JP3991813B2

JP3991813B2 - シリコン単結晶成長方法

Info

Publication number: JP3991813B2
Application number: JP2002245053A
Authority: JP
Inventors: 勇宮本; 秀樹藤原
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP2004083320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いたシリコン単結晶育成方法に関し、更に詳しくは、絞り工程での結晶径の変動を防止するために磁場印加を行うシリコン単結晶育成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板に用いられるシリコン単結晶の製造方法には種々の方法があるが、工業的に広く使用されている方法は回転引上げ法であるＣＺ法である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、図３に示すように、チャンバ内に配置されたルツボ１が使用される。このルツボ１は、シリコンの溶融液１３を収容する石英ルツボ１ａを外側から黒鉛ルツボ１ｂで保持する２重構造であり、回転及び昇降が可能な支持軸６の上に固定されている。
【０００３】
操業では、まずルツボ１内に充填された結晶用シリコン原料を、ルツボ１の外側に略同心円状に配置された円筒形状の抵抗加熱式ヒータ２により所定雰囲気中で溶融して、溶融液１３を形成する。次いで、ルツボ１の中心軸上に配置され下端に種結晶１５が装着された引上げ軸５を降下させて、種結晶１５を溶融液１３に浸漬する。そして、ルツボ１及び引上げ軸５を所定方向に所定速度で回転させつつ、引上げ軸５を上方へ引上げて、種結晶１５の下方にシリコン単結晶１２を成長させる。
【０００４】
このようなＣＺ法では、種結晶１５に元から含まれる転位や着液時の熱ショックで導入される転位を除去するために、着液後に種結晶１５を直径３ｍｍ程度まで細く絞る操作が行われる。これが絞り工程である。その後、結晶径を徐々に増大させて、最終的には製品径に収束させる。これにより、細い絞り部の下に、直径が徐々に増大した肩部が形成され、更にその下に定径の直胴部が形成される。結晶径を徐々に増大させて肩部を形成する工程が増径工程であり、定径の直胴部を形成する工程が定径工程である。
【０００５】
ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造に使用される石英ルツボは、シリコンの溶融液と接することにより、表面が溶融液中に溶け、溶融液中に酸素を放出する。こうして溶融液中に溶け込んだ酸素は、その一部がシリコン単結晶中に取り込まれ、シリコン単結晶の品質に様々な影響を及ぼす。そのため、ＣＺ法では、シリコン単結晶中に取り込まれる酸素量を制御することが重要な技術課題となる。
【０００６】
そして、このような酸素濃度の制御を行う方法の一つとして、ＭＣＺ（Magnetic-field-applied CZ ）法と呼ばれる磁場印加ＣＺ法がある。この方法は、石英ルツボ内の溶融液に磁場を印加することにより、磁力線に直行する方向の対流を抑制し、制御するものである。磁場の印加方法には種々の方法があるが、なかでも特に、水平方向に磁場印加を行うＨＭＣＺ（Horizontal MCZ）法の実用化が進んでいる。ここで用いられる磁場強度は通常０．３〜０．４テスラである。
【０００７】
ところで、近年の傾向として、育成される単結晶の直径及び重量が急速に増大しており、現状では直径が３００ｍｍで重量は２００ｋｇを超える結晶も生産されている。そして、結晶重量は更に増える傾向にある。ところが、通常のＣＺ法の絞り工程における絞り部の直径（３ｍｍ程度）では、そのような大重量の結晶を保持するのが困難である。また、溶融液の対流による液温変動に伴って絞り部でも径変動が生じ、その結果として直径が部分的に細くなると、大重量結晶の保持は更に困難になる。
【０００８】
このような絞り部の径変動の問題を解決する手段として、特開平１０−７４８７号公報、特開平９−１６５２９８号公報及び特開平１１−２０９１９７号公報等により提示されている、絞り工程における磁場印加がある。
【０００９】
具体的に説明すると、特開平１０−７４８７号公報では、ＭＣＺ法における絞り工程で０．２テスラ以下の磁場印加を行い、絞り工程に続く増径工程では、定径工程に向けて０．２テスラ超まで磁場を強くすることが説明されている。
