JP4273793B2 - Single crystal manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶の製造方法、特に、ドーパントとして窒素とボロンを添加するシリコン単結晶の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリコン単結晶等の単結晶を製造する方法として、チョクラルスキー法(CZ法)や浮遊帯法(FZ法)が知られている。
CZ法によりシリコン単結晶を製造するには、ルツボに原料として多結晶シリコンを収容し、これを加熱溶融した原料融液に種結晶を融着させた後、回転しながら徐々に引き上げることで単結晶が育成される。なお、近年では、単結晶の大型化が進み、融液に磁場を印加しながら単結晶を育成する、いわゆるMCZ法が用いられることが多くなっている。
【0003】
育成されたシリコン単結晶は、その後、スライス、面取り、研磨等の加工を経て鏡面ウエーハとされるが、さらに、その上にエピタキシャル層を成長させる場合がある。このようなエピタキシャルウエーハでは、基板となるシリコンウエーハ上に重金属不純物が存在すると、半導体デバイスの特性不良を起こしてしまうため、重金属不純物は極力減少させる必要がある。
【0004】
そのため、重金属不純物を低減させる技術の一つとしてゲッタリング技術の重要性がますます高くなってきており、エピタキシャルウエーハの基板として、ゲッタリング効果の高い、低抵抗率(例えば0.1Ω・cm以下)のP型シリコンウエーハを用いることも多くなっている。
また、BMDの増加やグローンイン(Grown−in)欠陥サイズの制御等を目的として窒素ドープされることも多くなってきている。
そこで、近年では、MCZ法(あるいはCZ法)により、直径が200mm以上、特に300mmにもなる大口径であって、ゲッタリングの問題等から窒素ドープした低抵抗のP型シリコン単結晶を育成することが多くなってきている。
【0005】
例えば、CZ法によりP型シリコン単結晶を育成するには、抵抗率を制御するドーパントとして一般的にボロンが使用されている。ボロンドープ剤としては、具体的には、金属ボロンエレメントを使う場合と、一度シリコンに溶かし込んだ合金を用いる場合がある。
【0006】
一方、窒素をドーピングする方法に関しては、窒化物等の固体を用いる場合と、窒素含有ガスを用いる場合がある。
固体の窒素ドープ剤を用いる方法としては、シリコン融液中に窒化ケイ素粉末の焼結品等の窒化物を混合する方法(特許文献1参照)、窒素をドープしたFZシリコンあるいは窒化ケイ素膜を形成したシリコンウエーハを原料に添加する方法(特許文献2参照)等が提案されている。
また、窒素含有ガスを用いる方法としては、原料となる多結晶シリコンの溶融を窒素雰囲気で行う方法(特許文献2参照)や、窒素含有雰囲気で単結晶を育成する方法(特許文献5参照)等が知られている。
なお、FZ法によりシリコン単結晶を育成する場合については、窒素含有雰囲気下でシリコン単結晶を育成する方法が開示されている(特許文献3及び特許文献4参照)。
【0007】
ところで、CZ法により単結晶を育成すると、育成中に転位が発生(有転位化)する場合がある。このような有転位化が発生した場合には、育成した単結晶を溶融し直し(再溶融)、再び単結晶の育成を行うことになる。しかし、窒素含有雰囲気による窒素ドープを行うと、育成した結晶の表面に窒化膜が成長してしまうため、結晶が乱れたときに再溶融して育成し直すとなると、結晶中の窒素濃度を制御することがほとんど不可能となる。そのため、CZ法では、窒化ケイ素等の固体のドープ剤を用いてドーピングを行うのが一般的である。
【0008】
【特許文献1】
特開昭60−251190号公報
【特許文献2】
特開平5−294780号公報
【特許文献3】
特開昭57−17497号公報
【特許文献4】
特開平8−91993号公報
【特許文献5】
特開2000−53489号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、CZ法により窒素ドープのP型単結晶を育成する場合には、それぞれ固体である窒素ドープ剤とボロンドープ剤を用いることが多く、石英ルツボ内に、多結晶シリコン原料と共にボロンドープ剤と窒素ドープ剤を収容し、一緒に溶融した後に結晶の育成を行っている。
ところが、本発明者らの調査によると、窒素ドープしたP型(ボロンドープ)の単結晶を上記のように育成すると、窒素を添加しない単結晶成長の場合と比較して有転位化する頻度が高く、有転位化した単結晶を溶かして育成をやり直す回数も多くなり、生産性の低下を招くという問題があることがわかった。
【0010】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、高いゲッタリング能力を持つ、窒素ドープのP型(ボロンドープ)単結晶を、高い生産性で、低コストで製造す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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、ルツボに多結晶原料を収容し、これを加熱溶融した原料融液から種結晶を融着後引き上げて単結晶を育成するチョクラルスキー法による単結晶の製造方法であって、前記単結晶にドーパントとして窒素とボロンを添加する場合に、ドープ剤として、それぞれ固体である窒素ドープ剤とボロンドープ剤を用い、いずれか一方のドープ剤を前記多結晶原料と共にルツボに収容して溶融させた後、該原料融液に他方のドープ剤を添加して溶融させ、その後、前記単結晶の育成を行うことを特徴とする単結晶の製造方法が提供される(請求項1)。
【0012】
