JP3760769B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、チョクラルスキー法（Czochralski Method、ＣＺ法）による引上げ装置のルツボ内に収納したシリコン融液に磁場を印加しつつ、融液からシリコン単結晶を引上げるＭＣＺ法（Magnetic field applied Czochralski Method）に関し、より詳しくは、ＭＣＺ法によるシリコン単結晶製造に用いる石英ルツボの内表面の劣化を防止してシリコン単結晶を製造する方法に関する。
背景技術
半導体素子の製造に用いられるシリコン単結晶ウエーハは、主に直径の大口径化に有効なＣＺ法により製造されている。さらに近年では素子の高集積化に伴うチップサイズの大型化への対応として大直径シリコン単結晶の製造が求められている（NIKKEI MICRODEVICES 1992,11）。
ここで、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造においては、石英ルツボ内に充填した多結晶シリコンを溶解し、その融液からシリコン単結晶を製造するので、石英ルツボの内表面は高温のシリコン融液に曝される。その結果、クリストバライトと呼ばれるシリコン融液に対して難溶性の物質がルツボ内表面に形成され、これがシリコン単結晶成長中に石英ルツボ内表面から剥離し、シリコン融液中に放出される。この剥離した難溶性物質が育成中のシリコン単結晶の成長界面に付着すると、熱歪み等を緩和するために転位が導入され、結晶が有転位化する原因となっている。
このため、同一の石英ルツボからシリコン原料多結晶をリチャージすることにより複数本のシリコン単結晶棒を連続的に製造するマルチプリング法（Fumio Shimura,Semiconductor Silicon Crystal Technology,p.178〜p 179,1989）等では石英ルツボの寿命の点から得られるシリコン単結晶棒の本数に限りがあった。
また、最近では、例えば特開平６−５６５８８号公報に開示されているように、シリコン単結晶中のグローンイン欠陥低減のために、シリコン単結晶製造中の育成速度を従来の１．０ｍｍ／ｍｉｎから０．８ｍｍ／ｍｉｎ以下に低下させることによりシリコン単結晶の品質を向上させる方法が開示されている。しかし、シリコン単結晶の成長速度を低下させることにより製造時間が延び、従って、石英ルツボ内表面の劣化が進行してしまう。そのために有転位トラブルが起こり易く、結晶の歩留りが悪くなり、製造コストが高くなると言う問題が発生してきた。
一方、ＭＣＺ法による石英ルツボ内表面の劣化抑制については、例えば、特開平８−３３３１９１号公報に開示されているように、水平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することにより、融液が石英ルツボを溶解侵食し難くなり、ルツボの寿命が伸びることが示唆されているが、その具体的な条件等の記載はなされていない。
さらに、カスプ型ＭＣＺ法については、例えば、特開平３−５０５４４２号公報等に開示されているように、シリコンメルトと結晶成長界面の磁場強度を弱くすることが記載されているに過ぎない。
発明の開示
そこで、本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、磁場を印加するＣＺ法によるシリコン単結晶の製造において、石英ルツボの寿命を延ばし、マルチプリングでの石英ルツボ１個における引上げ単結晶本数が増えることにより石英ルツボの原単位を減少させ、かつ石英ルツボの交換に要する時間を削減することにより、工業的に安価なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。さらに、低速成長による高品質シリコン単結晶の製造時に、石英ルツボの寿命を長くして高品質シリコン単結晶を効率的に製造する方法を提供することも目的とする。
上記課題を解決するため本発明は、磁場を印加するチョクラルスキー法により、単結晶棒を引上げて成長させるシリコン単結晶の製造方法において、同一の石英ルツボを用いてシリコン単結晶を製造する時間が、１００時間以上であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
このように、ＭＣＺ法により石英ルツボ内のシリコン融液に対して磁場を印加すれば石英ルツボ内表面の劣化が著しく抑制され、石英ルツボの寿命が長くなり、石英ルツボを用いてシリコン単結晶を製造する時間を１００時間以上に長期安定化することができる。従って、有転位シリコン単結晶が発生することは殆ど無くなり、無転位シリコン単結晶の歩留りと生産性の向上を図るとともに、コストを著しく改善することができる。