【００１０】
特開平９−１６５２９８号公報では、通常のＣＺ法における絞り工程で０．１５テスラ以上の磁場印加を行い、絞り工程に続く増径工程では、定径工程に向けて無磁場まで磁場を弱めることが説明されている。
【００１１】
特開平１１−２０９１９７号公報では、ＭＣＺ法における絞り工程及び増径工程で定径工程より弱い磁場印加を行うか無磁場とすることが開示されており、具体例としては絞り工程で０．１テスラの水平方向磁場を印加し、増径工程でその磁場を０．１テスラから０．４テスラまで強め、定径工程では０．４テスラの磁場印加を行うことが示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
これから分かるように、絞り工程における磁場印加は、絞り工程に続く増径工程での磁場操作によって、その磁場を強める方法と弱める方法の２種類に大別される。いずれの方法でも、絞り工程で磁場印加を行うことにより、溶融液の対流が抑制され、絞り部の径変動が抑制される。
【００１３】
ところが、絞り工程に続く増径工程で磁場を強めたり、絞り工程での磁場強度をそのまま維持すると、増径工程で有転位化を頻発するという問題がある。この理由は以下のように考えられる。
【００１４】
シリコン溶融液中に磁場を印加した場合、「野上裕：日本機械学会第１１回計算力学講演会講演論文集（１９９８）Ｐ４１４」に記載されているように、ルツボの中心を通り磁場印加方向に平行な面に対して対称となるロール状の流れが生じる。増径工程初期のように溶融液の温度が比較的高い状態では、この流れも強く、溶融液中に存在する異物が成長界面に輸送され、有転位化が促進されることになる。
【００１５】
これに対し、特開平９−１６５２９８号公報に記載されているように増径工程で磁場印加を停止すると、上述したロール状の対流はなくなり、この対流による成長界面への異物輸送、及びこれによる有転位化は防止される。しかし、その一方では、消磁に伴う対流変化による温度差が増大し、結晶径が急増して制御不能に陥る危険性のあることが判明した。
【００１６】
また、磁場印加が行われる絞り工程においても、ルツボの回転数によっては、磁場によって制止される溶融液とルツボ回転との相互作用によって溶融液の温度変動が大きくなり、絞り部の径変動が十分に抑制されない問題が生じる。この問題は、直径が７００ｍｍ以上の大口径ルツボを使用して直径が２００ｍｍ以上の大径結晶を引上げる場合に顕著となる。
【００１７】
本発明の目的は、絞り工程での径変動を安定的に抑制でき、合わせて増径工程での有転位化も制御不能も回避できるシリコン単結晶成長方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは絞り部の形成に及ぼす磁場印加の影響、更には磁場以外の諸因子による影響を詳細に調査検討した。その結果、以下の事実が判明した。
【００１９】
第１に、絞り部の径変動を抑制するためには、溶融液への磁場印加、とりわけ水平方向の磁場印加が有効である。第２に、絞り工程で磁場印加を行った場合に問題となる増径工程での有転位化を抑制するためには、増径工程で磁場印加を停止することが不可欠である。第３に、増径工程での消磁に伴う径制御の不安定化に対しては、絞り工程で印加する磁場をできるだけ弱くして、消磁したときの物理的変化を小さくするのが有効である。第４に、磁場印加により絞り部の径変動を抑制する場合、ルツボの回転数も径変動の抑制に対して重要因子となり、その回転数をできるだけ小さく抑えることが必要である。
【００２０】
本発明のシリコン単結晶成長方法は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、ルツボ内に結晶用シリコン原料を充填して溶融し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を成長させるＣＺ法によるシリコン単結晶成長方法において、転位を除去するための絞り工程でルツボ回転数を１ｒｐｍ以下とすると共に、水平方向に０．１テスラ以下の磁場を印加し、絞り工程から増径工程に移行する段階でその磁場印加を停止するするものである。
【００２１】
絞り部の径変動を抑制するためには、水平磁場の印加により溶融液の対流を抑制するのが有効である。しかしながら、０．１テスラを超える磁場を用いると、磁場印加を停止した場合に対流変化に伴う温度差が増大し、結晶径が急増して制御不能に陥る。従って、絞り工程で用いる磁場強度は０．１テスラ以下とし、０．０８テスラ以下が特に好ましい。なお、絞り部の径変動の主因である溶融液の対流を抑制するためには０．０３テスラ程度の微弱磁場でも十分に有効である。この観点から、磁場強度の下限については０．０１テスラ以上が好ましく、０．０３テスラ以上が特に好ましい。