後述するように、本発明者等の分析により、CZ法により単結晶を製造する際の有転位化の発生原因の一つは、溶融工程において形成される窒化ボロン(BN)であることが判明した。そこで、上記のように窒素ドープ剤とボロンドープ剤とを別々に溶融させれば、固体状態の窒素ドープ剤とボロンドープ剤とが原料融液に共存することがなく、窒素とボロンとの反応が抑制され、窒化ボロンの形成を抑えることができるが分かった。従って、上記のように固体ドープ剤をそれぞれ別々に溶融後、単結晶の育成を行えば、窒化ボロンに起因する有転位化が防止されるので、生産性の向上を図ることができ、高いゲッタリング能力を持つ、窒素ドープしたP型シリコン単結晶を低コストで製造することができる。
【0013】
この場合、前記一方のドープ剤を多結晶原料と共に溶融させた後、原料融液の表面を固化させ、該表面が固化した融液に前記他方のドープ剤を添加し、前記表面が固化した融液と共に溶融させることが好ましい(請求項2)。
後から添加するドープ剤を添加する際、原料融液の表面を固化しておけば、融液がはね上がるのを防止して安全性を高めることができ、また、固化した表面とともにドープ剤を確実に溶融することができ、単結晶の有転位化回数を少なくすることができる。
【0014】
ボロンドープ剤は、育成される単結晶の抵抗率が0.001Ωcm以上、1000Ωcm以下となるボロン濃度となるように添加することが好ましい(請求項3)。
1000Ωcmを超える高抵抗では、ボロンの添加量が少なく、それほど問題とはならないし、また、0.001Ωcm未満ではボロンの固溶限近くとなり、結晶が単結晶化し難い。一方、上記の抵抗率範囲のボロンドープ単結晶育成時にBN起因の有転位化が発生しやすいので、特に本発明が有効である。
【0015】
一方、窒素ドープ剤は、育成される単結晶中の窒素濃度が1×1010/cm3以上、5×1015/cm3以下となるように添加することが好ましい(請求項4)。
原料融液に添加する窒素ドープ剤の量により育成する単結晶中の窒素濃度を調整することができるが、上記範囲の窒素濃度となるように窒素ドープ剤を添加して単結晶を育成すれば、単結晶化に悪影響が無く、BMDやグローンイン欠陥の制御効果を十分発揮し、ゲッタリング能力に一層優れた単結晶を確実に製造することができる。
【0016】
前記単結晶として、シリコン単結晶を育成することが好ましい(請求項5)。シリコン単結晶は需要が高く、本発明を適用して製造すれば、高品質の窒素ドープP型シリコン単結晶をより低コストで製造することができる。
【0017】
また、単結晶の育成に際し、前記原料融液に少なくとも0.03テスラ(300ガウス)以上の磁場を印加して単結晶の育成を行うことが好ましい(請求項6)。
近年、MCZ法により単結晶を製造する場合が多いが、0.03テスラ(300ガウス)以上の磁場強度で磁場を印加すると、融液の対流の抑制効果が大きくなり、温度勾配がつき易くなる。そのため、ルツボ温度が高くなって、窒化ボロンが生成し易くなるが、本発明では窒化ボロンの形成が抑制されるため、MCZ法により単結晶を育成する場合に有転位化を防止して、大口径で、ゲッタリング能力の高い単結晶を高い生産性で製造することができる。
【0018】
前記単結晶として、直径が200mm以上の単結晶を育成することが好ましい(請求項7)。
直径が200mm以上となる大口径単結晶を育成する場合には、ルツボから結晶までの距離が遠くなるためルツボ温度が高くなりやすく、窒化ボロンが生成され易い。従って、本発明を適用することで窒化ボロンの形成が抑制され、大口径の単結晶を高い生産性で製造することができる。
【0019】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明者等は、様々な分析法(IR、X線回折、ラマン分光、蛍光X線等)を用いて種々の有転位化状況の検証を行い、ボロンドープ低抵抗シリコン単結晶が有転位化する原因の一つが、窒素とボロンとが反応して形成される窒化ボロン(BN)であると特定することができた。窒化ボロンは約1500℃程度の温度で発生するが、一度発生すると3000℃の加圧状態でないと溶けない物質であり、有転位化の原因となる物質である。このような窒化ボロンが育成中の単結晶に付着すると、成長単結晶に転位が発生すると考えられる。
【0020】
そこで、本発明者らは、このような窒化ボロンの形成を抑えるため、固体状態の窒素ドープ剤およびボロンドープ剤がシリコン溶融液中に共存することがないように、窒素ドープ剤の溶融を終えた後にボロンドープ剤を追加して溶融する、もしくは逆にボロンドープ剤を溶融し終えてから窒素ドープ剤を投入して溶融するといったように別々に溶融することで窒化ボロンの形成が抑制され、有転位化の発生頻度が減少し、結果的に生産性の向上及び低コスト化を図ることができることを見出し、本発明の完成に至った。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、好適な態様として、本発明においてCZ法により、ドーパントとしてボロンと窒素を添加したシリコン単結晶を製造する場合について説明する。
図1は、CZ法によりシリコン単結晶を製造する際に使用される単結晶製造装置(引き上げ装置)の一例の概略を示したものである。この単結晶製造装置20は、原料融液4を収容するルツボ5や加熱ヒーター7を備えたメインチャンバー1と、原料融液4から引き上げた単結晶棒3を収容し、それを取り出すための引き上げチャンバー2とを有している。
【0022】
ルツボ5は、内側の石英ルツボ5aと外側の黒鉛ルツボ5bとからなり、ペデスタル15上に載置されて、下方に設けられたルツボ制御手段(不図示)により回転軸16を介して回転させながら昇降を行うことができるようになっている。ルツボ5の周囲には加熱ヒーター7が配設され、さらにヒーター7の外側には断熱部材8が設けられている。
【0023】
メインチャンバー1と引き上げチャンバー2との間から融液面の近くに至るガス整流筒11が設けられており、さらに整流筒11の先端部に遮熱部材12が設けられている。また、メインチャンバー1の上方には、育成中の単結晶棒3の直径や様子を測定及び観察するための光学系装置(不図示)が設けられている。
【0024】