そしてこの場合、引上げ装置の左右に電磁石を対象に配置することにより印加する磁場を、ルツボ内のシリコン融液に対して水平の磁場分布を形成するものとすることができる。
このようにルツボ内のシリコン融液に対して水平磁場を印加すれば、融液の対流が抑制され、石英ルツボ内表面を侵食する力が減殺され、劣化の進行が抑えられる。従って、石英の劣化により剥離した難溶性物質が単結晶に付着して単結晶が乱れ、有転位化して多結晶成長になってしまう等の操業性の悪化を防止することができる。また、石英ルツボの寿命が著しく改善されたため、石英ルツボの交換頻度が減少し、単結晶棒当りの石英ルツボ原単位が低減し、コストダウンを図ることができる。
さらにこの石英ルツボの劣化防止の効果については、引上げ装置の周囲に電磁石を上下に配置することにより印加する磁場を、ルツボ内のシリコン融液に対してカスプ型の磁場分布を形成するものとすることができる。
このようにカスプ型磁場によっても水平磁場とほぼ同等の石英ルツボ内表面劣化防止効果が発揮され、無転位化シリコン単結晶の歩留りと生産性の向上を図り、コストの大幅な改善が可能となる。
そして、本発明は、水平の磁場分布またはカスプ型の磁場分布における水平成分磁場強度を、シリコン融液面が石英ルツボ側壁と直交する位置で５００Ｇａｕｓｓ（以下、Ｇと略すことがある）以上とすることが望ましい。
このように、水平磁場を印加する場合も、あるいはカスプ型磁場を印加する場合も、各水平成分磁場強度を、シリコン融液面が石英ルツボ側壁と直交する位置で５００Ｇａｕｓｓ以上とすることが望ましく、このようにすれば、石英ルツボ内表面の劣化の進行を確実に抑制することができ、石英ルツボの寿命を１００時間以上と長期安定化することができる。
次に、本発明は、シリコン単結晶の製造方法において、引上げ速度を０．２〜０．８ｍｍ／ｍｉｎとすることができる。
本発明では、通常の引上げ速度である１ｍｍ／ｍｉｎ前後でも所望の効果を挙げているが、引上げ速度をこのような０．２〜０．８ｍｍ／ｍｉｎの低速範囲内に制御して単結晶を製造しても、前記印加する適切な水平成分磁場強度と相まって、石英ルツボ内表面の劣化が抑制され、操業時間を長くすることができるので、無転位シリコン単結晶棒が得られる本数率が向上し、生産性が大幅に改善されると共に、結晶全面に亙って極低欠陥密度で、酸化膜耐圧特性を向上させたシリコン単結晶を製造することができる。
本発明の同一の石英ルツボを用いる操業時間を１００時間以上に出来る水平磁場あるいはカスプ型磁場により適切な水平成分磁場強度を印加するＣＺ法によってシリコン単結晶棒を引上げれば、石英ルツボ内表面の劣化は殆ど進行せず、ルツボの寿命は長期安定化するので、複数本の単結晶棒を無転位で連続的に製造することができ、生産性と歩留りの向上を図ることが出来るとともに、大幅なコストダウンを達成することができる。
さらに、引上げ速度を０．２〜０．８ｍｍ／ｍｉｎの低速範囲内に制御して単結晶を製造しても、前記印加する適切な水平成分磁場強度と相まって、石英ルツボ内表面の劣化が抑制され、ルツボの寿命が長くなり、無転位シリコン単結晶棒が得られる本数率が向上し、生産性が大幅に改善されると共に、結晶全面に亙って極低欠陥密度で、高い酸化膜耐圧特性を有するシリコン単結晶を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明で使用するカスプ型磁場装置を装備した単結晶製造装置の要部構造を示す概略構成図である。
図２は、シリコン単結晶製造後の石英ルツボ内表面の劣化状態を示す図である。
（ａ）カスプ型磁場を印加した場合、 （ｂ）磁場印加なし。
図３は、石英ルツボ内表面の劣化度と水平成分磁場強度との関係を示す図である。
図４は、石英ルツボ内表面の劣化度とシリコン単結晶製造時間との関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、ＣＺ法によるシリコン単結晶の成長に際し、石英ルツボの内表面が高温のシリコン融液によって侵食され、クリストバライトを生成してこれが剥離し、単結晶表面に付着して転位が発生し、無転位化本数率が上がらない現象を調査、究明した所、ＭＣＺ法を適用した場合に、シリコン融液面に印加される磁場の種類や磁場強度が深く関係していることを見出し、詳細に条件を詰めて本発明を完成させた。
（テスト１）
先ず、図１に示したカスプ型磁場装置を装備したシリコン単結晶の製造装置を使用して、マルチプリング法により、複数の単結晶棒を引上げ、石英ルツボの内表面の状態を観察した。