【００２２】
絞り工程における磁場印加を、大口径ルツボを使用した大径の大型単結晶の引上げに適用した場合、絞り工程におけるルツボ回転数が大きいと、磁場により制止される溶融液とルツボ回転との相互作用によって溶融液の温度変動が大きくなり、磁場印加を行っているにもかかわらず、むしろ逆効果になって絞り部の径変動が大きくなり、大重量結晶の保持が困難になる。このため、磁場印加下では絞り工程でのルツボ回転数は１ｒｐｍ以下とする。このルツボ回転数の下限については、特に限定されるものではなく、ルツボ回転を停止さえしなければよい。装置精度上、ルツボの安定な回転を維持する観点からは、０．２ｒｐｍ以上がよい。
【００２３】
磁場停止後、このような低ルツボ回転のままで増径工程を行うと、ルツボ内の外周部から中心部に向かう自然対流が発生し、異物を成長界面に運搬するために、有転位化が生じやすくなる。この問題に対しては、ルツボ回転数を増加し、遠心力やそれに伴う強制対流により異物の運搬を阻止するのが有効である。具体的には、増径工程中で結晶径が１００ｍｍに達するまでにルツボ回転数を３ｒｐｍ以上に変更するのが好ましい。
【００２４】
以上により安定した絞り工程、増径工程が可能になり、更に、増径工程から定径工程への移行時に再び磁場を印加し、ルツボ回転数を所定の回転数に変更することにより、大重量のＨＭＣＺ法も可能となる。定径工程での磁場強度としては０．１〜０．４テスラが好ましく、ルツボ回転数としては０．２〜１０ｒｐｍが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のシリコン単結晶成長方法の実施に適したＣＺ引上げ炉の縦断面図、図２はルツボ回転数の変更パターンを例示するグラフである。
【００２６】
まず、本実施形態のシリコン単結晶成長方法に使用されるＣＺ引上げ炉の構造について説明する。
【００２７】
本ＣＺ引上げ炉は、炉体であるチャンバ７として、円筒形状のメインチャンバ７ａと、メインチャンバ７ａ上に載置された小径のプルチャンバ７ｂとを備えている。
【００２８】
メインチャンバ７ａ内の中心部には、ルツボ１が配置されている。ルツボ１は、シリコンの溶融液１３を収容する石英ルツボ１ａを外側から黒鉛ルツボ１ｂで保持する２重構造であり、回転及び昇降が可能な支持軸６の上に固定されている。
【００２９】
ルツボ１の外側には、円筒形状の抵抗加熱式ヒータ２が略同心円状に配置されている。ヒータ２の更に外側には、円筒形状の保温筒８ａが、メインチャンバ７ａの内面に沿って配置されている。メインチャンバ７ａの底部上には保温板８ｂが配置されている。
【００３０】
ルツボ１の中心軸上には、引上げ軸５であるワイヤがプルチャンバ７ｂを通じて同心状に吊設されている。引上げ軸５は下端に種結晶１５を保持しており、プルチャンバ７ｂの最上部に設けられた巻き取り機構により回転駆動されると共に昇降駆動される。
【００３１】
一方、メインチャンバ７ａの外側には、ルツボ１内の溶融液１３に水平方向の磁場を印加するために１組の超電導磁石３０ａ，３０ｂが対向して配置されている。
【００３２】
次に、このような引上げ炉を使用して直径が３００ｍｍのシリコン単結晶１２を育成する方法について説明する。
【００３３】
結晶用シリコン原料を３００ｋｇ充填し不純物としてのリンを加えたルツボ１をチャンバ７内にセットする。石英ルツボ１ａの直径は７５０ｍｍである。チャンバ７内を２５Ｔｏｒｒに減圧し、不活性ガスとして１００Ｌ／ｍｉｎのＡｒガスを導入する。ルツボ１内の結晶用シリコン原料及びリンをヒータ２により加熱溶融して、溶融液１３を形成する。
【００３４】
溶融液１３を形成した後、超電導磁石３０ａ，３０ｂによりその溶融液１３に０．０５テスラの水平方向磁場を印加し、融液温度が安定した後、種結晶１５を溶融液１３に浸漬し、ルツボ１及び引上げ軸５を所定方向に所定速度で回転させつつ、引上げ軸５を上方へ引上げて、結晶径を１５ｍｍから５ｍｍまで縮小した。この絞り工程におけるルツボ１の回転数は１．０ｒｐｍ、引上げ軸５の回転数は１０ｒｐｍとした。磁場強度は０．０５テスラを維持した。
【００３５】