引き上げチャンバー2は、育成を終了した単結晶3を取り出すことができるように開放可能に構成されており、上方には、ワイヤー(またはシャフト)13を介して単結晶3を回転させながら引き上げる結晶引き上げ手段(不図示)が設置されている。
【0025】
単結晶3の育成の際には、上方より静かにワイヤー13を下降し、ワイヤー13下端のホルダー6に吊された、円柱または角柱状の種結晶14を融液面に着液(融着)させる。次いで、種結晶14を回転させながら上方に静かに引上げて徐々に直径を細くするネッキングを行った後、引上げ速度と温度等を調整して絞り部分を拡径し、単結晶棒3のコーン部の育成に移行する。コーン部を所定の直径まで拡径した後、再度引上げ速度と融液温度を調整して所望直径の直胴部の育成に移る。
【0026】
なお、単結晶3の成長に伴い原料融液4が減って融液面が下がるので、ルツボ5を上昇させることで融液面のレベルを一定に保ち、育成中の単結晶棒3が所定の直径となるように調整される。
また、操業中は、チャンバー1,2内は、ガス導入口10からアルゴンガスが導入され、ガス流出口9から排出することでアルゴンガス雰囲気で行われる。
【0027】
このような装置20を用い、本発明により窒素ドープされたP型のシリコン単結晶を製造するには、まず、それぞれ固体である窒素ドープ剤とボロンドープ剤を用意し、いずれか一方のドープ剤を多結晶シリコン原料と共にルツボ5に収容してヒーター7により溶融を行う。
例えば、先に窒素ドープ剤を溶融するのであれば、予め窒素ドープされたシリコン、シリコンウエーハの表面に窒化膜を形成したもの、窒化ケイ素粉末の焼結品等、固体状の窒素ドープ剤を、多結晶シリコン原料と一緒に石英ルツボ5a内に入れる。
【0028】
多結晶シリコンと同時に溶融する窒素ドープ剤の量は、育成される単結晶中の窒素濃度に反映されるので、目的とするシリコン単結晶の窒素濃度に応じてドープ剤の量を決めれば良い。ただし、単結晶中の窒素濃度が小さすぎると、BMDやグローンイン欠陥への効果が十分得られないので、十分に不均一核形成を引き起こす1×1010/cm3以上とするのが好ましい。
【0029】
一方、融液中の窒素濃度がシリコンへの固溶限界を超えてしまうと単結晶化し難くなるので、育成される単結晶中の窒素濃度が5×1015/cm3以下となるように窒素ドープ剤を添加することが好ましい。
所定量の窒素ドープ剤を多結晶シリコンと共にルツボ5に収容した後、ヒータにより加熱して多結晶シリコンと窒素ドープ剤とを完全に溶融させる。
【0030】
窒素ドープ剤と多結晶シリコンの溶融を終えたことを確認した後、この融液にボロンドープ剤を添加する。ボロンドープ剤としては、例えば、金属ボロンエレメント、ボロン含有シリコン等を用いることができる。
【0031】
これらのボロンドープ剤は、融液にそのまま添加しても良いが、ボロンドープ剤を添加したときに原料融液がはね上がるおそれがある。そこで、添加前に、ヒータの出力の低下等により、融液表面の温度を下げて表面のみを固化し、そこにボロンドープ剤を添加することが好ましい。このようにして添加を行えば、融液の飛散を防ぐことができる。そして、その後、固化した融液表面と添加ドープ剤を一緒に溶融すれば、BNを発生させることなく確実にドープ剤を溶融することができる。なお、一旦表面を固化する分、溶融時間は長くなるが、ドープ剤添加後の単結晶の有転位化回数は少なくなるので、シリコン単結晶の育成を含めたトータルの操業時間は短くなり、一層効率的となる。
【0032】
添加するボロンドープ剤の量は、育成される単結晶中のボロン濃度、すなわち抵抗率に反映されるため、目的とするシリコン単結晶の抵抗率に応じて決めれば良い。なお、一般的に、抵抗制御のためにボロンをドープして1000Ωcm以下のP型シリコン単結晶を育成する場合、窒化ボロンが生成し易くなるが、本発明では、窒素ドープ剤とボロンドープ剤とを別々に溶融することで窒化ボロンの形成が抑制され、有転位化の発生を抑制することができる。ただし、抵抗率が0.001Ωcmより小さい単結晶を育成するとなると、融液中のボロン濃度が極めて高くなり、ボロンのシリコンへの固溶限界を超え、単結晶化し難くなる。従って、ボロンドープ剤を、育成される単結晶の抵抗率が0.001Ωcm以上、1000Ωcm以下となるボロン濃度となるように添加することが好ましい。
所望量のボロンドープ剤を添加した後、ヒーター出力の上昇等により、ボロンドープ剤を表面が固化した融液と共に溶融させる。
【0033】
なお、ドープ剤を溶融する順序については、上記の順に限定されず、ボロンドープ剤を多結晶シリコンと共に溶融し終えてから窒素ドープ剤を投入して再度溶融するようにしても良い。いずれにせよ、窒素ドープ剤とボロンドープ剤とを完全に分けて溶融することで、窒素とボロンとの反応による窒化ボロンの形成が抑制されることになる。
【0034】
上記のように両方のドープ剤を別々に溶融した後、原料融液に種結晶を融着させ、回転させながらゆっくりと引き上げ、単結晶の育成を行う。
なお、育成する単結晶の大きさは特に限定されないが、直径が200mm以上、特に300mmにもなる大口径のシリコン単結晶を育成する場合には、メインチャンバー1の外側に磁場印加装置を備えた装置を用い、MCZ法により育成が行われることが多い。このとき0.03テスラ(300ガウス)以上の中心磁場強度で磁場を印加すると、融液の対流の抑制効果が大きくなり、ルツボ温度が高くなって窒化ボロンが形成し易いが、本発明ではドープ剤を別々に溶融することで窒化ボロンの形成が抑制されるため、MCZ法により、大口径で、ゲッタリング能力の高い単結晶を高い生産性で育成することができる。
【0035】
このようにチョクラルスキー法により単結晶棒を育成する際に、固体である窒素ドープ剤とボロンドープ剤を、原料融液中で共存しないように別々に溶融して単結晶の育成を行えば、融液中の窒化ボロンの形成が抑制されるので窒化ボロンによる単結晶の有転位化の発生頻度を減少させることができ、生産性の向上を図ることができる。また、従来の製造装置を用いて容易に実施することができるため、新たに製造装置の増設等を必要としない点でも有利である。
【0036】
