JP4950985B2 - ほぼ多角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法およびこのような単結晶性のＳｉウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、ほぼ多角形の横断面およびゾーン育成（zonengezogen.）されたＳｉ結晶の材料品質を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法ならびにこのような単結晶性のＳｉウェーハに関する。

メルトもしくは溶融体中の半径方向の温度勾配が十分に小さくなった場合に、チョクラルスキー（ＣＺ）法によりるつぼから正方形の結晶を＜１００＞方向に育成させることが知られている。しかし、このような過程は不安定である。すなわち、結晶の横断面は温度の小さな変動時でも極めて容易に変化する。また、小さな温度勾配に基づき、小さな育成速度もしくは引張速度しか可能とならない。さらに、ＣＺ−Ｓｉの不純物汚染レベルがフローティングゾーン（ＦＺ）シリコンに比べて高くなることも知られている。

現在では、たとえばソーラセルのために正方形もしくは準正方形の単結晶性のウェーハが製造される。この場合、最大３６％の材料損失を伴って円形の結晶横断面から相応するセグメントが切断される。

方法条件に基づいて結晶のくびれ状の「ネック部」に位置する、成長中のＦＺ結晶の回転軸線は、結晶の長さが直径を上回ると主慣性軸線ではなくなる。したがって、結晶の回転運動は物理的な理由から不安定となる。特に、実際に汎用されている大きな結晶（たとえば直径１５０ｍｍ、長さ１．５ｍ）の場合には、常時存在する小さな妨害因子（振動、アンバランス）により惹起されて、回転速度が増大するにつれて結晶および溶融体の振れ（Ausschlaege）が増大し、このような振れは転位形成に寄与するか、もしくは結晶の直径もしくは引張長さのそれ以上の増大を制限する。

円形の横断面を有する、ゾーン育成された単結晶性のインゴットを製造するためには、公知先行技術に基づき種々の解決手段が知られている。

そこで、ドイツ民主共和国特許出願公開第２６３３１０号明細書に記載の方法では、結晶回転と、回転する磁界とが同じ回転方向を有することにより、強制された対流の影響がなくなる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００５１８８５号明細書には、単結晶の回転方向と磁界の回転方向とが逆向きになる方法が記載されている。この場合、溶融体中には、方位方向（azimutal. Richtung）における体積力が生ぜしめられ、これにより溶融体中に特別な流れが発生し、この流れは溶融体中での粒子の、より長い滞留を生ぜしめ、ひいては良好な混合および完全な溶融を生ぜしめる。このプロセスは別の周波数と、時間的に可変の振幅とを有する第２の磁界を使用することにより改善され得る。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６１６９４９号明細書に円形の単結晶性の半導体インゴットを製造するために記載されている方法では、高周波数加熱コイルにより形成された高周波数の交流磁界に対して付加的に、引張軸線に対して平行に延びる直流磁界が、溶融体ゾーンと高周波数加熱コイルとを取り囲む円筒状のコイルによって印加され、これにより溶融体の対流の渦流減衰（Wirbelstromdaempfung）を達成しようとしている。

米国特許第５５５６４６１号明細書には、ＦＺ法によって円形の単結晶性のＳｉインゴットを製造するための解決手段が記載されており、この場合、多結晶性のＳｉインゴットが１０〜１０００μｍの平均粒度を有している。この解決手段においても、付加的に静的な磁界を発生させるための手段が配置されており、これにより溶融体中の渦流を抑制しようとしている。成長時には、出発結晶インゴットおよび成長中の単結晶インゴットが回転させられる。

円形の横断面を有する、ゾーン育成された半導体材料をドーピングするためには、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２１６６０９号明細書に記載されているように、溶融体にドーピング物質が添加される。ドーピング物質を含有する溶融体は少なくとも１つの回転磁界にさらされる。溶融体の凝固時に、発生した単結晶は少なくとも１ｒ．ｐ．ｍ．の速度で回転させられ、磁界は逆方向に回転させられる。

