JP2009292654A - シリコン単結晶引上げ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】他の特性に影響を与えずに実効偏析係数を改善することにより、比抵抗歩留りを改善したシリコン単結晶引上げ方法を提供する。
【解決手段】ワイヤケーブルを回転させつつ引上げるシリコン単結晶の製造方法において、単結晶棒中の成長軸方向におけるドーパントの実行偏析係数が小さくなるように、単結晶棒の成長軸方向の当該結晶位置に応じてシリコン溶融液に印加する水平磁場強度を変化させもので、磁場を印加しないで単結晶を引上げ成長した場合の実効偏析係数の変化（Ａ）に対して、成長軸方向の位置に応じて磁場強度を変化させて磁場を印加することにより（Ｂ）、ドーパントの偏析係数による単結晶棒の成長軸方向の実効偏析係数の増大を低減することができ、その結果、引上げ成長された単結晶棒の比抵抗がある程度長い区間においてほぼ同じ値に維持される（Ｃ）。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体デバイスの製造等に用いられるシリコン等の単結晶の引上げ方法に関する。

半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハは、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げ育成されたシリコン単結晶から製造されている。ＣＺ法は、石英るつぼ内の溶融したシリコンに種結晶を浸けて引上げ、その下に単結晶棒(インゴット)を成長させる方法である。
ＣＺ法により引上げた単結晶棒からウェーハを製造する場合、単結晶棒各部分の比抵抗を考慮する必要がある。一般的に引上げられた単結晶棒は、図１に示すように、添加するドーパントの偏析係数が１より小さいため、先端部（テイル部）になるほどドーパント濃度が濃化し、結晶中の比抵抗が低下する。単結晶棒の中で比抵抗の値が所定の範囲（スペック範囲）から逸脱した部分は、製品として使用できなくなり、そのような部分が生じると１本の単結晶棒から得られるウェーハの数が少なくなり歩留りが低下する。従って、歩留りを向上させるためには、単結晶棒の成長軸方向における比抵抗の変化率（傾き）を小さくし、スペックを満たす比抵抗値を示す部分の長さを増大させる必要がある。

しかしながら、ＣＺ法により引上げ成長した単結晶棒においては、添加するドーパントの偏析現象により、成長軸方向に比抵抗がある程度の傾きをもって変化することがどうしても避けられない。そこで、引上げ速度や回転速度を制御することで成長方向におけるドーパントの実効偏析係数を変化させ、成長方向における不純物分布を部分的にフラットにする方法等が提案されている（特許文献１参照）。
特開平９−２５５４７９号公報

しかしながら、前述した引上げ速度や回転速度を制御する方法では、引上げ速度や回転速度の変化が比抵抗以外のウェーハの特性、すなわち、面内の点欠陥分布、酸素濃度分布、酸素析出物密度に大きな影響を与え、それらの特性について所望の特性が安定的に得られなくなるという問題が生じる。そのため、比抵抗の制御のために引上げ速度や回転速度を自由に制御することは実質的に困難であり、比抵抗が所望のスペックを満たす単結晶部分の割合を十分に増やす、すなわち比抵抗歩留りを十分に改善することができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、比抵抗以外の特性に影響を与えずに実効偏析係数を変化させることにより、実質的に比抵抗歩留りを改善することのできるシリコン単結晶引上げ方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本願発明者は、水平磁場を印加する単結晶育成条件について種々検討を行った。その結果、引上げ時に作用させる磁場の強度が、実効偏析係数を変化させる上で支配的であり、かつ、点欠陥特性や酸素特定には大きな影響を与えないことを見出した。すなわち、単結晶の引上げに際して、磁場強度を変化させることにより実効偏析係数を有効に変化させることができることを見出した。

