JP2009114054A - 酸素濃度特性が改善した半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】１２インチ単結晶のような大口径単結晶の成長時にプライム（ｐｒｉｍｅ）区間での酸素濃度の偏差を減らせるように酸素濃度の制御ができるるつぼの回転条件を提示する半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】石英るつぼに収容された半導体メルト（ｍｅｌｔ）にシード（ｓｅｅｄ）を浸した後、前記石英るつぼを回転させるとともに水平強磁場を印加しながら引き上げ、固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚ）法を用いた半導体単結晶の製造方法であって、前記石英るつぼを０.６〜１.５ｒｐｍの速度で回転させながら引き上げる。
【選択図】図５

Description

本発明は、水平強磁場を印加しながら半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚ）法を行うとき、半導体単結晶に流入される酸素濃度を制御して高品質の単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法に関する。
チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の製造時には、ヒーターによって溶融されたシリコンメルト（ｍｅｌｔ）を入れるのに石英るつぼが必須的に用いられる。ところで、石英るつぼはシリコンメルトとの反応によりメルト内に溶解されることで酸素を湧出させ、結局、固液界面を通じて単結晶内に酸素を混入させる。単結晶内に混入された酸素はウェハーの強度増進、微小内部欠陷（ＢＭＤ）を形成することで、半導体工程中に金属不純物に対するゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）サイトとして作用するが、他方では各種の結晶欠陥及び偏析を誘発することで、結局、半導体素子の歩留まりに悪影響を及ぼす要因になる。したがって、チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶の成長時には、固液界面を通じて単結晶内に流入される酸素濃度を適切に制御する必要がある。
従来には酸素濃度を制御するために、るつぼ回転数、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量、圧力などを調節する方法が広く用いられ、その他にカスプタイプ（ｃｕｓｐ ｔｙｐｅ）の磁場条件を変更して結晶品質を悪化させないながらも酸素濃度を多様に制御する技術も用いられた。また、超伝導水平磁石などを用いて水平タイプの磁場を印加する水平強磁場の条件では、るつぼ回転数に応じて酸素濃度が影響を受けるということが報告された。
酸素濃度の制御に関わる従来技術として、特許文献１には、ＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ）法によってシリコン単結晶を引き上げるとき、酸素濃度を低め半径方向の酸素濃度の偏差を低めるために、るつぼと単結晶の回転速度を所定範囲に制御する技術が開示されている。この技術によれば、直径６インチ程度の小口径のシリコン単結晶で半径方向の酸素濃度の偏差レベルを約±０.５ｐｐｍａ程度まで達成することは可能であるが、直径１２インチ程度の大口径のシリコン単結晶に適用するときには、酸素濃度の偏差が悪化すると予想される。
他の例として、特許文献２には、水平強磁場の条件で単結晶長さごとの有効な酸素濃度制御のために、るつぼ回転数に加えてアルゴンガスの流量と圧力とを制御する技術を開示しているが、この技術は８インチ程度の小口径のシリコン単結晶の酸素濃度制御に適している。