工業的には、材料節約的にＳｉウェーハを製造することが重要となる。規定された横断面のウェーハの形の円形のＳｉディスクのスライス切断に基づきこれまで生じていた材料損失はもはや許容され得ない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６０８８８９号明細書には、チョクラルスキー成長によって多角形の横断面を有する単結晶性の半導体インゴットを製造するための方法が記載されている。この方法では、溶融体表面に、成長中の結晶の対称性（シンメトリ）に相当する規定された温度フィールドが付与される。このためには、冷却システムが設けられている。この冷却システムは種子結晶と同方向でかつ種子結晶と同速度で回転する。影響を与えられた温度分布に基づき、汎用の円筒形状とは異なる結晶成長が実現される。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２０９６４号明細書には、るつぼなしの連続的な結晶化によって、規定された横断面を有する多結晶性の結晶インゴットを製造するための解決手段が記載されている。この場合、誘導コイルとるつぼとの間ならびに誘導コイルと結晶化フロントとの間の可変調節可能な間隔を介して、唯一つの共通の加熱手段、つまり誘導コイルを用いて、るつぼ中の結晶材料が溶融され、成長する多結晶性の結晶インゴットにおける結晶化フロントが調節される。こうして、溶融されなかったＳｉ粒子が位相境界へ到達しないようにしている。成長中の結晶インゴットのすぐ上に配置された、溶融体に接触したフレームにより、成長中の結晶インゴットの形状、つまりその横断面が規定される。

そこで、本発明の課題は、ほぼ多角形の横断面と、フローティングゾーン育成されたＳｉ結晶の材料特性とを有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法を改良して、著しい材料節約を保証し、大きな直径と大きな引張長さとを有する結晶を可能にし、かつ従来公知の方法よりも手間のかからないような方法を提供することである。

この課題は本発明によれば、ほぼ多角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法において、開始段階で、垂下した溶融滴から公知の手段を用いて少なくとも１つのネック部を鉛直方向下方に引き下げ、その後に、結晶回転を０〜＜１ｒ．ｐ．ｍ．の回転数にまで減少させ、引き続き、成長段階で、ほぼ多角形の横断面を有するＳｉ単結晶を鉛直方向下方に引き下げ、この場合、多角形の頂点に対応した多頂点状の電流分配のための手段を有するインダクタを、育成したい結晶インゴットの横断面の形状に対応する、成長相境界における形状を有する温度分布を発生させるために使用し、次いで、所望の引張長さもしくは育成長さの達成時に結晶インゴットの定常の成長を終了させ、結晶インゴットをスライス切断して、多角形の横断面を有するウェーハを形成することを特徴とする、多角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法により解決される。

これまで当業者の間では、約４０ｍｍを越える直径を有する結晶はＦＺ法（針穴法）により少なくとも１ｒ．ｐ．ｍ．の回転速度を有する回転下でしか育成され得ないので、公知先行技術に基づき知られている前述の多数の解決手段に反映されているように、このような結晶は円形に形成されていなければならないという一般的なコンセンサスが支配していた。特に、インダクタギャップの下での局所的な過剰加熱は成長相境界の局所的な降下を生ぜ、これにより溶融体が溢出するか、転位が生じるとされていた。

本発明による方法は、１実施態様において規定されているように、成長段階において回転なしでも作業する可能性を提供する。これによって、結晶成長を敏感に妨げる恐れのある、回転に帰因する妨害因子、たとえば相境界における周期的な温度変動および成長中の結晶および溶融体ゾーンの機械的な振動および歳差運動が生じなくなる。さらに、改善された機械的な安定性に基づき、大きな直径（たとえば２００ｍｍ）を有する結晶の成長も一層確実となる。

調節可能なほぼ多角形の横断面により、多角形ウェーハの製造時における改善された材料収率もしくは材料歩溜まりが達成される。使用されたインダクタ（誘導器）は、たとえば溶融体ゾーンにおける規定された電流分配のためのスリットを有していてよいので、結晶化相境界の形状には、結晶インゴットの多角形の横断面が近似的に生じるように影響が与えられる。成長中の結晶インゴットのできるだけ対称的な多角形の横断面を得るためには、主スリットの作用を副スリットの作用に同化させる、当業者にとって知られている手段を設けることができる。

