the melt, and the hardly soluble dopant tends to remain undissolved. In the present invention, such a solidified product and the remaining dissolved dopant can be sufficiently dissolved in the solution by the leaving step. Therefore, the single crystal production method of the present invention is effective for use in producing a silicon single crystal, which has recently been increased in diameter in recent years and often produced by the MCZ method in recent years.
[0026]
In this case, it is preferable that the surface temperature of the maintained molten liquid is set to a temperature exceeding 20 ° C. from the melting point of the crystal raw material, and the time for leaving the liquid is 10 hours or less (claim 7).
[0027]
As described above, if the surface temperature of the melt to be maintained in the leaving step is set to a temperature higher than the melting point of the crystal raw material by more than 20 ° C., for example, the dopant or the like may be used for a shorter time such as 10 hours or less. Can be more sufficiently melted in the melt. Therefore, the productivity and the yield at the time of manufacturing a single crystal can be reliably improved.
[0028]
Furthermore, the present invention provides a single crystal produced by the method for producing a single crystal (claim 8).
[0029]
Thus, for example, a large-diameter nitrogen-doped crystal or a low-resistance crystal produced by the single crystal production method of the present invention has high quality and stable characteristics, and is comparatively more in comparison with the conventional one. It can be inexpensive.
[0030]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The present inventors have found that, when a single crystal is produced by the CZ method, a crystal material and a dopant are melted into a melt as in the conventional method, and then the melt can be rapidly grown to maintain productivity. It is considered that, when the growth of the single crystal is started at a certain temperature, the poorly soluble dopant or the like does not completely dissolve in the melt, thereby causing a dislocation phenomenon. In other words, the present inventors start cultivating a single crystal by immersing the seed crystal in the melt while the hardly soluble dopant or the like is not completely melted. It was thought that the crystal was dislocated by approaching and further adhering to the crystal. In particular, in recent years, in growing large-diameter crystals, a sparingly soluble dopant is often used to dope carbon or nitrogen. In addition, a large amount of boron needs to be introduced in order to reduce the resistivity, and it is considered that dislocations have occurred due to the residual melting of boron.
[0031]
Therefore, the present inventors have conducted intensive studies and repeated experiments, and as a result, the cause of the occurrence of dislocations during the growth of a single crystal is, indeed, the fact that the hardly soluble dopant or the like does not completely dissolve in the melt, Was found to be caused by floating and attaching to the growing single crystal. Conventionally, it was found that the single crystallization was achieved during remelting several times because the hardly soluble dopant or the like finally melted during remelting.
[0032]
Thus, the present inventors, without melting the crystal raw material and dopant to form a melt immediately after the crystal growth, without melting the quartz crucible higher than the melting point of the crystal raw material the melt so that the quartz crucible is softened It is found that dislocation phenomenon can be avoided by leaving the dopant etc. sufficiently in the melt by leaving it at a high temperature for a certain time or more and then growing a single crystal from the melt. The present invention has been completed.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, but the present invention is not limited thereto.
In the present invention, at the time of producing a single crystal by the Czochralski method, at least, a step of melting a crystal raw material and a dopant in a crucible to generate a molten liquid; A single crystal is produced by performing a step of maintaining the above high surface temperature for 2 hours or more and a step of immersing a seed crystal in the melt and growing a single crystal from the melt.
[0034]
First, a process of melting a crystal raw material and a dopant in a crucible to generate a melt will be described.
In this step, for example, a crystal raw material such as polycrystalline silicon and a dopant are filled in a crucible and melted. At this time, while the melt and the crystal raw material are mixed, the temperature of the melt in the quartz crucible is the melting point of the crystal raw material. However, when the raw material in the melt is completely melted, the temperature of the melt exceeds the melting point and rises sharply. If the temperature rises beyond the desired maintenance temperature in the next standing step, not only will the time required for the temperature drop be lost, but if the temperature is too high, the quartz material crucible will soften or melt. The liquid may boil.
[0035]
Therefore, an operation such as lowering the power of the heater is performed before the crystal raw material is completely melted, and the temperature in the crucible is immediately increased to a desired maintenance temperature in the next process without raising the temperature in the crucible more than necessary after the completion of the melting. Reaching is important to maintain high productivity.