水平強磁場を印加して酸素濃度を制御する従来技術は、主にシリコンメルトの容量の少ない直径２４インチ以下のるつぼを用いる８インチ以下の単結晶製造を目標にするので、同一の技術を３２インチのるつぼを用いる１２インチ以上の単結晶製造に適用すれば、酸素濃度の制御が失敗する可能性が高い。その理由は、シリコンメルトの体積が８０％以上増加すれば、メルトの流動が非常に複雑になるからである。すなわち、体積の大きいメルトであるほどメルト流動が一層乱流化して酸素挙動が複雑になるので、単に単結晶長さに応じて（メルト体積に応じて）アルゴン流量または圧力を変更しても酸素濃度はうまく調節できない。一方、水平強磁場の条件では、酸素挙動の異常現象が現われるので、これを根本的に解決するための方法が求められ、激しく乱流化されたメルトの流動下で大きくなる引上げ速度の変動幅を改善する条件が提示されなければならない。
インゴットの長さが長くなることによるメルトとるつぼとの接触面積の減少を克服するために、従来技術の伝統的な方法（るつぼ回転数の範囲を０.１〜０.９ｒｐｍまたは０.３〜０.７ｒｐｍに設定）を用いてるつぼ回転数を漸次増加させた場合には、図１に示したように確率的にインゴットのボディ中半部に酸素濃度が低下する現象が発生する。図１において、上下の水平基準線（一点鎖線参照）間の区間は、望ましい酸素濃度の範囲を示す。このようなるつぼ回転数の運用は、８インチ以下では１１ｐｐｍａ以上の酸素濃度が得られるが、１２インチ以上ではメルトの体積が大きいので非常に不安定な酸素濃度プロファイルが得られる。
また、酸素濃度制御のために従来技術によってアルゴン流量と圧力とを制御した場合（アルゴンガスの流量は１６０ｌｐｍから１４０ｌｐｍに低め、圧力は５０Ｔｏｒｒから６０ないし７０Ｔｏｒｒに高める）にも同じく、図２に示したようにボディ中半部で酸素濃度が減少する現象が発生する。
前記のような結果が得られる原因は、水平強磁場の条件の下では低酸素メルト（ｌｏｗ ｏｘｙｇｅｎ ｍｅｌｔ）と高酸素メルト（ｈｉｇｈ ｏｘｙｇｅｎ ｍｅｌｔ）とが互いに分離されるからであると分析される。すなわち、磁場を印加しないチョクラルスキー法や回転対称性（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）を持つカスプまたは垂直ＭＣＺにおいては、単結晶回転及びるつぼ回転によっても回転対称が維持されるので、メルトが二つのタイプに分離される現象は発生しない。しかし、鏡面対称性（ｍｉｒｒｏｒ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）を持つ水平ＭＣＺにおいては、単結晶回転及びるつぼ回転によってローレンツ力（Ｌｏｒｅｎｔｚ ｆｏｒｃｅ）が左右反対方向に形成されるので、メルトが二つのタイプに分離される現象が発生する。このような条件においては、低酸素メルトと高酸素メルトとが単結晶の成長界面の下部をどのように支配するかによって単結晶内に流入される酸素挙動が影響を受ける。例えば、図１の３ｒｄ Ｒｕｎを見れば、８００〜９００ｍｍにおいては高酸素メルトが、１０００〜１３００ｍｍにおいては低酸素メルトが支配的であることが確認できる。支配メルトのタイプはるつぼ回転数によって影響を受けることが明らかになった。低酸素メルトの振動数は０.００５Ｈｚであり、約０.３ｒｐｍのるつぼ回転数に該当する。従って、るつぼ回転数が約０.３ｒｐｍになれば低酸素メルトとの共振現象が発生するので、高酸素の結晶を成長させにくくなるのである。
特開平９−２３５１９２号公報 韓国特許第７３５９０２号明細書
本発明は、前記のような問題点を解決するために創案されたものであって、１２インチ単結晶のような大口径単結晶の成長時にプライム（ｐｒｉｍｅ）区間での酸素濃度の偏差を減らせるように酸素濃度の制御ができるるつぼの回転条件を提示する半導体単結晶の製造方法を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、１２インチ単結晶のような大口径単結晶の成長時に引上げ速度の変動幅を改善することで工程安定化に寄与できる半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
前記のような目的を達成するために、本発明は、石英るつぼに収容された半導体メルトにシードを浸した後、前記石英るつぼを回転させるとともに水平強磁場を印加しながら引き上げ、固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー法を用いた半導体単結晶の製造方法において、前記石英るつぼを０.６〜１.５ｒｐｍの速度で回転させながら引き上げることを特徴とする。
