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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-08-23
(54)【発明の名称】シリコンの単結晶の製造プロセス
(51)【国際特許分類】
   C30B 29/06 20060101AFI20240816BHJP
   C30B 13/28 20060101ALI20240816BHJP
   H01L 21/304 20060101ALI20240816BHJP
【FI】
C30B29/06 501A
C30B13/28
H01L21/304 611
H01L21/304 611B
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024514702
(86)(22)【出願日】2022-07-29
(85)【翻訳文提出日】2024-04-18
(86)【国際出願番号】 EP2022071394
(87)【国際公開番号】W WO2023036514
(87)【国際公開日】2023-03-16
(31)【優先権主張番号】21195228.8
(32)【優先日】2021-09-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】599119503
【氏名又は名称】ジルトロニック アクチエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】Siltronic AG
【住所又は居所原語表記】Einsteinstrasse 172,81677 Muenchen, Germany
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ハックル,バルター
(72)【発明者】
【氏名】ラトニークス,グンダース
(72)【発明者】
【氏名】ザットラー,アンドレアス
(72)【発明者】
【氏名】スロボブス,マクシムス
(72)【発明者】
【氏名】バーブリス,ヤニス
【テーマコード(参考)】
4G077
5F057
【Fターム(参考)】
4G077AA02
4G077AB01
4G077BA04
4G077CE03
4G077FG12
4G077FG13
4G077GA01
4G077HA12
4G077NF01
4G077NF09
4G077NG03
5F057BB03
5F057CA02
(57)【要約】
シリコンの単結晶を製造するためのプロセスは、230mm以上270mm以下の直径を有するシリコンの供給ロッドをフロートゾーン装置内に設置することと、底縁部と、供給ロッドの直径よりも30mm以上50mm以下大きい内径とを有する第1の中空円筒を設置することと、上縁部と、単結晶の目標直径よりも20mm以上60mm以下大きい内径を有する第2の中空円筒を設置することと、290mm以上310mm以下の目標直径を有する単結晶の円筒部分を引き上げることと、を含み、溶融面の供給ロッドは外側溶融縁部を形成し、成長側の単結晶インゴットが結晶化縁部を形成し、引き上げ速度は1.3mm/分以上1.5mm/分以下、好ましくは1.35mm/分以上1.45mm/分以下であり、外側溶融縁部からの第1の中空円筒の底縁部の垂直距離は2mm未満であり、第2の円筒の上縁部は結晶化縁部よりも1mm以上10mm以下突出する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコンの単結晶を製造するためのプロセスであって、前記プロセスが、
230mm以上270mm以下の直径を有するシリコンの供給ロッドをフロートゾーン装置内に設置することと、
底縁部と、前記供給ロッドの直径よりも30mm以上50mm以下大きい内径とを有する第1の中空円筒を設置することと、
上縁部と、前記単結晶の目標直径よりも20mm以上60mm以下大きい内径を有する第2の中空円筒を設置することと、
290mm以上310mm以下の前記目標直径を有する前記単結晶の円筒部分を引き上げることと、
溶融面の前記供給ロッドが外側溶融縁部を形成し、成長側の前記単結晶インゴットが結晶化縁部を形成し、
前記引き上げ速度が1.3mm/分以上1.5mm/分以下、好ましくは1.35mm/分以上1.45mm/分以下であり、