[0036]
Examples of the dopant which is added together with the crystal raw material and melted include a dopant for giving conductivity to a single crystal such as boron, and a dopant for suppressing crystal defects such as nitrogen and carbon. These are melted together with the crystal raw material either alone or in combination.
[0037]
As a method of doping boron, there are a case where a metal boron element is used as it is, and a case where a crystal (or an alloy) grown thereby is crushed is used as a dopant. In general, when growing a crystal having a low resistivity, for example, in the range of 0.001 Ωcm or more and 0.1 Ωcm or less, the metal boron element is used as a dopant as it is. Crystallized material (or alloyed with silicon) is used as a dopant. Although the dopant is slightly insoluble even once crystallized with silicon, the metal boron element has a melting point of 2080 ° C. and is particularly insoluble.
[0038]
When doping with nitrogen, silicon nitride (Si 3 N 4 ). The purpose of doping is to improve the gettering ability and to control the size of the grown-in defect to be small. To obtain these effects, the nitrogen concentration in the crystal must be 1 × 10 Thirteen / Cc or more is required. On the other hand, when the nitrogen concentration in the crystal is 1 × 10 Fifteen If it exceeds / cc, there is a problem that it approaches the solid solubility limit and does not form a single crystal. Therefore, the nitrogen concentration in the crystal is 1 × 10 Thirteen / Cc or more 1 × 10 Fifteen It is important to dope so as to fall within the range of / cc or less. Silicon nitride used in this manner is also insoluble, having a melting point of 1900 ° C.
[0039]
Further, examples of the hardly soluble dopant include carbon having a melting point of 3600 ° C. and silicon carbide having a melting point of 2700 ° C. Carbon may be doped for the purpose of controlling the gettering ability.
The hardly soluble substances listed above exceed the melting point of silicon and also exceed the softening point of quartz crucibles.However, if they are left for a predetermined period of time, they undergo a chemical reaction with the melt and dissolve into the melt, causing dislocation. The generation of suspended matter that causes air pollution is suppressed.
[0040]
According to the method of the present invention, even if the dopant to be melted together with the crystal raw material is, for example, such a hardly soluble dopant, in the next standing step, the molten liquid is maintained at a surface temperature higher than the melting point of the crystal raw material. By allowing the dopant to stand for a desired time, a chemical reaction occurs between the dopant and the molten crystal raw material, so that the dopant can be sufficiently dissolved in the melt. It is said that molten silicon dissolves almost everything, although there is a difference in the melting rate.
[0041]
Next, a description will be given of a step of keeping the melt at a surface temperature higher than the melting point of the crystal raw material by 15 ° C. or more for 2 hours or more.
[0042]
At the time of leaving, the surface temperature of the molten liquid is at least 15 ° C. higher than the melting point of the crystal raw material, and moreover 20 ° C. higher than the melting point. For example, when the crystal raw material is silicon, the melting point is about 1420 ° C. By maintaining the temperature at a temperature of not less than 1 ° C., preferably at a temperature of more than 1440 ° C., solidification hardly occurs in the melt, and the dopant can be sufficiently melted in the melt, thus suppressing dislocations can do.
[0043]
On the other hand, in a situation where the surface temperature of the melt becomes too high, the temperature of the crucible near the heater will be higher. As a result, not only does the crucible become damaged and a single crystal cannot be grown, but when the temperature rises further, the crucible may soften and lose its shape. Therefore, it is preferable to avoid extremely high temperatures, and it is preferable that the temperature be lower than the softening temperature of the crucible. Further, for example, since the softening point of a quartz crucible used for producing a single crystal is around 1650 ° C., the temperature at which the temperature of the crucible portion close to the heater becomes maximum should not exceed at least 1600 ° C. More preferred.
[0044]
Further, by setting the leaving time to at least 2 hours or more, preferably 3 hours or more, a dopant or the like can be dissolved in the melt, so that dislocations can be suppressed and productivity and production cost can be reduced. Can be improved.
[0045]
On the other hand, if the standing time is as long as 12 hours, the dopant and the like can be sufficiently melted in the melt, and the effect of melting the dopant and the like does not change much even if the standing time exceeds 12 hours. Therefore, even when the crystal is left for more than 12 hours, the number of dislocations generated during the growth of the crystal is not so different from the number of dislocations when the crystal is left for 12 hours. For this reason, the adverse effect of the time loss due to the long standing time increases, which leads to a decrease in productivity. Further, the load on the crucible and the heater increases, which is not preferable.
