JP3598634B2

JP3598634B2 - シリコン単結晶の製造方法

Info

Publication number: JP3598634B2
Application number: JP3547896A
Authority: JP
Inventors: 将園川; 俊郎林; 淳岩崎; 友彦太田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: EP0787838A1; US5882398A; JPH09208364A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英ルツボに磁場を印加することによって、石英ルツボの内表面の劣化を防止または修復をした後、シリコン単結晶を製造する、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法＝ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チョクラルスキー法により石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引上げる際に、石英ルツボの内表面は、高温のシリコン融液にさらされ、その結果、その表面状態が変化して、劣化する、すなわち、クリストバライトと呼ばれる、シリコン融液に難溶性の物質がルツボ内表面より剥離する状態になる。このような状態になった石英ルツボの内表面から、この難溶性の物質が剥離し、剥離した難溶性の物質が、引上げ中のシリコン単結晶の表面に付着すると、単結晶が乱れ、シリコン単結晶が有転位化してしまう。
【０００３】
特に、近年の半導体デバイスの高集積化、高精度化の下で要求される８インチφ以上の大口径のシリコン単結晶の製造においては、このような石英ルツボの内表面の劣化が起こり易く、有転位化のトラブルが発生し易い。なぜならば、８インチφ以上の大口径のシリコン単結晶を製造するためには、例えば６００ｍｍ以上の大口径の石英ルツボを使用しなければならないが、この大口径の石英ルツボ内で大量のシリコン原料を溶融し、得られるシリコン融液を維持するためには、加熱体である黒鉛ヒーターのパワーを大きくしなければならず、その結果石英ルツボ自体がより高温に加熱されることとなって、石英ルツボはより高温に加熱されるほど、高温のシリコン融液に接触しているその内表面の劣化が起こり易くなるからである。また、このような大口径の石英ルツボ内からシリコン単結晶を引上げるためには、結晶成長の位置、つまり中心部の温度をシリコン融液が固化する温度としなければならないが、中心部の温度をシリコン融液が固化する温度にするためには、小口径の石英ルツボよりも黒鉛ヒーターと中心部とが離れているために、黒鉛ヒーターのより強いパワーが必要となる結果、石英ルツボがより高温に加熱され、石英ルツボは、より高温に加熱されている状態で、シリコン融液にさらされているその内表面の劣化がより起こり易いからである。
【０００４】
また、同一の石英ルツボから、シリコン原料をリチャージすることによって、複数本のシリコン単結晶を製造するマルチプーリング法（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＦｕｍｉｏＳｈｉｍｕｒａ，ｐ．１７８−ｐ．１７９，１９８９参照）や、石英ルツボにシリコン原料を供給しながらシリコン単結晶の製造を行う連続チャージ法（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法＝ＣＣＺ法）においては、一つの石英ルツボあたりの操業時間が長くなり、それに伴って石英ルツボの内表面が劣化してシリコン単結晶の有転位化が起こるために、マルチプーリング法では、さらなるシリコン単結晶の製造ができなくなり、また、連続チャージ法においては、シリコン単結晶の製造の中止を余儀なくされるといった問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、石英ルツボの内表面の劣化を起こり難くし、また、一旦起こった石英ルツボの内表面の劣化を修復して、大口径のシリコン単結晶を有転位化させないで製造できる、あるいはマルチプーリング法では同一の石英ルツボからより多数のシリコン単結晶を製造することができ、また、連続チャージ法では同一のルツボ内でより長時間操業ができてより長尺のシリコン単結晶を製造することができる、シリコン単結晶の製造方法が所望されていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加することによって、石英ルツボの内表面の劣化を起こり難くでき、また、一旦起こった石英ルツボの内表面の劣化を修復できることを見いだした。