前記外側溶融縁部からの前記第1の中空円筒の前記底縁部の垂直距離が2mm未満であり、
前記第2の円筒の前記上縁部が、前記結晶化縁部よりも1mm以上10mm以下突出し、
前記単結晶の長さを除去して、15cm以上50cm以下の長さを有するインゴット片を形成することと
を含む、プロセス。
【請求項2】
前記溶融縁部と前記結晶化縁部との間の前記垂直距離が、35mm以上40mm以下である、請求項1に記載のプロセス。
【請求項3】
前記供給ロッドが、CZ法によって製造されている、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
【請求項4】
前記プロセスが、
前記単結晶を円形に研削することと、
前記インゴット片をウエハにソーイングすることと、
前記ウエハを研削および研磨することとをさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載のプロセス。
【請求項5】
直径を有し、
軸方向長さが15cm以上50cm以下である、
ドーパントを含有するシリコンのインゴット片であって、
前記直径が、290mm以上330mm以下であり、前記単結晶が、前記ドーパントによって左右される成長ストリップの半径方向範囲を含み、前記成長ストリップの最大偏差が、55mm以上45mm以下である、インゴット片。
【請求項6】
水平線と、80mmの半径方向位置において14°以上16°以下である前記成長ストリップに印加される接線との間に入射角βが存在する、請求項5に記載のインゴット片。
【請求項7】
前記単結晶が、5×1015at/cm(ASTM規格F121-83)以下の格子間酸素含有量を有する、請求項5に記載のインゴット片。
【請求項8】
前記単結晶が、1×1015at/cm以上7.5×1015at/cm以下の格子間窒素含有量を有する、請求項5に記載のインゴット片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の主題は、フロートゾーンプラントでシリコンの単結晶インゴットを製造するためのプロセス、およびそれから製作されたインゴット片である。
【背景技術】
【0002】
単結晶のフロートゾーン引き上げは、従来技術(J.Bohm,et al「Handbook of Crystal Growth」ed.:D.T.J.Hurle,vol.2,Part A,213-257,1994)に従って既知であり、単結晶材料の製造のために工業規模で使用される。このプロセスでは、高周波電流の流れを含む誘導コイルを使用してゾーン内の出発材料を溶融し、次にこの材料は、材料が垂直方向に引き上げられると単結晶の形態で凝固し、得られた単結晶は通常回転している。プロセスの特定の実施形態に応じて、単結晶は上方または下方に引っ張られ得る。誘導コイルの電磁場は、二重渦構造を有する溶融ゾーン内に流れを生成する。この流れは、ゾーンの中央で連続的に内側に向けられるが、溶融ゾーンの2つの端部の近傍では、流れは常に径方向外側に向けられる。溶融ゾーン内の結果として生じる流れは、電磁力によってだけでなく、浮力およびマランゴニ力によって、ならびにインゴットまたは結晶の回転によっても生成される。凝固相境界の幾何学的形状は、インゴット内に広がる温度分布に従って確立され、この分布は流れ条件によって影響を受ける。
【0003】
フロートゾーン引き上げ中の流れ制御、ならびに結晶品質および動作安定性の関連する改善は、誘導コイルの幾何学的形状、誘導コイル電流、インゴットまたは結晶の回転、および引き上げ速度の動作パラメータを最適化することを提案する研究の対象であった(A.Muhlbauer,et al.:Journal of Crystal Growth,vol.151,66-79,1995;S.Otani,et al.:Journal of Crystal Growth,vol.66,419-425,1984;S.Y.Zhang,et al.:Journal of Crystal Growth,vol.243,410-418,2002)。したがって、結晶の回転を変化させることによって、誘導コイルを結晶軸に対して変位させることによって、または誘導コイルの最適化された形状によって、ドーパント分布を均質化する試みがなされてきた。
【0004】