[0046]
As a condition in such a leaving step, it is preferable that the surface temperature of the maintained melt is higher than the melting point of the crystal raw material by more than 20 ° C. By increasing the temperature in this manner, the undissolved residue of the dopant or the like can be more sufficiently melted in the melt even for a shorter time, for example, 10 hours or less. Therefore, productivity and yield can be further improved.
[0047]
Next, a step of immersing a seed crystal in the melt and growing a single crystal from the melt will be described.
[0048]
In recent years, single crystals such as silicon single crystals have remarkably increased in diameter. As the diameter of the single crystal grown in this single crystal growing step increases, the diameter of the crucible used accordingly increases. In a large-diameter crucible, since there is a portion where the distance from the heater is large, a portion where the temperature of the melt is low is generated and solidification easily occurs. In particular, the hardly soluble dopant is apt to remain undissolved, and as a result, dislocations occur frequently. Therefore, the method for producing a single crystal of the present invention is particularly suitable for producing a single crystal having a large diameter, for example, 150 mm or more, 200 mm or more, or even 300 mm or more.
[0049]
Also, when growing such a large-diameter crystal, the MCZ method for applying a magnetic field to control the convection of the melt in the crucible is increasing. However, when a magnetic field is applied, the convection of the molten liquid in the crucible is generally suppressed, so that the temperature distribution in the crucible becomes non-uniform, and a low-temperature portion is generated. For this reason, the hardly soluble dopant and the like are more likely to remain dissolved in the molten liquid, and as a result, dislocations are more frequently generated. ADVANTAGE OF THE INVENTION The crystal manufacturing method of this invention can make a hardly soluble dopant etc. fully melt | dissolve in a melt, even when the convection in a melt is controlled by applying a magnetic field during crystal growth.
[0050]
The single crystal grown by the single crystal manufacturing method of the present invention as described above has high quality and stable characteristics. In addition, since dislocation at the time of growing a single crystal is suppressed, the productivity and the yield are improved, so that the material is supplied at a lower cost than in the past.
[0051]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
(Example 1)
A single crystal manufacturing apparatus whose schematic diagram is shown in FIG. 1 and a hot zone equipped with a crucible having a diameter of 800 mm were used to grow a single crystal having a diameter of 300 mm by the MCZ method.
A quartz crucible was charged with 320 kg of silicon polycrystal as a crystal raw material, and a single crystal having a straight body length of about 120 cm was grown while applying a horizontal magnetic field having a central magnetic field strength of 3500 G to the quartz crucible. At this time, a metal boron element was put in a quartz crucible together with the polycrystal as a dopant so that the resistivity was 0.008 Ωcm in a single crystal of 0 cm. After melting the silicon polycrystal and the metal boron element into a melt, the temperature of the surface of the melt is set to about 20 ° C. higher (about 1440 ° C.) than the melting point of silicon crystal (about 1420 ° C.). This was left at this temperature for 6 hours without any operation. Thereafter, a seed crystal was immersed in the melt, and a single crystal was grown from the melt. When the crystal was dislocated in the middle, the crystal was melted again, and this was repeated until a single crystal usable as a product was obtained. Eleven single crystals were grown under these conditions, and the number of dislocations per single crystal and productivity were determined.
[0052]
The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per line was 1.09. The productivity of the single crystal was 1.35 when the productivity of Comparative Example 1 of the prior art described later was set to 1.
[0053]
(Example 2)
A single crystal was grown under exactly the same conditions as in Example 1 except that the melt was set at about 20 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal and then left for 12 hours. Under these conditions, ten single crystals were grown, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per line was 0.5, which was extremely reduced as compared with Example 1. The productivity of the single crystal was 1.31 when the productivity of Comparative Example 1 described later was set to 1.
For this reason, in Example 2, the number of dislocations was reduced as compared to Example 1 with the prolonged leaving time, but the productivity of Example 2 was reduced due to the prolonged leaving time. It turns out that it is almost equivalent to Example 1.
[0054]
(Example 3)
A single crystal was grown under exactly the same conditions as in Example 1 except that the melt was set at about 20 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal and then left for 3 hours. Under these conditions, ten single crystals were grown, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per line was 2.1. The productivity of the single crystal was 1.23 when the productivity of Comparative Example 1 described later was set to 1.