そこで、本発明は、シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加した後、磁場を印加しない状態でシリコン単結晶を成長させてシリコン単結晶を得ることを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法を要旨とし、特に、シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加し、次いで石英ルツボに磁場を印加しながら石英ルツボを回転させた後、磁場を印加しない状態でシリコン単結晶を成長させてシリコン単結晶を得ることを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法を要旨とするものである。
【０００７】
シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加すると、石英ルツボの内表面の劣化が起こり難くなり、また、一旦起こった石英ルツボの内表面の劣化が修復される詳細な理論は明らかではないが、本発明者らは次のように考えている：シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加すると、石英ルツボ内のシリコン融液の対流は電磁力により抑制される。この状態で石英ルツボを強制的に回転させると、その場にとどまろうとするシリコンと、回転する石英ルツボとの間で相対的な速度差が生じ、その結果、石英ルツボの溶解速度が高まり、それによって、ルツボ内表面に難溶性の物質ができ難くなる、すなわち、石英ルツボの内表面の劣化が防止される、また、石英ルツボの溶解速度が高まることによって、石英ルツボの内表面にできた難溶性の物質が剥離せず溶解し易くなり、石英ルツボの内表面が平滑化する、すなわち石英ルツボの内表面の劣化が修復されるのである。
【０００８】
本発明のシリコン単結晶の製造方法には、Ｉ）最初のシリコン単結晶の製造前に石英ルツボに磁場を印加する場合、ＩＩ）一本またはそれ以上のシリコン単結晶の製造後、さらなるシリコン単結晶の製造前に磁場を印加することを１回または複数回繰り返す場合、およびＩＩＩ）最初のシリコン単結晶の製造前に石英ルツボに磁場を印加し、かつ、一本またはそれ以上のシリコン単結晶の製造後、さらなるシリコン単結晶の製造前に磁場を印加することを一回または複数回繰り返す場合がある。
上記Ｉ）では、石英ルツボの内表面の劣化を起こり難くし、ＩＩ）では、石英ルツボの内表面の劣化を修復し、ＩＩＩ）では、石英ルツボの内表面の劣化を起こり難くすると共に、一旦起こった石英ルツボの内表面の劣化を修復することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を用いて説明する。
図１は、本発明のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法に使用される装置の一例を示す縦断面図である。
図１に示されているように、引上げ室（金属チャンバー）２のほぼ中央に、黒鉛サセプター９に保持された石英ルツボ６を設ける。黒鉛サセプター９は、保温体１０で囲まれた黒鉛ヒーター１３によって囲繞されている。黒鉛サセプター９の底部中央を、回転・上下自在の支持軸１１で下方より支持する。引上げ室２の天井中央には、開口部１２を設け、これにサブチャンバー１を接続する。サブチャンバー１の中を通って、回転・上下自在の引上げ軸３が降下する。引上げ室２の外側には、石英ルツボに磁場を印加するための磁石８が設けられている。
【００１０】
大口径のシリコン単結晶を製造する場合には、シリコン単結晶５の直径が大きいために、それに対応して、シリコン融液７の量を増やさなければならず、従ってそれを保持する石英ルツボ６の直径を大きくしなければならない。
連続チャージ法でシリコン単結晶を製造する場合には、原料の多結晶シリコンを供給しながらシリコン単結晶を引上げるので、原料の多結晶シリコンを供給するための供給管（図示せず）をさらに設ける必要がある。
【００１１】
そして、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造は、通常、次のようにして行われる：