別の実施態様では、回転数の減少前にインダクタの出力が一時的に最大１０％減少させられる。これによって、溶融体ゾーンの容積を減小させ、こうして円形の横断面から多角形の横断面への移行相における溶融体の溢出を防止することが達成される。

本発明の上で述べた実施態様では、引っ張りたい結晶、つまり育成させたい結晶の単位面積のために必要な直径が達成されると、ネック部に続く円錐状の区分が形成された後ではじめて結晶回転が停止させられる。このような変化形はネック部と、次に形成される円錐状の区分とを製造するためのスタート段階においては、汎用方法による公知先行技術に相当しており、そしてその後に、本来の成長段階が、本発明によれば回転なしに続いている。

本発明のさらに別の実施態様では、インダクタのスリットに対して相対的な、育成したい結晶インゴットの、結晶対称性がインダクタ対称性に適合されるような方位的な結晶学的な向きで、結晶回転が停止させられる。これによって、ほぼ不変のままの横断面が保証される。

ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットを製造したい場合には、１つの主スリットと３つの副スリットとを備えたインダクタが使用される。この場合、ギャップ寸法は所望の横断面に適合されており、インダクタのスリットは、形成される正方形の横断面の対角線に従っており、つまり該対角線に沿って延びている。Ｓｉインゴットを成長段階で間欠的にその都度正確に９０゜だけ周期的に回転させるとことが特に有利であることが判った。この場合、規定された位置における、成長中の単結晶性のＳｉインゴットの滞留時間は、該Ｓｉインゴットの９０゜回転の時間よりも著しく長い。

著しく丸み付けされた多角形体の形のほぼ円形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットを成長させるために、本発明のさらに別の実施態様では、回転していないＳｉインゴットが付加的に、１０００Ｈｚよりも下の周波数を有する回転磁界にさらされる。このような付加的なＡＣ磁界は溶融体中に方位的な回転流を発生させる。この方位的な回転流は熱を運び、ひいては温度分布の回転対称性を高めるので、ほぼ円形の横断面が達成される。それと同時に、溶融体中のドーピング分布も均質化され、成長相境界における一層均一な拡散縁層が、回転しない結晶インゴットの場合にも形成される。回転する磁界は公知先行技術に基づき知られている結晶回転と同等の手段であるとみなされ得る。しかし、このような回転する磁界は、本発明に課せられた課題を解決するために必ずしも必要ではない。

また、同じく選択的な実施態様では、印加された磁界に対して付加的に、成長中の結晶を極めて低速に、つまり＜１ｒ．ｐ．ｍ．の回転数で回転させることが可能である。

本発明による解決手段は、ほぼ多角形の横断面と、フローティングゾーン法により育成されたシリコンの材料特性とを有する単結晶性のＳｉウェーハにおいて、該Ｓｉウェーハが、その表面にｎ個の辺数のジオメトリ（n-zaehlig. Geometrie）を有するほぼ多角形のストリエーションパターン（Striationverlauf）を有していて、しかも以下の方法ステップ：
開始段階で、垂下した溶融滴から公知の手段を用いて少なくとも１つのネック部を鉛直方向下方に引き下げ、その後に、結晶回転を０〜＜１ｒ．ｐ．ｍ．の回転数にまで減少させ、引き続き、成長段階で、ほぼ多角形の横断面を有するＳｉ単結晶を鉛直方向下方に引き下げ、この場合、多角形の頂点に対応した多角形状の電流分配のための手段を有するインダクタを、育成したい結晶インゴットの横断面の形状に対応する、成長相境界における形状を有する温度分布を発生させるために使用し、次いで、所望の引張長さもしくは育成長さの達成時に結晶インゴットの定常の成長を終了させ、結晶インゴットをスライス切断して、多角形の横断面を有するウェーハを形成する、
より成る方法により製造可能であることを特徴とする、多角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハをも包含している。

本発明による方法により製造された、ほぼ多角形の横断面を有するＳｉ結晶が、その横断面の多角形のジオメトリに相当するジオメトリを有する非円形のストリエーションパターンを有していることが判った。

