JP2007210865A

JP2007210865A - シリコン単結晶引上装置

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Publication number: JP2007210865A
Application number: JP2006035080A
Authority: JP
Inventors: Jun Furukawa; 純古川
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができるシリコン単結晶を育成可能なシリコン単結晶引上装置を提供する。
【解決手段】磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して中心Ｏの磁場強度Ｂｙを最も高くし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させる。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏに合わせてルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を形成するシリコン単結晶引上方法に関するものである。

シリコン単結晶は、坩堝に収容された多結晶シリコン原料をヒータで加熱してシリコン融液とし、ＣＺ（Czochralski）法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させることにより製造される。シリコンウェーハは、上記の方法で製造されたシリコン単結晶をスライス（切断）することにより製造され、このシリコンウェーハ上に集積回路等のデバイスが形成される。

こうしたシリコン単結晶は、１枚のシリコンウェーハ上により多くの回路を形成するために、ますます大直径化する傾向にある。一方で、シリコン単結晶の大直径化に伴う単結晶成長技術の課題として、単結晶の低酸素濃度化と品質の安定化、および生産性向上が挙げられる。こうした課題に対して、ＣＺ法に水平磁場を印加したＨＭＣＺ（Horizontal Magnetic field applied CZ）技術の適用により単結晶の低酸素濃度化や結晶成長の安定化を実現する方法が知られている。また、シリコン単結晶とシリコン融液との境界面である固液界面形状を、単結晶の方向に向かって湾曲させた上凸型に維持することによって、固液界面近傍の高Ｇ化と面内均一化効果を得る方法も知られている（特許文献１）。
特開２００１−１５８６９０号公報

しかしながら、水平磁場印加により、ルツボ内シリコン融液の対流状態は不安定な状態から改善されるが、大口径の結晶を育成するためには大口径のルツボを用いるため融液量も増えることから、水平磁場を印加するだけでは十分な効果が得られず、不安定な領域が存在することが明らかになった。特に、ヘルムホルツ型のマグネットを用いて互いに平行に配置した２つのマグネット間にシリコン単結晶引上装置のチャンバを配置した場合、コイル径の設計により水平磁場強度の分布が均一な構造が得られるが、必要とされる強度の磁場を得るためには、マグネット自体が巨大なものとなり、大きな装置スペースが必要となるという課題があった。

一方、最近、シリコン単結晶引上装置のチャンバを取り囲むリング状のケースに、マグネットコイルを変形させて組み込んだ省スペース型の水平磁場マグネットが開発されている。この様な省スペース型の水平磁場マグネットの場合、コイルの設計スペースに応じた磁場強度に分布が発生する。そして、磁場強度分布と結晶成長実験を行った結果、磁場強度分布と磁場設定位置に関係して、シリコン融液に不安定な領域が発生することが明らかになった。

こうした、シリコン融液の不安定な領域では、シリコン単結晶内で不純物濃度（酸素濃度等含む）の不均一分布が発生し、シリコン単結晶の成長方向に不均一になる。大口径のシリコン単結晶では生産性のため、結晶成長速度を速くできる様に、固液界面形状を上凸形状とし結晶成長が多く行われている。

この場合、シリコン融液の不安定な領域では、シリコン単結晶のウェーハ表面に平行な面内で見ると、不純物濃度に不均一になる、値が変化するなどの分布が観察される。不純物濃度は、酸素濃度とシリコン単結晶のキャリア濃度を決めるドーパント濃度のことで、面内に同心円状に分布が観察される。この酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲で高濃度、低濃度にばらつくことはデバイス工程において、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となり、さらに、抵抗率等ウェーハの特性として最も重要なデバイス特性および収率を低下させ悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、不純物濃度が不均一に分布することを抑制して不純物濃度の均一化を図ることによって、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止して、ゲッタリング能のばらつき、抵抗値の面内分布のばらつき等を防止して、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができるシリコン単結晶を育成可能なシリコン単結晶引上装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のシリコン単結晶引上装置は、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボの中心から略同心円状の等磁場線を形成可能とされてなることにより上記課題を解決した。
本発明のシリコン単結晶引上装置は、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされてなることにより上記課題を解決した。
本発明は、また、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、前記磁場印加手段によって前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されることが好ましい。
本発明において、前記磁場印加手段は、前記チャンバを取り巻くように略リング状に形成されていることができる。