１）石英ルツボ６内に原料の多結晶シリコンを充填し、これを、黒鉛ヒーター１３により加熱、溶融してシリコン融液７とする。
２）次いで、先端に種結晶４を保持した回転・上下自在の引上げ軸３を降下させ、種結晶４をシリコン融液７に浸漬させる。
３）次いで、引上げ軸３を回転・上昇させ、また、支持軸１１を回転させながら、種結晶４の下でシリコン単結晶５を成長させて、シリコン単結晶を得る。
【００１２】
本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、例えば、
ｉ）上記工程１）を行った後に、石英ルツボの内表面の劣化を防止するために石英ルツボに磁場を印加した後、工程２）および３）を行うか、または、
ｉｉ）上記１）〜３）の工程を１回行った後に、上記工程１）を行い（これはリチャージに当たる）、石英ルツボの内表面の劣化を修復するために石英ルツボに磁場を印加しそして工程２）および３）を行うことを、１回または複数回繰り返す（マルチプーリング法）か、または、
ｉｉｉ）上記工程１）を行い、石英ルツボの内表面の劣化を防止するために石英ルツボに磁場を印加し、工程２）および３）を行った後、工程１）を行い（これはリチャージに当たる）、石英ルツボの内表面の劣化を修復するために石英ルツボに磁場を印加しそして工程２）および３）を行うことを、１回または複数回繰り返す（マルチプーリング法）。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
実施例１
シリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加した場合と、印加しない場合との、石英ルツボからシリコン融液への石英の溶解速度の違いを調べた。磁場の印加方法は、水平磁場方式であり、磁場強度（ＭＦ）は、石英ルツボの中心線（結晶成長軸方向）のいずれかの位置で最大４０００ガウス（０．４Ｔ）となるように設定した。結果を図２に示す。
図２は、石英ルツボに磁場を印加した場合および磁場を印加しない場合の、ルツボの回転速度と、石英ルツボからシリコン融液への石英の溶解速度との関係を示すグラフである。図２から、磁場を印加した場合（ＭＦ＝０．４Ｔ）には、磁場を印加しない場合（ＭＦ＝０Ｔ）よりも、石英の溶解速度が速く、磁場を印加した場合と磁場を印加しない場合との石英の溶解速度の差は、ルツボの回転速度が大きい場合ほど、大であることがわかる。
【００１４】
次いで、上記両方の場合の石英ルツボの内表面の状態を調べた。結果を図３に示す。
図３（ａ）は、石英ルツボに磁場を印加した場合の石英ルツボの内表面の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、石英ルツボに磁場を印加しない場合の石英ルツボの内表面の状態を示す図である。図３からわかるように、磁場を印加した場合には、石英ルツボの内表面は平滑であって、石英ルツボの内表面は劣化していないが、磁場を印加しない場合には、石英ルツボの内表面に多数のクリストバライトが生じていて、石英ルツボの内表面は劣化している。
【００１５】
実施例２（マルチプーリング法による上記ｉｉ）の例）
外径が約６１０ｍｍの石英ルツボを１０個用意した。これらの石英ルツボから、直径が約２００ｍｍのシリコン単結晶を磁場を印加しないで製造した。その後、これらの石英ルツボ内に多結晶シリコンをリチャージし、これを加熱、溶融して、元のシリコン融液量とした。
次いで、シリコン融液が満たされたこれら１０個の石英ルツボのうち５個の石英ルツボに、ルツボの中心線（結晶成長軸方向）のいずれかの位置での磁場強度が最大４０００ガウスとなるように水平磁場方式で磁場を印加して、石英ルツボ内のシリコン融液の対流を抑制し、引き続き磁場を同様に印加しながら、石英ルツボを１回転／分で１２０分間回転させた、すなわちルツボの内表面の劣化修復処理を行った。次いで、磁場の印加を停止し、磁場を印加しない状態で、シリコン単結晶を成長させて、シリコン単結晶を得た。リチャージ、磁場の印加およびシリコン単結晶の成長を繰り返して、一つの石英ルツボから６本のシリコン単結晶棒を製造した。
残りの５個の石英ルツボには磁場を印加しないで、石英ルツボを１回転／分で１２０分間回転させた、すなわち石英ルツボの内表面の劣化修復処理を行わなかった。次いで、シリコン単結晶を成長させて、シリコン単結晶棒を得た。
【００１６】
石英ルツボに磁場を印加して石英ルツボの内表面の劣化修復処理を行った場合、同一の石英ルツボから製造された６本のシリコン単結晶のうち、最大６本が無転位のシリコン単結晶であった。