前記半導体単結晶のボディ前半部の成長時、前記石英るつぼを０.６〜０.８ｒｐｍの速度で回転させることが望ましい。
単結晶の成長長さごとの酸素濃度の変動幅を最小化するために、前記石英るつぼの回転速度は漸次増加させることが望ましい。
前記水平強磁場は２０００Ｇ以上に印加できる。
また前記水平強磁場は２５００Ｇ以上３５００Ｇ以下に印加できる。
本発明によれば、水平強磁場を印加する条件の下で半導体メルトとの共振現象を避けて、酸素濃度の範囲が１０.６〜１２.８ｐｐｍａであり偏差が小さい１２インチ以上の高品質シリコン単結晶を製造することができる。このような本発明は、ＮＡＮＤフラッシュデバイスに適した酸素濃度である１１.７ｐｐｍａ程度の酸素濃度を持つシリコン単結晶の成長に有利である。
また、本発明によれば、単結晶の引上げ速度の変動幅を従来に比べて減らすことで、工程を安定して容易に行うことができる。
以下、本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
本発明においては、石英るつぼに収容された半導体メルトにシードを浸した後、前記石英るつぼを回転させるとともに２０００Ｇ以上の水平強磁場を印加しながら引き上げ、固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー法を用いた半導体単結晶の製造方法を行い、特に石英るつぼを０.６〜１.５ｒｐｍの速度で回転させながら引き上げる。ここで、水平強磁場は、メルト内熱分布の最適化と酸素湧出性能などを考慮して２５００Ｇ以上３５００Ｇ以下に印加することがより望ましい。
図３には、本発明が適用される半導体単結晶成長装置の構成例が概略的に示されている。
図３を参照すれば、半導体単結晶成長装置は、多結晶シリコンが高温で溶融されたシリコンメルト（ＳＭ）が収容される石英るつぼ１０；石英るつぼ１０の外周面を取り囲み、高温環境で石英るつぼ１０を一定の形態に支持するるつぼ支持台２０；るつぼ支持台２０の下端に設けられ、るつぼ支持台２０とともに石英るつぼ１０を回転させるるつぼ回転手段３０；るつぼ支持台２０の側壁から所定距離離隔して石英るつぼ１０を加熱するヒーター４０；ヒーター４０の外郭に設けられ、ヒーター４０から発生する熱が外部に流出されることを防止する断熱手段５０；一定の方向に回転するシード結晶を用いて石英るつぼ１０に収容されたシリコンメルトからシリコン単結晶１を引き上げる単結晶引上げ手段６０；単結晶引上げ手段６０によって引き上げられるシリコン単結晶１の外周面から所定距離離隔してシリコン単結晶１から放出される熱を遮蔽する熱シールド構造物７０；シリコン単結晶１の外周面に沿ってシリコンメルトの上部表面に不活性ガス（例えば、Ａｒガス）を供給する不活性ガス供給手段（図示せず）；及び石英るつぼ１０に水平強磁場を形成することができるコイルアセンブリー８０を備えた磁場印加手段；を含む。このような半導体単結晶成長装置の構成要素は、本発明が属する技術分野においてよく知られているチョクラルスキー法を用いた半導体単結晶成長装置の通常の構成要素であるので、各構成要素に対する詳細な説明は省略する。
本発明においては、半導体単結晶成長装置のるつぼ回転手段３０を制御して石英るつぼ１０を０.６〜１.５ｒｐｍの速度範囲内で回転させながら引き上げる。前記速度範囲内で石英るつぼ１０の回転速度を漸次増加させるようにるつぼ回転手段３０を制御すれば、単結晶の成長長さごとの酸素濃度の変動幅を最小化することができる。
図４には、石英るつぼ１０の回転数範囲を二つのタイプにして約１２インチ（３００ｍｍ）のシリコン単結晶を成長させたときのインゴット長さごとの酸素濃度プロファイルが示されている。図４において、１ｓｔ Ｒｕｎは、るつぼ回転数を１〜１.２ｒｐｍ範囲に設計した場合に該当し、２ｎｄ Ｒｕｎは、るつぼ回転数を０.７〜１.２ｒｐｍ範囲に設計した場合に該当する。
