JP5240191B2 - シリコン単結晶引上装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を形成するシリコン単結晶引上装置およびシリコン単結晶引上方法に関するものである。

シリコン単結晶は、坩堝に収容された多結晶シリコン原料をヒータで加熱してシリコン融液とし、ＣＺ（Czochralski）法によりシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させることにより製造される。シリコンウェーハは、上記の方法で製造されたシリコン単結晶をスライス（切断）することにより製造され、このシリコンウェーハ上に集積回路等のデバイスが形成される。

シリコン単結晶は、１枚のシリコンウェーハ上により多くの回路を形成するために、ますます大直径化する傾向にある。一方で、シリコン単結晶の大直径化に伴う単結晶成長技術の課題として、単結晶の低酸素濃度化と品質の安定化、および生産性向上が挙げられる。こうした課題に対して、ＣＺ法に水平磁場を印加したＨＭＣＺ（Horizontal Magnetic field applied CZ）技術の適用により単結晶の低酸素濃度化や結晶成長の安定化を実現する方法が知られている。また、シリコン単結晶とシリコン融液との境界面である固液界面形状を、単結晶の方向に向かって湾曲させた上凸型に維持することによって、単結晶の軸方向温度勾配を固液界面近傍で大きくし、また面内均一化効果を得る方法も知られている（特開２００１−１５８６９０号公報）。

水平磁場印加により、ルツボ内のシリコン融液の対流の不安定な状態は抑制され、安定な対流が得られる。しかし、大口径の結晶を育成するためには大口径のルツボを用い、融液量も増加する。この場合、水平磁場を印加するだけでは十分な効果は得られず、融液対流の不安定な領域が存在することが明らかになった。またヘルムホルツ型のマグネットを用い、互いに平行に配置した２つのマグネット間にシリコン単結晶引上装置のチャンバを配置した場合、コイル径の設計により水平磁場強度の分布が均一な構造が得られるが、必要とされる強度の磁場を得るためには、マグネット自体が巨大なものとなり、大きな装置スペースが必要となるという問題があった。

一方、最近、シリコン単結晶引上装置のチャンバを取り囲むリング状のケースに、マグネットコイルを変形させて組み込んだ省スペース型の水平磁場マグネットが開発されている。この様な省スペース型の水平磁場マグネットの場合、発生する磁場の強度は、コイルの設計スペースの制約により、不均一な分布を示す場合がある。省スペース型の水平磁場マグネットについて、磁場強度分布の測定と結晶成長実験の対比を行った結果、磁場強度分布と磁場設定位置に関係して、シリコン融液に不安定な領域が発生することが明らかになった。

結晶引上時にシリコン融液に不安定な領域が発生した場合、シリコン単結晶内で不純物濃度（酸素濃度等含む）の分布が不均一となり、シリコン単結晶の成長方向で見た場合も、不純物濃度分布が不均一となる。