他方、石英ルツボに磁場を印加しないで、すなわち石英ルツボの内表面の劣化修復処理を行わないで、同一の石英ルツボから製造された２本のシリコン単結晶については、２本目のシリコン単結晶５本中の４本が有転位化していた。
【００１７】
これらの結果を表１に示す。
【表１】

【００１８】
これらの結果から、本発明の方法によれば、マルチプーリング法により、同一のルツボから、著しくより多数の大口径のシリコン単結晶を転位なしで製造できることがわかる。
さらに、シリコン単結晶の製造後、磁場を印加したルツボと、磁場を印加しなかったルツボの内表面の状態を調べた。磁場を印加したルツボの内表面は平滑であって劣化していなかった。これに対して、磁場を印加しなかったルツボの内表面はシリコン融液に難溶性の物質が剥離する状態であって劣化していた。
【００１９】
実施例３（連続チャージ法による上記ｉ）の例）
外径が約６１０ｍｍの石英ルツボ内に多結晶シリコンを充填し、これを加熱、溶融してシリコン融液とした。このシリコン融液が満たされた石英ルツボに、ルツボの中心線（結晶成長軸方向）のいずれかの位置での磁場強度が最大４０００ガウスとなるように水平磁場方式で磁場を印加して、石英ルツボ内のシリコン融液の対流を抑制した後、引き続き磁場を同様に印加しながら、石英ルツボを１回転／分で１２０分間回転させて、石英ルツボの内表面の劣化防止処理を行った。次いで、磁場を印加しない状態で、直径が約２００ｍｍのシリコン単結晶を、連続チャージ法で製造した。操業時間は２５０時間とした。
得られたシリコン単結晶は、最後まで有転位化することはなかった。
この結果から、本発明の方法によれば、石英ルツボの内表面の劣化が起こり難くなるために、連続チャージ法で大口径のシリコン単結晶を製造する場合であっても、非常に長時間の操業が可能であることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、石英ルツボの内表面の劣化が起こり難くなり、また、一旦起こった石英ルツボの内表面の劣化が修復されるために、大口径のシリコン単結晶を有転位化なしで製造でき、さらに、大口径のシリコン単結晶を製造する場合でも、同一の石英ルツボから著しくより多数のシリコン単結晶を製造でき、また、同一の石英ルツボ内でのより長時間の操業が可能となり、より長尺のシリコン単結晶を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法に使用される装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】石英ルツボに磁場を印加した場合および印加しない場合の、ルツボの回転速度と、石英ルツボからシリコン融液への石英の溶解速度との関係を示すグラフである。
【図３】
（ａ）石英ルツボに磁場を印加した場合の石英ルツボの内表面の状態を示す図である。
（ｂ）石英ルツボに磁場を印加しない場合の石英ルツボの内表面の状態を示す図である。
【符号の説明】
１…サブチャンバー、２…引上げ室、
３…引上げ軸、４…種結晶、
５…シリコン単結晶、６…石英ルツボ、
７…シリコン融液、８…磁石、
９…黒鉛サセプター、１０…保温体、
１１…支持軸、１２…開口部、
１３…黒鉛ヒーター。

Claims

シリコン単結晶の製造前にシリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加した後、磁場の印加を停止し、磁場を印加しない状態でシリコン単結晶を成長させてシリコン単結晶を得ることを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法。
シリコン単結晶の製造前にシリコン融液が満たされた石英ルツボに磁場を印加し、次いで石英ルツボに磁場を印加しながら石英ルツボを回転させた後、磁場の印加を停止し、磁場を印加しない状態でシリコン単結晶を成長させてシリコン単結晶を得ることを特徴とする、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法。
最初のシリコン単結晶の製造前に、石英ルツボに磁場を印加する、請求項１または２記載の方法。
一本またはそれ以上のシリコン単結晶の製造後、さらなるシリコン単結晶の製造前に、石英ルツボに磁場を印加することを１回または複数回繰り返す、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。