前述のように、０.３ｒｐｍ程度のるつぼ回転数では共振現象が発生し、０.５ｒｐｍ程度でも少しの共振現象が発生する。また、るつぼの回転数が高すぎれば、酸素濃度が過度に上昇する現象が発生する。このような点を考慮して本発明においては、るつぼ回転数を０.６〜１.５ｒｐｍに設計した。特に、約４００ｍｍのインゴット長さまでのボディ前半部からるつぼ回転数を１ｒｐｍ以上に高くすれば、１ｓｔ Ｒｕｎに示されたように酸素濃度が過度に上昇するので、ボディ前半部には０.６〜０.８ｒｐｍを維持することが望ましい。このようなるつぼ回転数の運用によれば、酸素濃度の範囲が約１０.６〜１２.８ｐｐｍａ（図４の一点鎖線参照）であり、偏差が小さい１２インチ以上の高品質シリコン単結晶を製造することができる。
より望ましくは、本発明は、るつぼ回転数を０.７〜１.３ｒｐｍに設計することで、図５の３ｒｄ Ｒｕｎのグラフに示したように９００〜１３００ｍｍでの酸素濃度の低下を補償し、酸素濃度の範囲が１１〜１２.４ｐｐｍａであって従来技術に比べて高品質を持つシリコン単結晶を製造することができる。
前記のように、るつぼ回転数を０.６〜１.５ｒｐｍにすれば、図６に示したように引上げ速度の変動幅が著しく減ってヒーターパワーの変動が少なくなるなど工程の安定性を図ることができる。
これとは対照的に、従来技術に従ってるつぼ回転数を０.１〜０.５ｒｐｍにした場合には、低酸素メルトと高酸素メルトとが互いに干渉するので、図７に示したように引上げ速度の変動幅が大きい。
以上のように、本発明は、限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。本明細書に添付される図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。
従来技術によるシリコン単結晶の成長方法に従って提供されるインゴットの長さごとの酸素濃度プロファイルを示したグラフである。 従来技術によるシリコン単結晶の成長方法に従って提供されるインゴットの長さごとの酸素濃度プロファイルを示した他のグラフである。 本発明が適用される半導体単結晶成長装置の概略的な構成図である。 るつぼの回転数範囲に応じて変化する酸素濃度プロファイルを示したグラフである。 本発明の望ましい実施例と従来技術とによるるつぼ回転数の運用結果を比較して示したグラフである。 本発明の望ましい実施例に従ってるつぼ回転数を運用したときの引上げ速度プロファイルを示したグラフである。 従来技術に従ってるつぼ回転数を運用したときの引上げ速度プロファイルを示したグラフである。
符号の説明
１：シリコン単結晶
１０：石英るつぼ
２０：るつぼ支持台
３０：るつぼ回転手段
４０：ヒーター
５０：断熱手段
６０：単結晶引上げ手段
７０：熱シールド構造物
８０：コイルアセンブリー
ＳＭ：シリコンメルト

Claims (5)

  1. 石英るつぼに収容された半導体メルト（ｍｅｌｔ）にシード（ｓｅｅｄ）を浸した後、前記石英るつぼを回転させるとともに水平強磁場を印加しながら引き上げ、固液界面を通じて半導体単結晶を成長させるチョクラルスキー（Ｃｚ）法を用いた半導体単結晶の製造方法において、
    前記石英るつぼを０.６〜１.５ｒｐｍの速度で回転させながら引き上げることを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
  2. 前記半導体単結晶のボディ前半部の成長時、前記石英るつぼを０.６〜０.８ｒｐｍの速度で回転させることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造方法。
  3. 単結晶の成長長さごとの酸素濃度の変動幅を最小化するために、前記石英るつぼの回転速度を漸次増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
  4. 前記水平強磁場を２０００Ｇ以上に印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
  5. 前記水平強磁場を２５００Ｇ以上３５００Ｇ以下に印加することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の製造方法。
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