大口径のシリコン単結晶を育成する場合、生産性向上のため、結晶成長速度を速くできる様に、固液界面形状を上凸形状として結晶成長が多く行われている。その際に、シリコン融液の不安定な領域が発生すると、結晶の引上軸に垂直な断面内（すなわち、単結晶から採取されるウェーハ表面に平行な面内）で、不純物濃度が不均一となり、濃度値が面内で変化するなどの濃度分布が観察される。ここで、不純物濃度とは、酸素濃度、およびシリコン単結晶のキャリア濃度を決定するドーパント濃度のことを意味する。固液界面形状を上凸形状として結晶成長を行う際に、シリコン融液に不安定な領域が発生すると、シリコン単結晶より切り出されるウェーハ面内で、不純物濃度が同心円状に変化する分布が観察される。微小な範囲での、酸素濃度およびドーパント濃度の高濃度、あるいは低濃度へのばらつきは、デバイス工程において、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となる。さらに、抵抗率などの、デバイスの特性として重要なウェーハ特性を低下させる可能性がある。また結果として、単結晶から得られる良好なウェーハの収率、ウェーハから得られるデバイスの収率も低下する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ゲッタリング能のばらつき、抵抗値の面内分布のばらつき等を防止でき、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができるウェーハを採取できる、シリコン単結晶育成の可能なシリコン単結晶引上装置、およびシリコン単結晶引上方法を提供することを目的とする。
このため、本発明は、シリコン単結晶中での不純物濃度の不均一分布を抑制し、不純物濃度の均一化を図ることにより、酸素濃度およびドーパント濃度の微小な範囲でのばらつきを防止してシリコン単結晶を育成できる、シリコン単結晶引上装置、およびシリコン単結晶引上方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るシリコン単結晶引上装置は、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボの中心から略同心円状（同心のループ状）の等磁場線を形成可能とされている。
このシリコン単結晶引上装置によれば、ルツボのシリコン融液には磁場印加手段で印加される水平磁場によって略同心円状に等磁場線が形成される。同心円状に等磁場線が形成されることによって、ルツボ内のシリコン融液の対流状態の不安定化を抑制し、安定な対流状態を得ることができる。
ここで、略同心円状の等磁場線を形成する範囲は、少なくともルツボ内のシリコン融液の存在する範囲を含むものであればよく、それ以外のチャンバ内の領域は、等磁場曲線が略同心円状とならなくてもよい。したがって、省スペース型の磁場印加手段を用いることができる。また、等磁場曲線が同心円状となる範囲は、シリコン融液が存在する高さ位置を少なくとも含むものであればよい。
同様に、磁場印加により形成される磁力線も、ルツボ内のシリコン融液の存在する範囲のみで略直線となっていればよく、それ以外の部分では、多少直線からずれていても構わない。

本発明の第２の態様に係るシリコン単結晶引上装置は、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有する単結晶引上装置であって、
前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿うように形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされている。
このシリコン単結晶引上装置によれば、引上げたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度は、シリコン単結晶インゴットの成長方向（軸方向）の長さ全域に渡って一定の割合で減少し、酸素濃度が不安定に変動する領域が生じることがない。

前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、前記磁場印加手段によって前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されることが好ましい。これにより、不純物濃度の不均一分布を抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度の微小な範囲でのばらつきを防止できる。
前記磁場印加手段は、前記チャンバを取り巻くように略リング状に形成されていてもよい。具体的には、ルツボ側壁と同心状の円筒面に、軸対称として同一高さに２つまたは３つまたは４つのリング状マグネットコイルを貼り着けた形状とされることができる。言い換えると、垂直方向の軸線を有する第１の円筒面とこの第１の円筒よりも小さい半径を有し第１の円筒の軸線と交わり、かつ水平方向の軸線を有する第２の円筒面との交線に対応するコイル形状とされることができる。あるいは、軸対称に配置されるコイルの片方を複数にしたような形状とされることができる。または、これらの形状を省スペース的な観点などから多少変更した形状とすることができる。これによって、水平磁場印加手段を備えたシリコン単結晶引上装置の小型、軽量化を図ることが可能になる。

上記、第１の態様のシリコン単結晶引上装置において、前記磁場印加手段は、前記ルツボの中心から略同心円状の等磁場線を形成可能とされ、かつルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされていてもよい。

本発明のシリコン単結晶引上装置を用いれば、ルツボに貯留されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、前記種結晶を回転させながら引上げる単結晶引上げ方法（単結晶育成方法）を、
前記種結晶の引上にともなう融液の減少に応じて、ルツボを上昇させて融液面を所定位置に維持し、前記融液の位置で、等磁場線がルツボの中心軸に対して略同心円状（同心のループ状）となる水平磁場を印加する方法とすることができる。
また本発明のシリコン単結晶引上装置を用いれば、ルツボに貯留されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、前記種結晶を回転させながら引上げる単結晶引上げ方法（単結晶育成方法）を、
前記種結晶の引上にともなう融液の減少に応じて、ルツボを上昇させて融液面を所定位置に維持し、前記シリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように水平磁場を印加する方法とすることができる。
上記方法において、前記融液の位置で、等磁場線が略同心円状となり、前記シリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように水平磁場を印加してもよい。
本発明の単結晶引上げ装置を用いる上記方法において、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、単結晶引上げ装置の磁場印加手段を用いて、前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されてもよい。