工業規模では、フロートゾーン引き上げは、特にシリコンの単結晶の製造に使用される。この場合の単結晶は、多結晶供給ロッドから得られ、単結晶シリコン供給ロッドの使用は別の可能な選択肢である。
【0005】
このプロセスのために、供給ロッドは、高周波コイル(インダクタ)を用いて一端で初期溶融を受け、得られた溶融液滴に単結晶種結晶が付着する。供給ロッドから徐々に溶融した材料は、続いて種結晶上に成長する単結晶の継続的な供給源として機能する。結晶格子から転位を迂回させるために、首部と呼ばれる長さの部分が最初に結晶化される。続いて、成長する単結晶の直径は、初期コーン(シードコーン)と呼ばれる長さの部分で目標直径に拡張される。その後、単結晶が目標直径を有する長さの部分が製造される。プロセスの終わりに、エンドコーンと呼ばれる長さの部分も製造される。このプロセスは、任意選択的に、エンドコーンなしで終了してもよいが、その場合、目標直径を有する長さの部分の端部部分は、転位を示すため、意図されたさらなる処理には使用できない。
【0006】
ここで、供給ロッドは、回転方向が急激に変化してもスリップを受けないように、回転可能なシャフト(引き上げシャフト)上に一端が取り付けられている。さらに、供給ロッドの他端の中央が、結晶引き上げ中のあらゆる時点で、引き上げシャフトの回転軸上に位置することが要件である。他端の中央が引き上げシャフトの回転軸から離れるように移動する場合、それは引き上げコイルによる溶融のかなりの影響をもたらし、引き上げプロセス全体に悪影響を及ぼす可能性がある。
【0007】
現在市販されている単結晶シリコンインゴットは、フロートゾーン法によって製造された公称最大200mmの直径を有するもののみである。
【0008】
最大引き上げ速度と併せて200mmより大きい目標直径を達成することは、より大きなリターン(特に、プロセスから製造された半導体ウエハ上の部品の製造を含む)を約束するので、業界でこれまで長い間満たされていない要望であった。
【0009】
従来技術
独国特許出願公開第101 37 856号明細書は、少なくとも200mmの長さにわたって少なくとも200mmの直径を有し、この長さの領域では無転位であり、供給ロッドと単結晶との間にフロートゾーン引き上げ中に溶融ネックが形成される、単シリコン結晶を製造するためのるつぼのないフロートゾーン引き上げのプロセスを開示している。
【0010】
それにもかかわらず、結晶の経済的に合理的な引き上げには引き上げ速度が低すぎることが明らかになる。
【0011】
欧州特許第2142686号明細書は、溶融ゾーンを生成するために加熱領域を通して多結晶ロッドを案内し、溶融ゾーンに磁場を印加し、単結晶シード上の溶融材料の凝固中に単結晶の成長を誘導することによって単結晶を製造するプロセスを開示している。成長する単結晶は、時計回りと反時計回りとに交互に回転して配置される。このプロセスは、均一な電気的特性を有する単シリコン結晶の製造に有用である。プロセスを実施するための装置も同様に開示されている。特許請求の範囲は200mmより大きい結晶を請求しているが、具体的には直径300mmのプロセスは提供されていない。
【0012】
米国特許第2016 053 401号明細書は、ゾーン溶融炉のための補助加熱装置および単結晶ロッドのための熱保存方法を開示している。補助加熱装置は、ゾーン溶融炉内の高周波加熱コイルの下方に配設された補助ヒータを備え、このヒータは、中空金属円形パイプの巻回によって形成されている。補助加熱装置の巻き始め端部は上部に位置付けられ、補助加熱装置の巻き終わり端部は下部に位置付けられ、上端部と下端部はそれぞれ両端から導出される。補助加熱装置の内側には、中空円筒状の加熱負荷が配設されており、加熱負荷と補助加熱装置との間には、絶縁部が配設されている。この発明は、6.5インチを超えるゾーン溶融シリコン単結晶の成長プロセスにおける熱場の不均化分布および過剰な熱応力によって引き起こされる単結晶ロッド上の亀裂の問題を解決することができる。
【0013】
独国特許出願公開第3 805 118号明細書は、るつぼのない引き上げプロセスに使用するのに適した誘導加熱コイルを開示している。コイルの任意選択の適合を可能にする方法も同様に示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