そして、上記のように製造されたシリコン単結晶は、窒素ドープにより酸素析出が促進されて高いゲッタリング能力を有しており、この単結晶から、スライス、面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の工程を経て得た低抵抗率ウエーハは、ゲッタリング能力に特に優れ、エピタキシャルウエーハ用の基板として有利に使用することができる。
【0037】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。
<実施例1>
図1に概略を示した単結晶製造装置20(ルツボ径:800mm)を用い、チョクラルスキー法(CZ法)により直径12インチ(300mm)の窒素をドープしたP型(ボロンドープ)シリコン単結晶を育成した。ここで結晶中の窒素濃度は2〜8×1013/cm3、抵抗率は1〜10Ωcmの範囲とした。
溶融工程では、ルツボ内に多結晶シリコン原料を320kgチャージし、同時に窒素ドープ用の窒化ケイ素を添加した。これをヒーター加熱により全て溶融した後、ヒータの出力を下げて融液表面のみを固化させ、固化面上に抵抗制御用のボロンを加えて再度溶融を行った。
【0038】
結晶育成工程では、中心磁場強度0.35テスラ(3500ガウス)の水平磁場を印加し、融液から直胴長さが約100cmの結晶を育成した。
なお、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再度育成することとし、製品として使い得る単結晶が得られるまで再溶融・再育成を繰り返すこととした。このような条件の下、全部で6本の結晶を製造した。
【0039】
<比較例>
ルツボ内にシリコン多結晶原料320kgと、窒素ドープ用の窒化ケイ素と、抵抗制御用のボロンとを同時に仕込み、これをヒーター加熱により一度に溶融した。その他の条件は、実施例と同じ条件として単結晶の育成を行った。比較例においても、製品として使い得る単結晶が得られるまで、再溶融・再育成を繰り返すこととし、全部で12本のシリコン単結晶を製造した。
【0040】
<結果>
図2〜4は、実施例及び比較例における溶融時間、有転位化回数、及び生産性に関し、それぞれ比較した結果を示している。
トータルの溶融時間に関しては、実施例ではドープ剤を2回に分けて溶融したため、図2に示されるように一度に全部溶融した比較例に比べて2割程度長くなっている。しかし、有転位化回数については、図3に示されるように実施例では比較例よりも4割少なかった。そのため、図3に示されるように、実施例の方が比較例よりも、最終的には生産性が1割強高かった。
【0041】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
例えば、上記実施形態ではシリコン単結晶を製造する場合について説明したが、ドーパントとして窒素とボロンを添加する他の単結晶をCZ法により製造する場合にも適用することができる。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、チョクラルスキー法によりドーパントとして窒素とボロンを添加した単結晶を育成する際、ドープ剤として、それぞれ固体である窒素ドープ剤とボロンドープ剤を用い、窒素ドープ剤の溶融を終えた後に、ボロンドープ剤を追加して溶融する、もしくはボロンドープ剤を溶融し終えた後に窒素ドープ剤を投入して溶融するといったように、各ドープ剤を別々に溶融することで、窒化ボロンの形成を抑制することができる。従って、窒化ボロンに起因する単結晶の有転位化の発生頻度を大きく減少させることができ、高ゲッタリング能力を持つ、窒素ドープP型シリコン単結晶を高い生産性で製造することができ、結果的に製造コストの低下を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】単結晶製造装置の一例の概略図である。
【図2】実施例及び比較例において原料の溶融にかかった時間を比較したグラフである。
【図3】実施例及び比較例において有転位化が発生した回数を比較したグラフである。
【図4】実施例及び比較例における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…単結晶棒、
4…原料融液、 5…ルツボ、 5a…石英ルツボ、 5b…黒鉛ルツボ、
6…種結晶ホルダー、 7…加熱ヒーター、 8…断熱部材、
9…ガス流出口、 10…ガス導入口、 11…整流筒、 12…遮熱部材、13…ワイヤー、 14…種結晶、 15…ペデスタル、
16…ルツボ回転軸、 20…単結晶製造装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a single crystal, and more particularly to a method for producing a silicon single crystal in which nitrogen and boron are added as dopants.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the Czochralski method (CZ method) and the floating zone method (FZ method) are known as methods for producing a single crystal such as a silicon single crystal.
In order to produce a silicon single crystal by the CZ method, polycrystalline silicon is contained as a raw material in a crucible, and a seed crystal is fused to a raw material melt obtained by heating and melting the single crystal. Crystals are grown. In recent years, the size of single crystals has increased, and so-called MCZ method is often used in which single crystals are grown while applying a magnetic field to the melt.