同様の結果は、ほぼ正方形の単結晶性のＳｉウェーハにおいて、該Ｓｉウェーハが、４個の辺数のジオメトリを有するほぼ正方形のストリエーションパターンを有していて、しかも以下の方法ステップ：
開始段階で、垂下した溶融体滴から公知の手段を用いて少なくとも１つのネック部を鉛直方向下方に引き下げ、その後に、インダクタのスリットに対して相対的な、成長中の結晶インゴットの、結晶対称性がインダクタ対称性に適合されるような方位的な結晶学的な向きで、結晶回転を停止させ、この場合、１つの主スリットと３つの副スリットとを備えたインダクタを使用し、ただし該インダクタのギャップ寸法を所望の横断面に適合させ、スリットを、成長させたい横断面の対角線の方向に向け、引き続き、成長段階で、ほぼ正方形の横断面を有するＳｉ単結晶を鉛直方向下方に引き下げ、次いで、所望の引張長さのもしくは育成長さの達成時に結晶インゴットの定常の成長を終了させ、結晶インゴットをスライス切断して、正方形の横断面を有するウェーハを形成する、
より成る方法により製造可能であることを特徴とする、正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハに関しても達成することができた。

以下の、ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造するための実施例において本発明を図面につき詳しく説明する。

図１は、本発明による方法を用いて成長させられた、ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットの全体図であり；
図２は、図１に示したインゴットから切り出されたＳｉディスクにおけるストリエーションパターンのハーフトーン画像であり；
図３は、図１に示したインゴットからのＳｉウェーハの平面図であり；
図４は、６つのスリットを備えたインダクタを示す概略図である。

ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットを成長させるために使用された、公知先行技術に基づき公知の誘導器もしくはインダクタは、４つのスリット、つまり１つの主スリットと３つの副スリットを有している。主スリット（電流供給部）はインダクタ縁部にまで到達しなければならないので、主スリットの磁界は、主スリットに周辺範囲内でオーバラップする金属プレートによりシールドされるか、もしくは弱められる。

ほぼ正方形の横断面を有する結晶インゴットの結晶成長は、汎用のＦＺプロセスのように公知の形式で開始する。まず、ネック部を、次いで無転位の円錐状の結晶コーン（肩部）を回転下に、副スリットの範囲を覆う直径にまで引っ張った。その後にＨＦ（高周波）出力を約５％だけ減少させた。このことは溶融体容積の減少および下側の相境界における溶融体の表面の縁角度の平坦化を生ぜしめた。この状態において、インダクタスリットと整合するように結晶の４つの成長シーム(晶癖)の、この場合に存在する＜１００＞配向のために好都合な方位的な向きで結晶回転を停止させた。これらの位置において、相境界の鉛直方向の切込みが形成され、このことは、結晶表面の４つのプロチュバランス（こぶ）の成長を併発させた。引き続き、徐々に再びＨＦ出力を最初の値にまで高めた。その結果、ほぼ正方形の横断面が安定化した。この横断面を無転位の構造の取得下に定常に継続させることができた。約３０ｃｍの定常の成長の後に、溶融体ゾーンの分離によって実験を支障なく終了させた。図１には、正方形の横断面と、約３０ｃｍの育成長さもしくは引張長さとを有する単結晶性のＳｉインゴットの全体図が示されている。図２には、図１に示したＳｉインゴットの結晶ディスクにおけるほぼ正方形のストリエーション（成長縞）パターンのハーフトーン画像が示されている。この妨害因子は本発明の解決手段とは無関係であり、切断時に生ぜしめられた応力に帰因し得るものである。図３には、ほぼ正方形の横断面を有するディスクが示されている。

結晶の横断面はこの例では主としてインダクタの副スリットの寸法および配置および結晶回転の停止により生ぜしめられる。この場合、円錐状の結晶コーンのまだ円形の横断面において、結晶回転の停止直後に溶融体が流出する恐れがあるという問題を解決しなければならなかった。この問題は、主スリットの磁界を構造的に弱め、回転停止前に溶融体ゾーンの容積を出力低下によって縮小させることにより防止された。結晶横断面のほぼ正方形の対称性は、別の実験において結晶をその都度正確に９０゜だけ周期的に回転させ、かつ／またはインダクタのギャップ寸法を所望の横断面に精密に適合させることにより改善することができた。