本発明によれば、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボの中心から略同心円状の等磁場線を形成可能とされてなることにより、こうしたシリコン単結晶引上装置によれば、ルツボのシリコン融液には磁場印加手段で印加される水平磁場によって同心円状に等磁場線が形成される。同心円状に等磁場線が形成されることによって、ルツボ内のシリコン融液の対流状態を不安定な状態から改善することができる。
ここで、略同心円状の等磁場線を形成する範囲は、図３に示すように、少なくともルツボ内のシリコン融液の存在する範囲を含むものであればよく、それ以外のチャンバ内の領域は、図４のように、等磁場曲線が同心円状とならずに、磁場印加手段の省スペース化を履かすことが可能なようになっていてもよい。また、等磁場曲線が同心円状となる範囲は、シリコン融液が存在する高さ位置を少なくとも含むものであればよい。
また、図３に示すように、磁場方向も同様に、ルツボ内のシリコン融液の存在する範囲のみで略直線となっていればよく、それ以外の部分では、多少直線からずれていても構わない。

また、本発明によれば、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされてることにより、こうしたシリコン単結晶引上装置によれば、引上げたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度は、シリコン単結晶インゴットの成長方向（軸方向）の長さ全域に渡ってて一定の割合で減少し、不安定な領域が生じることがない。

前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、前記磁場印加手段によって前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されればよく、これにより不純物濃度が不均一に分布することを抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止する。

また、前記磁場印加手段は、前記チャンバを取り巻くように略リング状に形成されていればよく、具体的には、ルツボ側壁と同心状の円筒面に、軸対称として同一高さに２つまたは３つまたは４つのリング状マグネットコイルを貼り着けた形状とされること、言い換えると、垂直方向の軸線を有する第１の円筒面とこの第１の円筒よりも小さい半径を有し第１の円筒の軸線と交わりかつ水平方向の軸線を有する第２の円筒面との交線に対応するコイル形状とされることや、あるいは、軸対称な２つのコイルの片方を複数にしたような形状とされること、または、これらの形状を省スペース的な観点などから多少変更した形状とすることができ、これによって、水平磁場印加手段備えたシリコン単結晶引上装置の小型、軽量化を図ることが可能になる。

本発明のシリコン単結晶引上装置によれば、シリコン融液の融液面からルツボの底部に向かう全域において、磁場強度を単調に漸増、または漸減させることによって、引上げたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度は、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さ全域に渡ってて一定の割合で減少し、不安定な領域が生じることがない。不安定部が生じると、シリコン単結晶インゴットにおける酸素濃度の面内分布が微小な範囲で大きく揺らぎ、デバイス工程において結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング能不足の原因となるが、本発明により不純物濃度が不均一に分布することを抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止し、ドーバント濃度のばらつきによる抵抗率のばらつきを防止し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことが可能になる。

以下、本発明の単結晶引上装置をシリコン単結晶引上装置に適用した場合の実施の形態を説明する。図１は本発明のシリコン単結晶引上装置を示す側面断面図であり、図２は上部から見たときのシリコン単結晶引上装置を示す上面断面図である。シリコン単結晶引上装置１０は、チャンバ１１と、該チャンバ１１内に設けられてシリコン単結晶のシリコン融液１２を貯溜する石英ルツボ１３と、シリコン単結晶のシリコン融液１２を加熱する側面ヒータ４１と、保温材１９と、ルツボ駆動手段１７と、チャンバ１１の外側に設けられてチャンバ１１に水平磁場を印加する磁場印加手段５１が備えられている。

石英ルツボ１３は、上方が開放された略円筒形の胴部１３ａと、この胴部１３ａの下方を閉塞する底部１３ｂとからなる。石英ルツボ１３の外面は黒鉛サセプタ（ルツボ支持体）１４により支持されている。石英ルツボ１３の下面は黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はルツボ駆動手段１７に接続される。石英ルツボ１３の胴部１３ａの外側周囲に黒鉛サセプタ１４を介して側面ヒータ４１が設けられている。

側面ヒータ４１は、例えば石英ルツボ１３を取り巻くように円筒形に形成され、石英ルツボ１３を加熱する。また、側面ヒータ４１とチャンバ１１との間には側面ヒータ４１を取り囲む筒状の保温材１９が設けられている。

磁場印加手段５１は、シリコン単結晶引上装置１０のチャンバ１１を取り囲むように、リング状のケースにマグネットコイルを平面状から立体状に変形させて組み込んだ、省スペース型の水平磁場マグネットである。このような磁場印加手段５１は、側面ヒータ４１、保温材１９、チャンバ１１を介してルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２に水平磁場Ｌを与える。こうした磁場印加の詳細は後ほど述べる。