発明の目的は、チョクラルスキー引き上げ法によって単結晶インゴットを製造することを可能にするプロセスであって、ドーパントの軸方向変動が最小限であるプロセスを提供することである。
【0015】
同様に、対応する結晶片を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【0016】
この目的は、特許請求の範囲に記載のプロセスおよび製品によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【0017】
図1】本発明のプロセスに必要な結晶引き上げ中のフロートゾーンプラントの軸方向断面図を示す。
図2】結晶の半径および結晶の成長方向の長さDの関数として決定された成長ストリップ(201)の輪郭を示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明による例示的な実施形態の詳細な説明
本発明の主題は、フロートゾーン法によってシリコンの単結晶を製造するためのプロセスである。
【0019】
本発明者らは、高い成長速度と併せて最大径の目的を達成するためには、直径230mm以上270mm以下の引き上げプラントに供給ロッドを設置する必要があることを認識した。
【0020】
さらに、結晶が引き上げられているときに供給ロッドを取り囲む、事前に設置された第1の中空円筒が存在することが明らかに必要である。ここで、第1の中空円筒の内径は、供給ロッドの直径よりも30mm以上50mm以下大きくなければならない。実質的にここでは、第1の中空円筒の長手方向軸線および供給ロッドの長手方向軸線は、互いに上下に位置する。3mm未満のより小さい半径方向ずれは避けられないことがあるが、設置中にこれらのずれを最小限に抑えることが有利である。
【0021】
さらに、結晶引き上げの前に、後に引き上げられる単結晶インゴットを取り囲むように第2の中空円筒を設置する必要がある。この第2の中空円筒の内径は、単結晶インゴットの目標直径よりも20mm以上60mm以下大きくなければならない。例えば、300mmの目標直径を有する結晶が引き上げられている場合、内径は320mm~360mmであることが好ましい。
【0022】
単結晶の円筒部分は、好ましくは、290mm以上310mm以下の直径および15cmを下回らない長さを有する。インゴットの円筒部分の最大長さは、結晶引き上げプラントの寸法に実質的に依存する。
【0023】
動作上の理由から、単結晶の直径はわずかな変動を受け、これは最小限に抑えることはできるが、完全に排除することはできない。したがって、目標直径の概念は、単結晶の平均直径を指すと理解される。
【0024】
図1に示すように、供給ロッドは溶融面に外側溶融縁部を形成し、単結晶インゴットは成長側に結晶化縁部を形成する。図1に示されている装置は、直径Dpを有する供給ロッド(102)、内径dcを有する第1の中空円筒(105)、内径dcを有する第2の中空円筒(109)、単結晶インゴット(101)、溶融物(106)、およびコイル(104)を含む。
【0025】
パラメータhは、ここでは、結晶化縁部(103)からの第2の中空円筒(109)の上縁部の垂直距離を定義する。パラメータhは、ここでは、供給ロッドの外側溶融縁部(110)からの第1の中空円筒(105)の底縁部の垂直距離を定義する。外側溶融縁部(110)と結晶化縁部(103)との間の垂直距離は、hakによって示されている。結晶引き上げ中、供給ロッド(102)は溶融面(107)で溶融する。供給ロッド、溶融物、およびガス空間が一致する図中の点は、内部三重点(108)と呼ばれる。
【0026】
本発明者らは、結晶引き上げ中、供給ロッドの外側溶融縁部からの第1の中空円筒の底縁部の垂直距離が、好ましくは2mm未満であることを認識した。ここで、第1の中空円筒の底縁部は、供給ロッドの外側溶融縁部の上方に位置する。したがって、第1の中空円筒は、溶融縁部に対して上方に位置ずれしている。
【0027】
第1の中空円筒の長さは、より好ましくは少なくとも10cmであり、50cm未満である。第1の中空円筒が作られる材料は、好ましくは銀からなり、非常に好ましくは、第1の中空円筒の内面のコーティングとして、高い放射率を有する材料が求められる。
【0028】
物体の放射率は、理想的な放射熱放射体である黒体と比較して、どれだけの放射を放射するかを示す。
【0029】