[0003]
The grown silicon single crystal is then processed into a mirror surface wafer through processes such as slicing, chamfering, and polishing, and an epitaxial layer may be further grown thereon. In such an epitaxial wafer, if heavy metal impurities are present on the silicon wafer serving as a substrate, the semiconductor device will have poor characteristics. Therefore, it is necessary to reduce the heavy metal impurities as much as possible.
[0004]
Therefore, the importance of gettering technology as one of the technologies for reducing heavy metal impurities is increasing, and as a substrate for an epitaxial wafer, it has a high gettering effect and a low resistivity (for example, 0.1Ω · cm or less). ) P-type silicon wafers are often used.
In addition, nitrogen doping is increasingly used for the purpose of increasing the BMD and controlling the grown-in defect size.
Therefore, in recent years, the MCZ method (or CZ method) is used to grow a large-diameter P-type silicon single crystal having a diameter of 200 mm or more, particularly 300 mm, and nitrogen-doped for resistance to gettering. A lot is happening.
[0005]
For example, in order to grow a P-type silicon single crystal by the CZ method, boron is generally used as a dopant for controlling the resistivity. As the boron dopant, specifically, there are a case where a metal boron element is used and an alloy which is once dissolved in silicon.
[0006]
On the other hand, regarding the method of doping nitrogen, there are cases where a solid such as a nitride is used and a nitrogen-containing gas is used.
As a method of using a solid nitrogen dopant, a method of mixing a nitride such as a sintered product of silicon nitride powder in a silicon melt (see Patent Document 1), forming a nitrogen-doped FZ silicon or silicon nitride film There has been proposed a method of adding a silicon wafer to a raw material (see Patent Document 2).
As a method using a nitrogen-containing gas, a method of melting polycrystalline silicon as a raw material in a nitrogen atmosphere (see Patent Document 2), a method of growing a single crystal in a nitrogen-containing atmosphere (see Patent Document 5), and the like It has been known.
In addition, about the case where a silicon single crystal is grown by FZ method, the method of growing a silicon single crystal in nitrogen-containing atmosphere is disclosed (refer patent document 3 and patent document 4).