従って本発明に係るシリコン単結晶引上げ方法は、ワイヤケーブルの下端に設けられた種結晶をるつぼ内の融液に浸し、前記ワイヤケーブルを回転させつつ引上げることにより、上昇する前記種結晶の下部に単結晶棒を成長させる単結晶引上げ方法において、前記単結晶棒中の成長軸方向におけるドーパントの実行偏析係数が小さくなるように、前記単結晶棒の成長軸方向の当該結晶位置に応じて前記シリコン溶融液に印加する水平磁場強度を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、比抵抗以外の特性に影響を与えずに実効偏析係数を変化させることにより、実質的に比抵抗歩留りを改善することのできるシリコン単結晶引上げ方法を提供することができる。

本発明の一実施形態について、図２〜図５を参照して説明する。
まず、本発明に係る単結晶引上げ装置の一実施形態について、図２を参照して説明する。
図２は、その単結晶引上げ装置１の構成を示す図である。
図２に示すように、単結晶引上げ装置１は、るつぼ１０、チャンバ１１、支持軸１２、ヒータ１３、引上げ軸１４及び磁場印加装置２０を有する。

るつぼ１０は、石英製の内層容器と黒鉛製の外層容器とを有し、支持軸１２により回転自在かつ昇降自在に支持された状態でチャンバ１１内に収容されている。るつぼ１０の周囲には、その外周に沿ってヒータ１３が配置される。
るつぼ１０の上方には、回転自在かつ昇降自在な引上げ軸１４が配設されている。この引上げ軸１４の下端部に種結晶を取り付け、種結晶をるつぼ１０内の融液１５に浸し、引上げ軸１４及び支持軸１２を逆方向に回転させながら融液１５から種結晶を徐々に引上げることにより、その下にシリコンの単結晶棒１６が形成される。

チャンバ１１の外側には、るつぼ１０内の融液１５に対して水平方向の磁場を印加する本発明に係る磁場印加装置２０が設けられている。この磁場印加装置２０は、るつぼ１０を挟むように対向配置された一対の磁場印加用コイル２１、磁場印加用コイル２１を介して印加する磁場の強度を制御する磁場強度制御部２２、及び、磁場印加用コイル２１を支持するとともに磁場印加用コイル２１を上下方向の所望の位置に移動させる駆動部２３とを有する。

磁場印加装置２０の磁場強度制御部２２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、記憶装置、入力装置等を有し、記憶装置には、単結晶棒１６の引上げの進行に対する磁場強度に関するデータが予め記憶されている。
そして、磁場印加装置２０は、図示せぬ引上げ軸１４の制御部から入力される引上げの進行に係るデータ、及び、磁場強度制御部２２内の記憶装置に記憶されている前述した磁場強度に関するデータを参照し、磁場印加用コイル２１から融液１５に印加される磁場の強度を、単結晶棒１６の引上げの進行に伴って制御する。換言すれば、磁場印加装置２０は、単結晶棒１６の成長軸方向の成長位置（例えば、引上げ軸１４の下端部からの距離）に応じて制御する。

また、磁場印加装置２０は、磁場印加用コイル２１からの磁力が適切に融液１５及び単結晶棒１６の結晶成長部に作用するように、必要に応じて駆動部２３を駆動して磁場印加用コイル２１の結晶成長軸方向の位置を制御する。

次に、このような単結晶引上げ装置１を用いた本発明に係る単結晶引上げ方法について説明する。
まず、磁場印加用コイル２１から融液１５に印加する磁場の強度と、これによるドーパントの実効偏析係数の変化との関係を示すデータを予め収集しておく。具体的には、例えば、磁場印加用コイル２１から融液１５に印加する磁場の強度を適宜変更して単結晶を成長させ、製造された単結晶の各位置のドーパント濃度を測定することにより各磁場強度に対応する実効偏析係数を検出する。検出した磁場強度と実効偏析係数との対応を示すデータは、磁場強度制御部２２の記憶領域に記憶する。
また、このデータの収集においては、各磁場強度ごとに別個の単結晶棒１６を成長させて、各単結晶棒１６の同じ位置においてドーパント濃度を測定してもよいし、１の単結晶棒１６の成長工程において順次磁場強度を変化させて、各部分におけるドーパント濃度を測定するようにしてもよい。但し、後者の場合には成長軸方向の位置の相違による実効偏析係数の変化を考慮し、この変化分を補正する処理を行う必要がある。
なお、シリコン単結晶中に添加される代表的なドーパントとしては、ボロン、リン、アンチモン、砒素などが挙げられ、これらは全て偏析係数が１より小さく、使用するドーパントによって磁場印加による実効偏析係数の変化量も異なる。このため、使用するドーパント種に応じて磁場強度を変化させることが望ましく、使用するドーパント毎に上述した各磁場強度に対応する実効偏析係数の値を検出しておくことが必要となる。