ここで、金、銀、銀合金、炭素または銅などは、コーティングを実施するための良好な候補であり、金、銀、または銀合金の使用が好ましく、これらの場合、溶融物または単結晶の汚染のリスクはない。
【0030】
より好ましくは、第1の中空円筒は、2つの中空円筒から構成されてもよく、その場合、下部中空円筒は、好ましくは能動加熱を備えてもよい。能動加熱は、好ましくは、米国特許第2016 053 401号明細書に記載されているものと同様の装置の形態を取り得る。
【0031】
本発明者らは、第2の円筒の上縁部が結晶化縁部上に突出することを確実にすることに特に注目した。ここで、結晶化縁部と第2の中空円筒の上縁部との間の垂直距離は、1mm以上10mm以下であることが特に好ましい。
【0032】
第1の中空円筒に関して、第2の中空円筒が作られる材料は、中空円筒の内側で放射率が可能な限り高くなるように選択されるべきである。好ましくは、さらに、第2の中空円筒は、異なる材料から作られた2つの中空円筒から構成される。
【0033】
第2の中空円筒の下部は、コイルからの距離がより大きい部分であり、好ましくは銀で作られる。非常に好ましくは、放射率を最大にするために、銀もしくは金またはそれらの合金を内側に有するコーティングなどの表面処理を含む。
【0034】
第2の中空円筒の上部、すなわち、コイルに面する中空円筒は、好ましくは、まず内側に高い放射率を有し、同時に高温(すなわち、1000℃超)に対して堅牢である材料で作られる。この部品の推奨候補には、セラミック材料、あるいは白金または白金被覆セラミックが含まれる。
【0035】
第2の中空円筒はまた、好ましくは、画像処理システムが単結晶の結晶化縁部を自由に見ることを可能にする通路および穴を有する。これらの通路および穴は、引き上げ動作に悪影響を及ぼす可能性があるので、より具体的には、可能な限り小さく、必要なだけ大きくする必要がある。
【0036】
引き上げ速度は、1.3mm/分以上1.5mm/分以下であることが好ましく、1.35mm/分以上1.45mm/分以下であることが好ましい。引き上げ速度は、単結晶インゴットが軸方向に成長する速度であると理解される。所与の引き上げ速度に対して、供給ロッドが供給されなければならない速度は、対応する質量バランスによって容易に計算することができる。
【0037】
第2の中空円筒の長さは、10cm超40cm以下であることが好ましい。
2つの中空円筒の肉厚は、10mm以下3mm以上であることが好ましい。
【0038】
フロートゾーン法の従来技術では通例であるように、ガス空間は窒素を含み、それは引き上げられる結晶に入る。
【0039】
今説明したプロセスによって引き上げられた結晶は、チョクラルスキー引き上げ法からの従来の結晶のようにさらに処理してもよい。
【0040】
さらなる処理は、好ましくは、単結晶の円形研削、インゴット片を形成するためのインゴットの長さの除去、インゴット片のウエハへのソーイング、および単結晶のウエハの研削および研磨を含む。
【0041】
今説明したプロセスに従って製造されたインゴットから製造された半導体ウエハは、非常に低い欠陥数を有するパワー部品の製造に使用するのに非常に適している。これに対する信頼性は、このプロセスでは、結晶格子中に酸素析出物を形成するための格子間酸素が実質的に存在しないという事実にある。公称直径300mmおよび高い引き上げ速度は、この作業を非常に経済的にし、したがってこれまで達成できなかった。
【0042】
本発明のプロセスを適用した後、290mm以上330mm以下の公称直径を有する単結晶インゴットが得られる。このインゴットは、好ましくは、15cm以上50cm以下の長さを有するインゴット片に切断される。
【0043】
例えば、このようにして得られた直径300mm、長さ20cmのインゴット片をその長さ(すなわち、軸方向)に応じて切断すると、幅300mm、長さ20cmの所謂プランクを得ることができる。
【0044】
測定は、結晶および結晶を製造するために使用される引き上げ法の両方を特徴付けるプランクで行うことができる。
【0045】
フロートゾーン法中に溶融物に通常ガス形態で添加されるドーパントは、結晶中に不規則に取り込まれる。このドーパントは、ホウ素またはリンを含むことが好ましい。これは、「ストライエーション」と呼ばれるシリコンの局所的に不均一な抵抗分布をもたらす。