[0007]
By the way, when a single crystal is grown by the CZ method, dislocation may occur during the growth (dislocation formation). When such dislocations occur, the grown single crystal is melted again (remelted), and the single crystal is grown again. However, when nitrogen doping is performed in a nitrogen-containing atmosphere, a nitride film grows on the surface of the grown crystal. When the crystal is disturbed, it will be remelted and grown again, and the nitrogen concentration in the crystal will be controlled. Almost impossible to do. For this reason, in the CZ method, doping is generally performed using a solid dopant such as silicon nitride.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-60-251190 [Patent Document 2]
JP-A-5-294780 [Patent Document 3]
JP-A-57-17497 [Patent Document 4]
JP-A-8-91993 [Patent Document 5]
JP 2000-53489 A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a nitrogen-doped P-type single crystal is grown by the CZ method, a solid nitrogen dopant and a boron dopant are often used, and a boron dopant together with a polycrystalline silicon raw material is contained in a quartz crucible. And a nitrogen dopant, and after melting together, the crystal is grown.
However, according to the investigation by the present inventors, when a nitrogen-doped P-type (boron-doped) single crystal is grown as described above, the frequency of dislocations is higher than in the case of single crystal growth without adding nitrogen. It has been found that there is a problem that the number of times of re-growing by dissolving the dislocated single crystal is increased, resulting in a decrease in productivity.
[0010]
The present invention has been made in view of such a problem. A nitrogen-doped P-type (boron-doped) single crystal having high gettering ability can be produced at high cost with low productivity. An object is to provide a manufacturing method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a polycrystalline raw material is accommodated in a crucible, and a seed crystal is fused from a raw material melt obtained by heating and melting the single crystal and then pulled up to grow a single crystal. A method for producing a crystal, wherein when nitrogen and boron are added as dopants to the single crystal, a solid nitrogen dopant and boron dopant are used as the dopant, respectively, and either one of the dopants is the polycrystalline Provided is a method for producing a single crystal characterized in that it is housed in a crucible together with a raw material and melted, and then the other dopant is added to the raw material melt and melted, and then the single crystal is grown. (Claim 1).
[0012]
As will be described later, analysis by the present inventors revealed that one of the causes of dislocation formation when producing a single crystal by the CZ method is boron nitride (BN) formed in the melting process. did. Therefore, if the nitrogen dopant and boron dopant are melted separately as described above, the solid state nitrogen dopant and boron dopant do not coexist in the raw material melt, and the reaction between nitrogen and boron is suppressed. It was found that the formation of boron nitride can be suppressed. Therefore, if a single crystal is grown after separately melting the solid dopant as described above, dislocation due to boron nitride is prevented, so that productivity can be improved and high getter can be achieved. A nitrogen-doped P-type silicon single crystal having a ring capability can be manufactured at low cost.
[0013]
In this case, after melting one of the dopants together with the polycrystalline raw material, the surface of the raw material melt is solidified, the other dopant is added to the melt with the solidified surface, and the surface is solidified. It is preferable to melt together with the liquid (claim 2).
When adding the dopant to be added later, if the surface of the raw material melt is solidified, the melt can be prevented from splashing and safety can be improved, and the dopant can be surely secured together with the solidified surface. The number of dislocations of the single crystal can be reduced.
[0014]
The boron dopant is preferably added so that the resistivity of the single crystal to be grown becomes a boron concentration that is 0.001 Ωcm or more and 1000 Ωcm or less (Claim 3).
When the resistance is higher than 1000 Ωcm, the amount of boron added is small, which is not a problem. When the resistance is less than 0.001 Ωcm, the boron is close to the solid solution limit, and the crystal is difficult to be made into a single crystal. On the other hand, the present invention is particularly effective because dislocations due to BN are likely to occur during the growth of boron-doped single crystals in the above resistivity range.
[0015]
On the other hand, the nitrogen dopant is preferably added so that the nitrogen concentration in the single crystal to be grown is 1 × 10 10 / cm 3 or more and 5 × 10 15 / cm 3 or less.
The nitrogen concentration in the single crystal grown can be adjusted by the amount of nitrogen dopant added to the raw material melt, but if the nitrogen crystal is added to grow the single crystal so that the nitrogen concentration is in the above range, Thus, it is possible to reliably produce a single crystal that has no adverse effect on the single crystallization, sufficiently exhibits the control effect of BMD and grow-in defects, and has further excellent gettering ability.
[0016]
It is preferable to grow a silicon single crystal as the single crystal. Silicon single crystals are in high demand, and high-quality nitrogen-doped P-type silicon single crystals can be produced at a lower cost if manufactured by applying the present invention.
[0017]
In growing a single crystal, it is preferable to grow a single crystal by applying a magnetic field of at least 0.03 Tesla ( 300 gauss ) or more to the raw material melt.
In recent years, a single crystal is often produced by the MCZ method. However, when a magnetic field is applied with a magnetic field strength of 0.03 Tesla ( 300 gauss ) or more, the effect of suppressing convection of the melt is increased and a temperature gradient is likely to occur. . Therefore, the crucible temperature becomes high and boron nitride is easily generated. However, in the present invention, since formation of boron nitride is suppressed, dislocation formation is prevented when growing a single crystal by the MCZ method. A single crystal having a large diameter and high gettering ability can be produced with high productivity.
[0018]
It is preferable to grow a single crystal having a diameter of 200 mm or more as the single crystal.