このようにして得られた磁場強度と実効偏析係数の関係を示すデータの例を図３に示す。図３は、不純物としてのリンの実効偏析係数と磁場強度との関係を示すグラフであり、磁場強度を１０００Ｇから６０００Ｇまで変化させた時の実効偏析係数を示すグラフである。

このようにデータを収集した上で、チョクラルスキー法により単結晶棒１６を製造する。すなわち、引上げ軸１４の下端部に種結晶を取り付け、種結晶をるつぼ１０内の融液１５に浸し、引上げ軸１４及び支持軸１２を逆方向に回転させながら融液１５から種結晶を徐々に引上げる。
この際、磁場印加装置２０の磁場印加用コイル２１により、るつぼ１０内の融液１５に対して水平方向の磁場を印加する。また、この時印加する磁場は、単結晶棒１６の結晶成長方向（成長軸方向）の位置に応じて、各位置で実効偏析係数が小さくなるように、磁場強度制御部２２によりその強度が制御される。具体的には、単結晶棒１６の結晶成長方向の各位置においる実効偏析係数の制御量を求めるため、磁場を印加しないで単結晶を引上げ成長した場合、あるいは、一定の磁場を印加して単結晶の引上げ成長をした場合の成長軸方向の実効偏析係数の変化の割合について予め検出しておく。そして、その実効偏析係数の成長軸方向の変化の特性に応じて、単結晶棒１６中の成長軸方向におけるドーパント濃度分布が均一となるように、各位置に応じて磁場強度を変化させながら磁場を印加する。

具体的には、例えば、磁場を印加しないで単結晶を引上げ成長した場合の実効偏析係数の変化の状態が図４（Ａ）に示すような特性であった場合、前述したように予め検出しておいたデータを参照し、図４（Ｂ）に示すように成長軸方向の位置に応じて磁場強度を変化させて磁場を印加する。

このようにして単結晶の引上げ成長を行うことにより、ドーパントの偏析係数による単結晶棒１６の成長軸方向の実効偏析係数の増大を低減することができる。その結果、図４（Ｃ）に示すように、引上げ成長された単結晶棒１６の比抵抗もある程度長い区間においてほぼ同じ値に維持される。従って、所定のスペックを満たす比抵抗を有する部分を長くとることができ、単結晶棒１６から単結晶ウェーハを効率よく、すなわち高い歩留りで製造することができる。
なお、図４（Ｃ）において黒点によりプロットされているグラフは、磁場の印加を行わず、実効偏析係数が０．５５の状態で引上げ成長を行った場合の成長軸方向の比抵抗の変化を示す図であり、本実施形態の方法により引上げ成長を行った場合との比較のために示しているものである。

このように、本実施形態の単結晶引上げ方法によれば、融液１５に水平方向の磁場を印加し、その磁場の強度を単結晶成長軸方向の各位置において実効偏析係数が小さくなるようにその位置に応じて変化させる、すなわち磁場強度を単結晶成長量に応じて次第に小さくなるように制御することにより、引上げ成長した単結晶棒１６において、その成長軸方向の十分に長い区間において、比抵抗が所望のスペック内の値に制御されている。従って、１つの単結晶引上げ装置１から、比抵抗に関して所望の特性のウェーハを多数製造することができ、いわゆる比抵抗歩留りを向上させることができる。