ルツボ駆動手段１７は、ルツボ１３を回転させる第１回転用モータ（図示略）と、ルツボ１３を昇降させる昇降用モータ（図示略）とを有し、これらのモータによりルツボ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能に構成される。特に上記昇降用モータにあっては、種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン融液１２の液面１２ａを上述した所定位置に維持するため、減少するシリコン融液１２の量に応じてルツボ１３を上昇させるように構成されている。

チャンバ１１の上面にはチャンバ１１より小径の円筒状のケーシング２１が設けられる。このケーシング２１の上端部には水平状態で旋回可能に引上げヘッド２２が設けられ、ヘッド２２からはワイヤケーブル２３が石英ルツボ１３の回転中心に向って垂下される。
図示しないが、ヘッド２２にはヘッド２２を回転させる第２回転用モータと、ワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータが内蔵される。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶インゴット２５を引上げるための種結晶２４がホルダ２３ａを介して取付けられる。

チャンバ１１にはこのチャンバ１１の上部からＡｒガスのような不活性ガスを供給し、かつ上記不活性ガスをチャンバ１１の下部から排出するガス給排手段２８が接続されている。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され、他端が図示しない不活性ガスのタンクに接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され、他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられている。

次に、こうした構成のシリコン単結晶引上装置１０におけるシリコン単結晶の引上手順と、本発明の作用を説明する。本実施形態のシリコン単結晶引上装置１０を用いてシリコン単結晶を引上げるにあたっては、まず、ルツボ１３に多結晶を原料となるシリコン塊をルツボ１３に入れ、側面ヒータ４１によって融解してシリコン融液１２を形成する。そして、シリコン融液１２の融液面１２ａの直上に種結晶２４をホルダ２３ａを介してワイヤケーブル２３に吊り下げる。

次に、第１及び第２流量調整弁３１，３２を開くことにより、供給パイプ２９から不活性ガスをケーシング２１内に供給してシリコン融液１２の表面から蒸発したＳｉＯx ガスをこの不活性ガスとともに排出パイプ３０から排出させる。この状態で、引上げヘッド２２の図示しない引上げ用モータによりワイヤ１９を繰出して種結晶２４を降下させ、種結晶２４の先端部を融液１２に接触させる。

種結晶２４の先端部をシリコン融液１２に接触させると、熱応力によりこの先端部にスリップ転位が導入されるため、その後、種結晶２４を徐々に引上げて直径が約３ｍｍの種絞り部２５ａを形成する。種絞り部２５ａを形成することにより、種結晶２４に導入された転位は消滅し、その後、更に種結晶２４を引上げることにより種絞り部２５ａの下部に無転位のシリコン単結晶インゴット２５を育成させる。

このようにシリコン単結晶インゴット２５を育成する際には、シリコン融液１２は側面ヒータ４１により加熱されており、磁場印加手段５１により磁場が印加されている。このとき、上記昇降用モータは減少する融液１２の量に応じてルツボ１３を上昇させ、種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン融液１２の表面を所定位置に維持する。

本実施形態のシリコン単結晶引上装置は、チャンバ１１の外側に設けられた磁場印加手段５１によって、シリコン融液１２に水平磁場が形成される。磁場印加手段５１は、チャンバ１１を取り囲むようにリング状にマグネットコイルを変形させた水平磁場マグネットであり、こうした形状の磁場印加手段５１によって、ルツボ１３内のシリコン融液１２には、リング状に等磁場線が形成されるように磁場が印加される。

図３は、リング状にマグネットコイルを変形させた水平磁場マグネットである磁場印加手段５１によって、ルツボ１３内に形成される磁場の分布を等磁場線などで示したものである。実線Ｒで示されたものがルツボであり、細かい矢印で示されたものがルツボに印加される磁力線Ｌを示す。また、ルツボの中心付近には引き上げた単結晶インゴットＳが示される。そして、ルツボを取り囲むように等磁場線Ｍが示される。図３によれば、ルツボには磁場印加手段５１で印加される水平磁場によって同心円状に等磁場線が形成される。

一方、磁場印加手段５１は、ルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２の融液面から前記ルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように水平磁場を印加する。図４は、こうした磁場強度とルツボに貯留されたシリコン融液との関係を示した説明図である。図４によれば、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して中心Ｏの磁場強度Ｂｙを最も高くし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させる。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏに合わせてルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定する。