When growing a large-diameter single crystal having a diameter of 200 mm or more, since the distance from the crucible to the crystal is increased, the temperature of the crucible tends to be high, and boron nitride is easily generated. Therefore, by applying the present invention, formation of boron nitride is suppressed, and a large-diameter single crystal can be manufactured with high productivity.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The present inventors verify various dislocations using various analytical methods (IR, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, fluorescent X-rays, etc.), and the boron-doped low-resistance silicon single crystal undergoes dislocations. One of the causes could be identified as boron nitride (BN) formed by the reaction of nitrogen and boron. Boron nitride is generated at a temperature of about 1500 ° C., but once generated, it is a substance that does not melt unless it is pressurized at 3000 ° C., and causes dislocations. When such boron nitride adheres to the growing single crystal, it is considered that dislocation occurs in the growing single crystal.
[0020]
Therefore, in order to suppress the formation of such boron nitride, the present inventors have finished melting the nitrogen dopant so that the solid state nitrogen dopant and boron dopant do not coexist in the silicon melt. Boron nitride formation is suppressed by melting separately by adding boron dopant later, or by melting separately by adding nitrogen dopant after melting the boron dopant. As a result, it has been found that productivity can be improved and costs can be reduced, and the present invention has been completed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, as a preferred embodiment, a case where a silicon single crystal to which boron and nitrogen are added as dopants is manufactured by the CZ method in the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an outline of an example of a single crystal manufacturing apparatus (pulling apparatus) used when manufacturing a silicon single crystal by the CZ method. This single
[0022]
The
[0023]
A gas flow straightening cylinder 11 is provided between the
[0024]
The pulling
[0025]
When growing the single crystal 3, the
[0026]
As the single crystal 3 grows, the raw material melt 4 is reduced and the melt surface is lowered. Therefore, the level of the melt surface is kept constant by raising the
Further, during operation, argon gas is introduced into the
[0027]
In order to manufacture a nitrogen-doped P-type silicon single crystal according to the present invention using such an
For example, if the nitrogen dopant is to be melted first, solid nitrogen dopant such as silicon previously doped with nitrogen, silicon nitride formed on the surface of silicon wafer, sintered product of silicon nitride powder, etc. It puts in the
[0028]
The amount of the nitrogen dopant that melts simultaneously with the polycrystalline silicon is reflected in the nitrogen concentration in the single crystal to be grown. Therefore, the amount of the dopant may be determined according to the nitrogen concentration of the target silicon single crystal. However, if the nitrogen concentration in the single crystal is too small, a sufficient effect on BMD and grow-in defects cannot be obtained. Therefore, it is preferably set to 1 × 10 10 / cm 3 or more that sufficiently causes heterogeneous nucleation.
[0029]
On the other hand, if the nitrogen concentration in the melt exceeds the solid solution limit in silicon, it becomes difficult to form a single crystal, so that the nitrogen concentration in the grown single crystal is 5 × 10 15 / cm 3 or less. It is preferable to add a dopant.
After a predetermined amount of nitrogen dopant is accommodated in the
[0030]
After confirming that the nitrogen dopant and polycrystalline silicon have been melted, a boron dopant is added to the melt. As the boron dopant, for example, a metal boron element, boron-containing silicon, or the like can be used.
[0031]
These boron dopants may be added to the melt as they are, but when the boron dopant is added, the raw material melt may be splashed. Therefore, before the addition, it is preferable to lower the temperature of the melt surface by solidifying the surface by lowering the output of the heater or the like, and to add the boron dopant there. If the addition is performed in this manner, the melt can be prevented from scattering. Then, if the solidified melt surface and the additive dopant are melted together, the dopant can be reliably melted without generating BN. In addition, although the melting time becomes longer due to the solidification of the surface once, since the number of dislocations of the single crystal after the addition of the dopant is reduced, the total operation time including the growth of the silicon single crystal is shortened. Become efficient.
[0032]
The amount of the boron dopant to be added is reflected in the boron concentration in the grown single crystal, that is, the resistivity, and therefore may be determined according to the resistivity of the target silicon single crystal. In general, when growing a P-type silicon single crystal of 1000 Ωcm or less by doping boron for resistance control, boron nitride is likely to be formed. However, in the present invention, a nitrogen dopant and a boron dopant are used. By separately melting, formation of boron nitride can be suppressed, and occurrence of dislocation can be suppressed. However, when a single crystal having a resistivity smaller than 0.001 Ωcm is grown, the boron concentration in the melt becomes extremely high, exceeding the solid solution limit of boron in silicon, and difficult to be crystallized. Therefore, it is preferable to add a boron dopant so that the resistivity of the grown single crystal becomes a boron concentration of 0.001 Ωcm or more and 1000 Ωcm or less.
After the desired amount of boron dopant is added, the boron dopant is melted together with the melt whose surface is solidified, for example, by increasing the heater output.
[0033]
Note that the order of melting the dopant is not limited to the above order, and the boron dopant may be melted again after the boron dopant is completely melted together with the polycrystalline silicon. In any case, the formation of boron nitride due to the reaction between nitrogen and boron is suppressed by completely dividing and melting the nitrogen dopant and the boron dopant.