絞り工程が終わると直ちに磁場印加を停止し、増径工程に移行した。増径工程では、結晶径が１００ｍｍとなる時点でルツボ回転数が５ｒｐｍとなるようにルツボ回転数を結晶径の増大に伴って増大させた。その後は、ルツボ回転数を５ｒｐｍに維持したままで、結晶径を３１０ｍｍまで増大させ、増径部（肩部）１２ａを完成させた。
【００３６】
そして、結晶径が３１０ｍｍに達した時点で定径工程に移行し、長さ１４００ｍｍの直胴部１２ｂを育成した。育成された単結晶１２の総重量は２７０ｋｇである。絞り工程での印加磁場強度を０．１テスラ以下に下げると共に、ルツボ回転数を１ｒｐｍ以下に下げ、増径工程で消磁したことにより、絞り部の径変動が僅かに抑制され、目標値である５ｍｍがほぼ全長にわたって維持されると共に、増径工程でも安定な径制御が続行され、その結果として安定な引上げが行われた。また、結晶品質も良好であった。
【００３７】
別の実施例として、増径工程までは先の実施例と同じに行い、結晶径が３００ｍｍに達した時点で０．０３テスラの水平方向磁場を印加すると共に、ルツボ回転数を５ｒｐｍから１ｒｐｍに変更した。そして、１４００ｍｍの直胴部を育成した。安定な引上げが行われたのは勿論のこと、ＤＦ性、品質とも問題なかった。
【００３８】
比較のために、通常のＣＺ法（無磁場）で形成した絞り部に対して引張試験を実施したところ、表１のように、３００ｍｍ未満の荷重で破断が生じ、３００ｋｇ以上の単結晶を引上げることができないことが判明した。
【００３９】
【表１】

【００４０】
また、絞り工程で磁場を印加しても、その強度が０．１テスラを超える例えば０．３テスラの場合は、増径工程への移行時に磁場印加を停止したにもかわらず、結晶径が１００ｍｍに達するまでの間に有転位化が生じた。なお、ルツボ回転数は図２のパターンとした。
【００４１】
また、絞り工程で印加する磁場強度が０．１テスラ以下の例えば０．０５テスラであり、且つ増径工程への移行時に磁場印加を停止した場合であっても、絞り工程でのルツボ回転数が１ｒｐｍを超える例えば３ｒｐｍの場合は絞り工程における径変動が大きくなり、大重量結晶を保持することが困難となる。
【００４２】
また、絞り工程で印加する磁場強度が０．１テスラ以下の例えば０．０５テスラで、且つ絞り工程でのルツボ回転数が１．０ｒｐｍの場合であっても、増径工程で引き続き磁場印加を行った場合は増径工程の初期において有転位化が頻発した。なお、ルツボ回転数は図２のパターンとした。
【００４３】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のシリコン単結晶成長方法は、転位を除去するための絞り工程でルツボ回転数を１ｒｐｍ以下に制限すると共に、水平方向に０．１テスラ以下の微弱磁場を印加し、且つ、絞り工程から増径工程に移行する段階でその磁場印加を停止することにより、絞り工程での径変動を安定的に抑制でき、増径工程での有転位化及び制御不能も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶成長方法の実施に適したＣＺ引上げ炉の縦断面図である。
【図２】ルツボ回転数の変更パターンを例示するグラフである。
【図３】ＣＺ法によるシリコン単結晶成長方法の説明図である。
【符号の説明】
１ルツボ
２ヒータ
５引上げ軸
６支持軸
７チャンバ
１２単結晶
１３溶融液
１５種結晶
３０超電導磁石

Claims

ルツボ内に結晶用シリコン原料を充填して溶融し、その溶融液に浸漬した種結晶を回転させながら引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を成長させるＣＺ法によるシリコン単結晶成長方法において、転位を除去するための絞り工程でルツボ回転数を１ｒｐｍ以下とすると共に、水平方向に０．１テスラ以下の磁場を印加し、絞り工程から増径工程に移行する段階でその磁場印加を停止することを特徴とするシリコン単結晶成長方法。
増径工程中で結晶径が１００ｍｍ以下の時点でルツボ回転数を３ｒｐｍ以上に変更することを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶成長方法。
増径工程から定径工程への移行時に再び磁場を印加し、ルツボ回転数を所定の回転数に変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン単結晶成長方法。
直径が７００ｍｍ以上の大口径ルツボを使用して直径が２００ｍｍ以上の大径結晶を引上げることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のシリコン単結晶成長方法。