From this, it can be seen that in Example 3, the number of dislocations was increased as compared with Example 1, but the productivity was significantly improved as compared with the case where no dislocation was performed.
[0055]
(Example 4)
A single crystal was grown under exactly the same conditions as in Example 1 except that the melt was set at about 30 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal and then left for 6 hours. Under these conditions, ten single crystals were grown, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. As a result, the number of dislocations per line was 0.90, which was smaller than that in Example 1. In addition, the productivity of the single crystal was 1.44 when the productivity of Comparative Example 1 described later was set to 1.
From this, in Example 4, it is possible to dissolve the hardly soluble substance more quickly by raising the temperature at the time of standing than in Example 1, and the number of dislocations is further reduced as compared with Example 1. Therefore, it can be seen that the productivity is further improved.
[0056]
(Example 5)
After setting the melt at about 20 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal, the standing time was set to 3 hours, the resistivity was set to about 20 Ωcm at 0 cm of the single crystal, and the nitrogen concentration was set to 3 × 10 Thirteen A single crystal was grown under exactly the same conditions as in Example 1, except that silicon nitride was added together with the polycrystalline raw material in the quartz crucible to be / cc. At this time, as the dopant for controlling the resistivity, a dopant once crystallized with silicon was used instead of the metal boron element. Nine single crystals were grown under these conditions, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per one was 0.44. Further, the productivity of the crystal was 1.23 when the productivity of Comparative Example 2 described later was set to 1.
[0057]
(Comparative Example 1)
Example 1 was repeated except that the melt was set at about 20 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal, and the seed crystal was immediately immersed in the melt to grow a single crystal without being allowed to stand. A single crystal was grown under exactly the same conditions, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. Eight single crystals were grown under these conditions, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per line was 3.25.
[0058]
(Comparative Example 2)
Example 5 was repeated except that the melt was set at about 20 ° C. higher than the melting point of the silicon crystal, and the seed crystal was immediately immersed in the melt to grow a single crystal without being left. A single crystal was grown under exactly the same conditions. Eight crystals were grown under these conditions, and the number of dislocations per single crystal and the productivity were determined. The result is shown in FIG. As a result, the number of dislocations per line was 1.13.
[0059]
FIG. 2 is a graph comparing the number of dislocations per single crystal and the productivity under each single crystal production condition of Examples 1, 2, 3 and Comparative Example 1.
From FIG. 2, as compared with Comparative Example 1 in which there is no standing time, in Examples 1, 2, and 3 where the leaving time is 3 hours or more, the number of dislocations per single crystal is remarkable. It can be seen that it is less. Furthermore, the number of dislocations per single crystal decreases as the standing time increases to 3 hours, 6 hours, and even 12 hours.
[0060]
On the other hand, when comparing the productivity, Examples 1, 2 and 3 in which the leaving time was 3 hours or more were significantly improved in comparison with Comparative Example 1 in which there was no leaving time. You can see that it is doing. This is because even if there is a time loss of leaving the first, second, and third embodiments, the number of dislocations is reduced, and the time loss due to repeated remelting when dislocations occur is reduced. Because it is decreasing.
Therefore, productivity can be improved by optimizing the leaving time. In other words, it can be understood that the number of dislocations can be reduced and the productivity can be improved if the leaving time is set to 2 hours or more.
[0061]
FIG. 3 is a graph comparing the number of dislocations per single crystal and the productivity under each single crystal production condition of Example 5 and Comparative Example 2.
As can be seen from FIG. 3, the number of dislocations per single crystal in Example 5 where the leaving time was 3 hours was remarkably reduced as compared with Comparative Example 2 where the leaving time was not used. You can see that On the other hand, when comparing the productivity, Example 5 in which the leaving time was 3 hours showed that the productivity was significantly improved as compared with Comparative Example 2 in which there was no leaving time. Understand.
[0062]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device having the same operation and effect can be realized by the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0063]
For example, in the above-described embodiment, a case where a silicon single crystal having a diameter of 300 mm is manufactured has been described by way of example. However, the present invention is not limited to this, and is also applicable to a case where a single crystal having another diameter is manufactured. This is particularly effective when applied to the production of a single crystal having a large diameter such as a diameter of 150 mm or more, or a diameter exceeding 300 mm.