[0034]
After both the dopants are melted separately as described above, a seed crystal is fused to the raw material melt and slowly pulled up while rotating to grow a single crystal.
The size of the single crystal to be grown is not particularly limited, but when growing a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 200 mm or more, particularly 300 mm, a magnetic field application device is provided outside the
[0035]
In this way, when growing a single crystal rod by the Czochralski method, if the solid nitrogen dopant and boron dopant are separately melted so as not to coexist in the raw material melt, Since the formation of boron nitride in the melt is suppressed, the frequency of occurrence of dislocations in the single crystal by boron nitride can be reduced, and productivity can be improved. Moreover, since it can implement easily using the conventional manufacturing apparatus, it is advantageous also in the point which does not require the addition of a manufacturing apparatus newly.
[0036]
And the silicon single crystal manufactured as described above has a high gettering ability by promoting oxygen precipitation by nitrogen doping. From this single crystal, processes such as slicing, chamfering, lapping, etching, polishing, etc. The low resistivity wafer obtained through the above process is particularly excellent in gettering ability and can be advantageously used as a substrate for an epitaxial wafer.
[0037]
【Example】
Examples of the present invention and comparative examples will be described below.
<Example 1>
Using a single crystal manufacturing apparatus 20 (crucible diameter: 800 mm) schematically shown in FIG. 1, a P-type (boron doped) silicon single crystal doped with nitrogen having a diameter of 12 inches (300 mm) by the Czochralski method (CZ method) I grew up. Here, the nitrogen concentration in the crystal was in the range of 2 to 8 × 10 13 / cm 3 and the resistivity was in the range of 1 to 10 Ωcm.
In the melting step, 320 kg of polycrystalline silicon raw material was charged in the crucible, and at the same time, silicon nitride for nitrogen doping was added. After all of this was melted by heating with a heater, the output of the heater was lowered to solidify only the melt surface, and resistance control boron was added on the solidified surface and melted again.
[0038]
In the crystal growth step, a horizontal magnetic field having a central magnetic field strength of 0.35 Tesla ( 3500 gauss) was applied, and a crystal having a straight body length of about 100 cm was grown from the melt.
When the crystal has undergone dislocations on the way, the crystal is again melted and grown again, and remelting and regrowth are repeated until a single crystal that can be used as a product is obtained. Under such conditions, a total of 6 crystals were produced.
[0039]
<Comparative example>
In the crucible, 320 kg of silicon polycrystalline raw material, silicon nitride for nitrogen doping, and boron for resistance control were charged at the same time, and were melted at one time by heating with a heater. The other conditions were the same as in the example, and the single crystal was grown. Also in the comparative example, remelting and regrowth were repeated until a single crystal that could be used as a product was obtained, and a total of 12 silicon single crystals were manufactured.
[0040]
<Result>
2 to 4 show the results of comparison with respect to melting time, number of dislocations, and productivity in Examples and Comparative Examples.
The total melting time is about 20% longer than that of the comparative example in which all of the dope was melted at one time as shown in FIG. However, the number of dislocations was 40% less in the example than in the comparative example as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 3, the productivity of the example was slightly more than 10% higher than the comparative example.
[0041]
The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is merely an example, and the present invention has the same configuration as that of the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
For example, although the case where a silicon single crystal is manufactured has been described in the above embodiment, the present invention can also be applied to a case where another single crystal to which nitrogen and boron are added as dopants is manufactured by the CZ method.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, when growing a single crystal to which nitrogen and boron are added as dopants by the Czochralski method, a solid nitrogen dopant and a boron dopant are used as dopants, respectively. Boron nitride by melting each dopant separately, such as adding boron dopant after melting and melting or adding nitrogen dopant after melting boron dopant. The formation of can be suppressed. Therefore, the frequency of occurrence of dislocations in the single crystal due to boron nitride can be greatly reduced, and a nitrogen-doped P-type silicon single crystal having high gettering capability can be produced with high productivity. In particular, a reduction in manufacturing cost can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an example of a single crystal production apparatus.
FIG. 2 is a graph comparing time taken for melting raw materials in Examples and Comparative Examples.
FIG. 3 is a graph comparing the number of occurrences of dislocations in Examples and Comparative Examples.
FIG. 4 is a graph comparing productivity in examples and comparative examples.
[Explanation of symbols]
1 ... Main chamber, 2 ... Pulling chamber, 3 ... Single crystal rod,
4 ... Raw material melt, 5 ... Crucible, 5a ... Quartz crucible, 5b ... Graphite crucible,
6 ... Seed crystal holder, 7 ... Heater, 8 ... Heat insulation member,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Gas outflow port, 10 ... Gas introduction port, 11 ... Rectification cylinder, 12 ... Heat insulation member, 13 ... Wire, 14 ... Seed crystal, 15 ... Pedestal,
16 ... crucible rotating shaft, 20 ... single crystal manufacturing apparatus.
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