口径２４インチ（６１０ｍｍ）の石英ルツボに多結晶１５０ｋｇを仕込み、加熱溶融してシリコン融液を形成された後、カスプ型磁場の水平成分磁場強度をシリコン融液面と石英ルツボ側壁とが直交する位置で１５００Ｇとなるように磁場発生装置制御盤によって設定した。不活性ガスとしてＡｒを１００Ｌ／ｍｉｎ流し、シリコン融液に種結晶を浸し、種絞りを経て直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。出来た結晶棒を取り出した後、さらに育成した単結晶と同量の原料多結晶を石英ルツボに仕込み、単結晶の育成を繰り返し、同一の石英ルツボから４本の単結晶棒を引上げた。
こうして、カスプ型磁場を印加してシリコン単結晶を製造した後の石英ルツボ内表面の状態を図２（ａ）に示した。また、磁場を印加しなかった以外は上記と同様の条件により単結晶棒１本を引上げた後の石英ルツボの内表面の状態を図２（ｂ）に示した。
図２（ａ）では、シリコン単結晶を４本製造したにもかかわらず、石英ルツボの内表面は滑らかであり、劣化が抑制されているのが判る。一方、図２（ｂ）では、単結晶を１本製造しただけなのに、石英ルツボの内表面は凹凸が激しく、劣化が進行している様子が明白である。
（テスト２）
次に、水平成分磁場強度の石英ルツボ内表面の劣化に対する影響を調査した。
ここで、石英ルツボ内表面の単位面積当りの滑らかな部分と凹凸部分の面積を測定し、劣化度として凹凸部分の面積比率を算出し指標とした。例えば、測定面積に対して半分が凹凸部分であれば、劣化度は５０％である。
シリコン融液面と石英ルツボ側壁とが直交する位置での水平成分磁場強度を０〜６０００Ｇの範囲として単結晶を製造した。水平磁場を印加した場合は、１８０〜６０００Ｇとし、カスプ型磁場を印加した場合は、３００〜１５００Ｇとした。
水平成分磁場強度を上記とした他、単結晶製造の操業時間を１００時間一定とした以外は、テスト１と同じ条件下で単結晶を製造し、操業後の石英ルツボ内表面の劣化度を評価した。
評価の結果を図３に示した。図３より石英ルツボ内表面の劣化度が１０％以下を基準とした場合、水平磁場、カスプ型磁場ともに５００Ｇ以上となった。
これより、石英ルツボの劣化度が少ない、すなわち石英ルツボの寿命が長い水平成分磁場強度の領域は、５００Ｇ以上であることが判った。
（テスト３）
次いで、石英ルツボの内表面の劣化度に対する操業時間の影響を調査した。
石英ルツボ側壁と融液面が直交する位置での水平成分磁場強度が０〜４０００Ｇの範囲で単結晶製造試験を行った。水平磁場を印加した場合は、単結晶製造時間が７５〜２５０時間の範囲で実施し、カスプ型磁場を印加した場合は、７０〜２００時間の範囲で単結晶を製造した以外は、テスト１と同じ条件下で単結晶を製造し、操業後の石英ルツボ内表面の劣化度を評価した。
評価の結果を図４に示した。図４より磁場を印加しない場合でも、５０時間以内では石英ルツボ内表面の劣化度が３０％以下であるが、５０時間を越えると急速に劣化が進行し、単結晶の製造が困難になった。これに対して、水平磁場あるいはカスプ型磁場を印加した場合には、水平成分磁場強度が５００Ｇ以上の条件で石英ルツボ内表面の劣化度が１０％以下と安定しており、製造時間を１８０時間まで操業しても劣化が見られなかった。従って、石英ルツボ側壁と融液面とが直交する位置での水平成分磁場強度を５００Ｇ以上とすることにより１００時間以上製造時間が経過しても石英ルツボ内表面に劣化が起こらないことが判った。
（テスト４）
カスプ型磁場装置を装備したシリコン単結晶の製造装置を用い、口径２４インチの石英ルツボに多結晶を１５０ｋｇ仕込み、マルチプリング法により直径２００ｍｍのシリコン単結晶の製造を行った。製造条件は、通常の定径部の成長速度が１．０ｍｍ／ｍｉｎにて、磁場無し、３００Ｇ、５００Ｇ、１５００Ｇの四水準にて実施した。また、水平成分磁場強度が１５００Ｇの場合には、製造時間が長くなる定径部の成長速度が０．４ｍｍ／ｍｉｎの低速成長の製造テストも実施した。
シリコン単結晶製造試験の結果を表１に示した。
表１より、水平成分磁場強度が５００Ｇ以上の場合には無転位シリコン単結晶棒が得られる本数率が向上し、生産性が大きく改善された。また、製造時間が長くなる低速成長単結晶の製造においても、無転位シリコン単結晶が得られる本数率が向上し、本発明の有効性を確認することができた。

以上、説明したように、本発明の水平磁場あるいはカスプ型磁場を印加するＣＺ法により、単結晶棒を成長させるシリコン単結晶の製造方法における特徴は、シリコン融液面とルツボ側壁とが直交する位置において、水平磁場分布あるいはカスプ型磁場分布における水平成分磁場強度を５００Ｇ以上とすれば、石英ルツボ内表面の劣化の進行が抑制されて石英ルツボの寿命が１００時間以上にもなり、単結晶品質面においても、有転位トラブルが殆ど発生せず、シリコン単結晶の歩留りと生産性の向上を図ることができると共に、大幅なコストダウンが可能になったことにある。