図４には、六角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造するために使用することのできる、６つのスリットＳを備えたインダクタの平面図が示されている。図４から判るように、電流供給部Ｉの方向に向けられた主スリットＨＳは、主スリットの影響を減少させるために、より細く形成されている。破線により、ほぼ六角形の横断面を有する成長中の結晶の輪郭が描かれている。

本発明による解決手段は、インダクタ加工成形、結晶の方位位置調整および成長相における回転の停止もしくは減少により、円形の結晶に比べて著しい材料節約を可能にする、用途に関連した結晶横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットの製造を可能にする。

本発明による方法を用いて成長させられた、ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットの全体図である。 図１に示したインゴットから切り出されたＳｉディスクにおけるストリエーションパターンのハーフトーン画像である。 図１に示したインゴットからのＳｉウェーハの平面図である。 ６つのスリットを備えたインダクタを示す概略図である。

Claims (11)

1. ほぼ多角形の横断面と、ゾーン育成されたＳｉ結晶の材料品質とを有する単結晶のＳｉウェーハを製造する方法において、
   開始段階で、垂下した溶融滴から少なくとも１つのネック部を鉛直方向下方に引き下げ、
   その後に、結晶回転を０〜＜１ｒ．ｐ．ｍ．の回転数にまで減少させ、
   引き続き、成長段階で、ほぼ多角形の横断面を有するＳｉ単結晶を鉛直方向下方に引き下げ、
   この場合、多角形の頂点に対応した電流分配のための手段を有するインダクタを、育成したい結晶インゴットの横断面の形状に対応する、成長相境界における形状を有する温度分布を発生させるために使用し、
   次いで、所望の引張長さもしくは育成長さの達成時に結晶インゴットの定常の成長を終了させ、結晶インゴットをスライス切断して、多角形の横断面を有するウェーハを形成する
   ことを特徴とする、多角形の横断面を有する単結晶性のＳｉウェーハを製造する方法。
2. 回転数の減少前にインダクタの出力を一時的に最大１０％減少させる、請求項１記載の方法。
3. 育成したい結晶の単位面積のために必要な直径が達成されると、回転を停止させる、つまり０ｒ．ｐ．ｍ．にまで減少させる、請求項１記載の方法。
4. 育成したい結晶の単位面積のために必要な直径が達成された後に、ネック部に続く円錐状の区分が形成された後ではじめて結晶回転を停止させる、請求項１または３記載の方法。
5. インダクタのスリットに対して相対的な、成長中の結晶インゴットの、結晶対称性がインダクタ対称性に適合されるような方位的な結晶学的な向きで、結晶回転を停止させる、請求項１記載の方法。
6. ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットを製造するために、１つの主スリットと３つの副スリットとを備えたインダクタを使用し、ただしギャップ寸法は所望の横断面に適合されており、インダクタのスリットは該インダクタの停止後に、形成された正方形の横断面の対角線に沿って延びる、請求項１または５記載の方法。
7. ＜１００＞結晶を育成したい場合、４つの成長シームを４つのインダクタスリットと整合するように配置する、請求項６記載の方法。
8. ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットの成長段階で、Ｓｉインゴットを間欠的にその都度正確に９０゜だけ周期的に回転させる、請求項１または６記載の方法。
9. 規定された方位的な位置における、ほぼ正方形の横断面を有する単結晶性のＳｉインゴットの滞留時間を、該Ｓｉインゴットの回転の時間よりも長く設定する、請求項８記載の方法。
10. 丸みを付けられた多角形の横断面を有する、ゾーン育成された単結晶性のＳｉインゴットを製造するために、Ｓｉインゴットを付加的に、１０００Ｈｚよりも下の周波数を有する回転磁界にさらす、請求項１記載の方法。
11. 成長中の結晶を、＜１ｒ．ｐ．ｍ．の回転数で回転させる、請求項１０記載の方法。

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