このように磁場強度の分布とシリコン融液１２の融液面１２ａの位置とを設定することによって、シリコン融液１２は融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するように水平磁場が磁場印加手段５１から印加されることになる。こうした磁場強度の漸減割合は、シリコン融液１２の融液面１２ａ位置に加わる磁場の磁場強度Ｂｙを１とすると、ルツボ１３の底部１３ａ位置（シリコン融液１２中、融液面１２ａ位置から最も離間した下側となる位置）に加わる磁場強度Ｂｙが０．６〜０．９になるように（即ち、最強磁場強度の０．６倍〜０．９倍）設定されれば良い。

以上、説明したように、シリコン融液１２は融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度が漸減するように、リング状にマグネットコイルを変形させた水平磁場マグネットである磁場印加手段５１から水平磁場を印加することによって、図３に示すように、シリコン融液１２にはリング状の等磁場線が形成されると共に、磁場強度分布と磁場設定位置に関係して、シリコン融液に不安定な領域が発生することを防止する。シリコン融液の不安定な領域の発生を解消することによって、シリコン単結晶内で不純物濃度の不均一分布の発生を防止し、シリコン単結晶の成長方向における不純物分布の均一化を達成することが可能になる。

また、こうしたリング状にマグネットコイルを変形させた水平磁場マグネットを磁場印加手段５１として用いることによって、従来のヘルムホルツ型のマグネットを用いた場合と比較して、磁場印加手段を有するシリコン単結晶引上装置のサイズを大幅に小型、軽量化することが可能になる。

ルツボ１３のシリコン融液１２に印加される磁場は、図４に示したようなルツボの融液面からルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に減少するような配分にする以外にも、ルツボの融液面からルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に増加するように水平磁場を印加してもよい。図５によれば、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対してルツボ１３の底部１３ａの磁場強度Ｂｙを最も高くし、このルツボ１３の底部１３ａから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させる。

このように磁場強度の分布とシリコン融液１２の融液面１２ａの位置とを設定することによって、ルツボ１３の底部１３ａからシリコン融液１２の融液面１２ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するように水平磁場が磁場印加手段５１から印加されることになる。こうした磁場強度の漸減割合は、ルツボ１３の底部１３ａ位置に加わる磁場の磁場強度を１とすると、シリコン融液１２の融液面１２ａ位置に加わる磁場強度Ｂｙが０．６〜０．９になるように（即ち、最強磁場強度の０．６倍〜０．９倍）設定されれば良い。シリコン融液１２に対する磁場強度の分布をこのようにすることで、シリコン融液に不安定な領域が発生することを防止し、シリコン単結晶の成長方向における不純物分布の均一化を達成することが可能になる。

本出願人は、本発明の作用および効果を検証した。検証に当たっては、直径２４インチの石英ルツボを準備し、この石英ルツボに１６０ｋｇの原料である多結晶シリコンを仕込んだ。そして、ヒータにより石英ルツボを、直径２００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを引上げた。こうした原料を仕込んだ石英ルツボを加熱して、シリコン融液を形成し、直径２００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを引上げた。引き上げにあたって、石英ルツボ内のシリコン融液に、シリコン単結晶引上装置のチャンバを取り囲むようにリング状のケースにマグネットコイルを変形させて組み込んだ省スペース型の水平磁場マグネット（磁場印加手段）を用いて水平磁場を印加した。

シリコン融液に水平磁場を印加するにあたって、本発明例として、３つの実施例を用意した。

第１の実施例としては、図６に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して中心Ｏの磁場強度Ｂｙを最も高くし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏに合わせてルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定し、融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル１）。

本発明の第２の実施例としては、図７に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して中心Ｏの磁場強度Ｂｙを最も高くし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏよりも距離ａだけ下側にルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定し、融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル２）。

本発明の第３の実施例としては、図８に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対してルツボ１３の底部１３ａの磁場強度Ｂｙを最も高くし、このルツボ１３の底部１３ａから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。これによりルツボ１３の底部１３ａからシリコン融液１２の融液面１２ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル３）。

なお、本発明と対比させる比較例（従来例）として、図９に示すように、磁場印加手段６１を引上げ方向Ｚに対して中心Ｏの磁場強度Ｂｙを最も高くし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏをルツボ１３のシリコン融液１２の中ほどに位置するように設定した。これにより、シリコン融液１２の融液面１２ａ（ｚ＝−ａ位置）からルツボ１３の底部１３ａに向かって、融液の中ほどまで磁場強度Ｂｙが漸増し、この中ほどを過ぎると一転して磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル４）。