また、このような比抵抗の制御、換言すれば実効偏析係数の制御は、融液１５に印加する磁場の強度を制御することにより行っており、ドーパント濃度を均一化させるために従来行われていた、引上げ軸１４やるつぼ１０の回転速度や引上げ軸１４の引上げ速度等を大きく変化させるような操作は不要となる。従って、これらの制御要素は従来と同様に点欠陥分布や酸素分布の制御に用いることができる。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、従来の磁場を印加しない方法、及び、本実施形態の強度を変化させながら磁場を印加する方法の各方法により結晶引上げ成長を行った単結晶であって、引上げ軸１４及びるつぼ１０の回転速度及び引上げ軸１４の引上げ速度を制御して点欠陥発生領域分布及び酸素濃度分布の制御を行った単結晶の、その点欠陥発生領域分布及び酸素濃度分布を示す図であり、図５（Ａ）が点欠陥発生領域分布を示す図であり、図５（Ｂ）が酸素濃度分布を示す図である。なお、ここでいう点欠陥発生領域とは、単結晶内に発生する空孔クラスタ起因のＣＯＰ（Crystal Originated Particle）発生領域を意味し、発生するＣＯＰ発生領域の外径位置を結晶長さ方向（固化率）に示したものである。また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）ともに、小さい矩形のプロットが従来の引上げ成長により得られた単結晶の検出結果であり、大きい矩形のプロットが本実施形態の引上げ成長により得られた単結晶の検出結果である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、点欠陥発生領域分布及び酸素濃度分布ともに、従来の方法と本実施形態の方法でほぼ同じであることがわかる。従って、これらの特性については、本実施形態のように磁場印加装置２０により融液１５に水平方向の磁場を印加していたとしても、これとは独立に従来と同様の方法により制御することにより、適切に制御できることがわかる。
また、本実施形態の水平方向に磁場を印加する方法が、これら点欠陥発生領域分布及び酸素濃度分布にはほとんど影響を与えないことがわかる。

なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

図１は、ＣＺ法による単結晶引上げ成長を行った時の成長方向の位置と比抵抗の関係を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る単結晶引上げ装置の構成を示す図である。 図３は、本実施形態に係る引上げ成長方法を説明するための図であって、印加磁場強度、実効偏析係数との関係を示す図である。 図４は、本実施形態に係る引上げ成長方法を説明するための図であって、成長軸方向の実効偏析係数、磁場強度及び比抵抗を示す図である。 図５は、本実施形態に係る引上げ成長方法を説明するための図であって、成長軸方向の点欠陥発生領域及び酸素濃度分布、及び、それらの従来例との比較を示す図である。

符号の説明

１…単結晶引上げ装置
１０…るつぼ
１１…チャンバ
１２…支持軸
１３…ヒータ
１４…引上げ軸
１５…融液
１６…単結晶棒
２０…磁場印加装置
２１…磁場印加用コイル
２２…磁場強度制御部
２３…駆動部

Claims (3)

1. ワイヤケーブルの下端に設けられた種結晶をるつぼ内のシリコン融液に浸し、前記ワイヤケーブルを回転させつつ引上げることにより、上昇する前記種結晶の下部に単結晶棒を成長させるシリコン単結晶引上げ方法において、
   前記単結晶棒中の成長軸方向におけるドーパントの実行偏析係数が小さくなるように、前記単結晶棒の成長軸方向の当該結晶位置に応じて前記シリコン溶融液に印加する水平磁場強度を変化させることを特徴とするシリコン単結晶引上げ方法。
2. 使用するドーパント種に応じて前記磁場強度を変化させることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶引上げ方法。
3. 予め、使用するドーパント種毎に前記磁場強度を変化させたときのドーパントの実行偏析係数の変化の割合を求めておき、前記単結晶棒中の成長軸方向におけるドーパント濃度分布が均一となるように前記磁場強度を変化させることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶引上げ方法。

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