【0046】
構成要素の動作中に悪影響を受けないように、ストライエーションを回避するために多大な努力がなされているが、それにもかかわらず、ストライエーションは、引き上げられたインゴットがフロートゾーン法においてドープされるとすぐに常に測定可能である。
【0047】
ドーパントが溶融/結晶界面に沿って溶融物から結晶中に取り込まれるので、結晶と溶融物との間の界面の元の形態は、測定された抵抗分布を分析することによって成長ストリップの形態で確認することができる。例示的に、この測定および評価プロセスに特化した2つの参考文献が参照され得る。
【0048】
「Investigation of defects and striations in as-grown Si crystals by SEM using Schottky diodes」Appl.Phys.Lett.27,313(1975);https://doi.org/10.1063/1.88482,A.J.R.de Kock,S.D.Ferris,L.C.Kimerling,and H.J.Leamy
および
Ludge,A.,Riemann,H「Doping inhomogeneities in silicon crystals detected by the lateral photovoltage scanning(LPS)Method」Inst.Phys.Conf.Ser.160,145-148(1997)。
【0049】
後者の文献(Ludgeら)は、ドーピングによってもたらされる抵抗が高く、したがってドーパント濃度が低い場合に、結晶と溶融物との間の界面、言い換えれば成長ストリップを再構築するのにも適している「横方向光電圧走査」(LPS:lateral photovoltage scanning)の方法を説明している。
【0050】
「横方向光電圧走査」(LPS:lateral photovoltage scanning)の方法が上述のプランクに適用される場合、溶融物と結晶との間の界面の偏差を正確に再現する成長ストリップの輪郭を確認することが可能である。
【0051】
本発明のプロセスによって引き上げられた結晶(201)の成長ストリップの輪郭が図2に示されている。図2における値dは、成長ストリップの最大偏差を示す。本発明のプロセスの特徴的なパラメータは、水平線と成長ストリップに適用される接線との間の85mmの半径方向位置で決定される入射角βである。
【0052】
結晶片の性質を記述する2つの特性変数を導出することが可能である。
(1)成長ストリップの最大偏差d、および
(2)85mmの半径方向位置で決定される、水平線と成長ストリップに適用される接線との間の入射角β。
【0053】
ドーパントを含有し、直径を有し、軸方向長さが15cm以上50cm以下である、シリコンのインゴット片が好ましく、直径は290mm以上330mm以下であり、インゴット片はドーパントから生じる成長ストリップの半径方向範囲を含み、成長ストリップの最大偏差は55mm以上45mm以下である。
【0054】
さらに、入射角βが14°以上16°以下である場合が特に好ましく、入射角βは、水平線と成長ストリップに適用される接線との間の80mmの半径方向位置に位置する。
【0055】
インゴット片は、5×1015at/cm(ASTM規格F121-83)以下の格子間酸素含有量および1×1015at/cm以上7.5×1015at/cm以下の格子間窒素含有量を有することが特に好ましい。
【符号の説明】
【0056】
101 直径Dcを有する単結晶インゴット
102 直径Dpを有するシリコン供給ロッド
103 単結晶の結晶化縁部
104 コイル
105 内径dcを有する第1の中空円筒
106 溶融物
107 供給ロッドの溶融面
108 内部三重点
109 内径dcを有する第2の中空円筒
110 供給ロッドの外側溶融縁部
h 外側溶融縁部からの第1の中空円筒の底縁部の垂直距離
h 結晶化縁部からの第2の円筒の垂直距離
hak 溶融縁部と結晶化縁部との間の垂直距離
201 結晶の半径および結晶の成長方向の長さDの関数として決定された成長ストリップの輪郭
202 結晶の円筒面
β 水平線と成長ストリップに適用される接線との間の85mmの半径方向位置で決定される入射角
d 成長ストリップの最大偏差
図1
図2
【国際調査報告】