尚、本発明のシリコン単結晶製造方法では、同一の石英ルツボを用いてシリコン単結晶を製造する時間が１００時間以上であればよく、ルツボの寿命が長い方が望ましいので製造する時間の上限は特に定められないが、５００時間を超えて製造できることが好ましい。また、本発明では、水平成分磁場強度はシリコン融液面が石英ルツボ側壁と直交する位置で５００Ｇ以上であればよく、特に水平成分磁場強度の上限は定められないが、水平磁場であれば１００００Ｇ、カスプ型磁場であれば５０００Ｇが一応の上限として考えられる。
次に、本発明で使用するカスプ型磁場を印加するＣＺ法による単結晶引上げ装置の構成例を図１により説明する。図１に示すように、この単結晶引上げ装置は、チャンバー１と、チャンバー１中に設けられたシリコン融液（湯）４を収容する石英ルツボ６と、石英ルツボ６を支える黒鉛サセプター（ルツボ）７と、黒鉛サセプター７の周囲に配置された黒鉛ヒータ８と、石英ルツボ６を回転させるルツボ回転軸１０及びその回転機構（図示せず）と、シリコンの種結晶１３を保持する種保持具１２と、種保持具１２を引上げるワイヤー１１と、ワイヤー１１を回転又は巻き取る巻取機構（図示せず）を備えて構成されている。また、黒鉛ヒータ８の外側周囲には断熱材９が配置されている。
そして、チャンバー１の外側に、カスプ型磁場発生装置用電磁石２ａ、２ｂをルツボ回転軸１０を中心として軸対称の上下に設置し、電磁石コイルにはそれぞれ逆方向の電流を流してカスプ型磁場を発生させ、磁場発生装置制御盤３により磁場強度を制御してもよい。
本発明では上記カスプ型磁場とは別に、水平磁場の印加も有効であり、磁場発生装置用電磁石２ａ、２ｂをルツボ回転軸１０に対して左右対称に設置し、磁場発生装置制御盤３により磁場強度を制御している。
次に、上記のカスプ型磁場を印加するＣＺ法の単結晶引上げ装置による単結晶育成方法について説明する。
まず、カスプ型磁場発生装置用電磁石２ａ、２ｂを所定の位置に昇降機構（不図示）により配置する。次に、石英ルツボ６内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０℃）以上に加熱して融解する。そして、カスプ型磁場を印加し、不活性ガスとしてＡｒガスを不活性ガス導入管１５より導入しチャンバー１内をガス置換し排気管１６より排出させる。続いてワイヤー１１を巻き出すことにより融液４の表面略中心部に種結晶１３の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ回転軸１０を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤー１１を回転させながら巻き取り、種結晶１３を引上げることにより、シリコン単結晶５の育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒を得ることができる。
以上のように、上記で説明した製造方法と装置によって製造されたシリコン単結晶において、本発明の水平磁場あるいはカスプ型磁場により適切な水平成分磁場強度を印加するＣＺ法の適切な条件下に成長させれば、石英ルツボ内表面の劣化は殆ど進行せず、同一石英ルツボを用いてシリコン単結晶を製造する時間が１００時間以上になり、複数本の単結晶棒を無転位で製造することができ、生産性と歩留りの向上を図ることができ、工業的に安価に製造することができる。
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、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、本発明の実施形態では、直径２００ｍｍ（８インチ）のシリコン単結晶棒を育成しているが、近年の２５０ｍｍ（１０インチ）〜４００ｍｍ（１６インチ）あるいはそれ以上の大直径化にも十分対応することができる。

Claims (2)

1. 磁場を印加するチョクラルスキー法により、単結晶棒を引上げて成長させるシリコン単結晶の製造方法において、前記印加する磁場が、ルツボ内のシリコン融液に対して水平の磁場分布またはカスプ型の磁場分布を形成するものであって、前記水平の磁場分布またはカスプ型の磁場分布における水平成分磁場強度が、シリコン融液面と石英ルツボ側壁との直交する位置で５００Ｇａｕｓｓ以上であり、同一の石英ルツボを用いてシリコン原料多結晶をリチャージすることにより複数本のシリコン単結晶棒を連続的に製造する時間が、１００時間以上であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載したシリコン単結晶の製造方法において、引上げ速度を０．２〜０．８ｍｍ／ｍｉｎとすることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

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