以上、説明した本発明の実施例１〜３（サンプル１〜３）と、比較例（従来例：サンプル４）によって引上げられたシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと酸素濃度Ｏｉとの関係を図１０（ａ）に示す。

図１０（ａ）に示すように、シリコン融液１２の融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かう全域において、磁場強度Ｂｙを単調に漸増、または漸減させた状態を引き上げ長の全長にわたって維持した場合には、引上げたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度Ｏｉは、長さＸＬの全域にわたって一定の割合で減少し、不安定な領域は見られない。一方、シリコン融液１２の融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって、融液の中ほどまで磁場強度Ｂｙが漸増し、この中ほどを過ぎると一転して磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加した場合には、この磁場強度Ｂｙが漸増から漸減に転じる付近において、不安定部が生じる。

このような不安定部ではシリコン融液対流が不安定なため、図１０（ｂ）に示すように、シリコン単結晶インゴットにおける酸素濃度Ｏｉの面内分布が微小な範囲で大きく揺らいでいる。このように酸素濃度の面内分布が大きく揺らぐと、デバイス工程において、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となり、デバイスの特性および収率を低下させ悪影響を及ぼす可能性がある。本発明により不純物濃度が不均一に分布することを抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができる。

図１１（ａ）は、上述した実施例でのサンプル１および２における、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと、シリコン融液表面の磁場強度およびルツボ底部の磁場強度との関係を示したグラフである。このグラフによれば、シリコン融液表面の磁場強度はサンプル１および２ともシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの全域に渡って一定であり、また、ルツボ底部の磁場強度は、シリコン融液表面の磁場強度よりも低い範囲で緩やかに漸増している。

このような磁場強度の分布によって、図１１（ｂ）に示すように、サンプル１および２の双方でシリコン単結晶インゴットの酸素濃度Ｏｉは、長さＸＬの全域にわたって一定の割合で減少する。これにより、図１１（ｃ）に示すように、シリコン単結晶インゴットにおける酸素濃度Ｏｉの面内分布は揺らぐことなく安定して分布する。

図１２（ａ）は、上述した比較例（従来例）でのサンプル４における、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと、シリコン融液表面の磁場強度およびルツボ底部の磁場強度との関係を示したグラフである。このグラフによれば、シリコン融液表面の磁場強度はシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの全域に渡って一定であるのに対して、ルツボ底部の磁場強度は、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの中ほどを過ぎた付近でシリコン融液表面の磁場強度を上回り、更にその後減少に転じている。

このような磁場強度の分布になると、図１２（ｂ）に示すように、融液対流の変動が生じて不安定部が出来てしまい、結果的に酸素濃度の面内分布が大きく揺らいで、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となる。

以上のような検証結果から、本発明によって、引き上げ長の全長にわたって、シリコン融液に平面的には同心円状でかつ、高さ方向には磁場強度の単一的な（単調）増加または減少とされる磁場を印加した状態を維持して単結晶を引き上げることにより、不純物濃度が不均一に分布することを抑制して、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止し、酸素濃度及び抵抗率の面内および軸方向分布の発生を低減して、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保てることが確認された。

図１は、本発明の単結晶引上装置の概略を示す側面断面図である。図２は、図１の単結晶引上方法の上面断面図である。図３は、ルツボのシリコン融液に印加される磁力線と、それにより形成される等磁場線を示す説明図である。図４は、本発明の実施形態を示す説明図である。図５は、本発明の別な実施形態を示す説明図である。図６は、本発明の実施例を示す説明図である。図７は、本発明の実施例を示す説明図である。図８は、本発明の実施例を示す説明図である。図９は、従来の比較例を示す説明図である。図１０は、本発明と比較例の検証結果を示すグラフである。図１１は、本発明の検証結果を示すグラフである。図１２は、比較例の検証結果を示すグラフである。

符号の説明

１０シリコン単結晶引上装置
１２シリコン融液
１２ａ融液面
１３石英ルツボ
１９側面ヒータ
５１磁場印加手段

Claims

シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボの中心から略同心円状の等磁場線を形成可能とされてなることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされてなることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、前記磁場印加手段によって前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶引上装置。
前記磁場印加手段は、前記チャンバを取り巻くように略リング状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上装置。