[0064]
Further, in the above embodiment, the single crystal is manufactured by setting the surface temperature of the melt to be maintained in the leaving step at a temperature higher by 20 ° C. or 30 ° C. than the melting point of the crystal raw material. The temperature is not limited to these, as long as the surface temperature of the melt is at least 15 ° C. higher than the melting point of the crystal raw material and the temperature of the highest temperature portion of the crucible is lower than the softening temperature of the crucible. If applicable.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the gettering ability of the gettering ability is improved by successfully melting the hardly-soluble dopant, which has been frequently doped into a single crystal in recent years for high quality, into a melt. It is possible to improve the productivity and reduce the cost of high-quality crystals with high crystal defects and few crystal defects, and high yield in LSI devices can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a single crystal manufacturing apparatus and a hot zone.
FIG. 2 is a graph comparing the number of dislocations per single crystal and the productivity under each single crystal production condition of Examples 1, 2, and 3 and Comparative Example 1.
FIG. 3 is a graph comparing the number of dislocations per single crystal and the productivity under each single crystal production condition of Example 5 and Comparative Example 2.
[Explanation of symbols]
1 ... main chamber, 2 ... pulling chamber, 3 ... single crystal,
4 ... melt, 5 ... quartz crucible, 6 ... graphite crucible, 7 ... heater,
8: heat insulating member, 9: gas outlet, 10: gas inlet,
11: gas rectifying cylinder, 12: heat shielding member, 13: wire,
14 ... shaft, 15 ... seed holder, 16 ... seed crystal,
17: Single crystal production equipment.

Claims (8)

チョクラルスキー法により単結晶を製造する方法において、少なくとも、ルツボ内で結晶原料及びドーパントを溶融して溶融液を生成する工程、該溶融液を結晶原料の融点よりも15℃以上高い表面温度を維持して2時間以上放置する工程、及びその溶融液に種結晶を浸漬し、該溶融液から単結晶を育成する工程を含むことを特徴とする単結晶の製造方法。In the method of producing a single crystal by the Czochralski method, at least a step of melting a crystal raw material and a dopant in a crucible to generate a melt, and setting the surface temperature of the melt at 15 ° C. or more higher than the melting point of the crystal raw material. A method for producing a single crystal, comprising: a step of maintaining and leaving to stand for 2 hours or more; and a step of immersing a seed crystal in the melt and growing a single crystal from the melt. 前記ドーパントを、ボロン、窒化珪素、炭素、又は炭化珪素のいずれか1つ以上のものとすることを特徴とする請求項1に記載の単結晶の製造方法。The method according to claim 1, wherein the dopant is at least one of boron, silicon nitride, carbon, and silicon carbide. 前記育成する単結晶の抵抗率を、0.001Ωcm以上0.1Ωcm以下の範囲のもの、及び/又は窒素濃度を、1×1013/cc以上1×1015/cc以下の範囲のものとすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の単結晶の製造方法。The single crystal to be grown has a resistivity in the range of 0.001 Ωcm to 0.1 Ωcm and / or a nitrogen concentration in the range of 1 × 10 13 / cc to 1 × 10 15 / cc. The method for producing a single crystal according to claim 1, wherein: 前記育成する単結晶の直径を、150mm以上のものとすることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の単結晶の製造方法。The method for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter of the single crystal to be grown is 150 mm or more. 前記チョクラルスキー法を、磁場を印加するMCZ法とすることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の単結晶の製造方法。The method of manufacturing a single crystal according to claim 1, wherein the Czochralski method is an MCZ method in which a magnetic field is applied. 前記育成する単結晶を、シリコン単結晶とすることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の単結晶の製造方法。The method for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 5, wherein the single crystal to be grown is a silicon single crystal. 前記維持する溶融液の表面温度を、結晶原料の融点よりも20℃を超える温度とし、かつ放置する時間を10時間以下とすることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の単結晶の製造方法。7. The method according to claim 1, wherein the surface temperature of the maintained melt is set to a temperature exceeding 20 ° C. from the melting point of the crystal raw material, and the standing time is set to 10 hours or less. 3. The method for producing a single crystal according to item 1. 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の方法で製造されたものであることを特徴とする単結晶。A single crystal produced by the method according to any one of claims 1 to 7.
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