本発明のシリコン単結晶引上装置およびシリコン単結晶引上方法によれば、シリコン融液の融液面からルツボの底部に向かう全域において、磁場強度を単調に漸増、または漸減させることにより、引上げられたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度は、インゴットの成長方向の長さ全域に渡って一定の割合で減少し、不安定部（酸素濃度が不安定に変動する部位）が生じることがない。不安定部が生じると、シリコン単結晶インゴットの断面における酸素濃度の面内分布は、微小な範囲で大きな揺らぎを示す。したがって、この不安定部から採取したシリコンウェーハをデバイス製造に用いた場合、デバイス工程において結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング能不足の原因となる。本発明により不純物濃度の不均一分布を抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度の微小な範囲でのばらつきを防止し、ドーバント濃度のばらつきによる抵抗率のばらつきを防止し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことが可能になる。

本発明の単結晶引上装置の概略を示す側面断面図である。 図１の単結晶引上装置の上面断面図である。 図１の単結晶引上装置の磁場印加手段における、コイルの配置の一例を示す図である。 磁場印加手段における、コイルの配置の一例を示す上面断面図である。 ルツボのシリコン融液に印加される磁場の磁力線と、等磁場線を示す説明図である。 本発明の実施形態を示す説明図である。 本発明の別な実施形態を示す説明図である。 本発明の実施例を示す説明図である。 本発明の実施例を示す説明図である。 本発明の実施例を示す説明図である。 従来の比較例を示す説明図である。 本発明と比較例の検証結果を示すグラフである。 比較例の単結晶の不安定部の断面における、酸素濃度の面内分布を示す図である。 本発明の検証結果を示すグラフであり、単結晶の引上長とルツボ表面の磁場強度、ルツボ底の磁場強度の関連を示している。 本発明の検証結果を示すグラフであり、単結晶の引上長と、酸素濃度の関連を示す。 本発明の単結晶の断面における、酸素濃度の面内分布を示す図である。 比較例の検証結果を示すグラフであり、単結晶の引上長とルツボ表面の磁場強度、ルツボ底の磁場強度の関連を示している。 図１３Ｂは、比較例の検証結果を示すグラフであり、単結晶の引上長と酸素濃度の関連を示す。

以下、本発明の単結晶引上装置をシリコン単結晶引上装置に適用した場合の実施の形態を説明する。図１は本発明のシリコン単結晶引上装置を示す側面断面図であり、図２は上部から見たときのシリコン単結晶引上装置を示す上面断面図である。シリコン単結晶引上装置１０には、チャンバ１１と、該チャンバ１１内に設けられてシリコン単結晶のシリコン融液１２を貯溜する石英ルツボ１３と、シリコン単結晶のシリコン融液１２を加熱する側面ヒータ４１と、保温材１９と、ルツボ駆動手段１７と、チャンバ１１の外側に設けられてチャンバ１１に水平磁場を印加する磁場印加手段５１が備えられている。
チャンバ１１は有底円筒状の下部と、この下部から上方に向かってすぼまる天板部と、天板部の中央から上方に向かってすぼまる天板部と、天板部の中央から直立する円筒状のケーシング２１とを有する。ケーシング２１は、チャンバ１１の下部よりも径が小さい。

石英ルツボ１３は、チャンバ１１の下部内に収容されており、上方が開放された略円筒形の胴部１３ｂと、この胴部１３ｂの下方を閉塞する底部１３aとからなる。石英ルツボ１３の外面は黒鉛サセプタ（ルツボ支持体）１４により支持されている。石英ルツボ１３の下面は黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はルツボ駆動手段１７に接続される。石英ルツボ１３の胴部１３ｂの外側周囲に黒鉛サセプタ１４を介して側面ヒータ４１が設けられている。

側面ヒータ４１は、例えば石英ルツボ１３を取り巻くように円筒形に形成され、石英ルツボ１３を加熱する。また、側面ヒータ４１とチャンバ１１との間には側面ヒータ４１を取り囲む円筒状の保温材１９が設けられている。

磁場印加手段５１は、リング状のケースに、少なくとも２個のマグネットコイルを対向させた状態で組み込んだ、省スペース型の水平磁場マグネットであり、シリコン単結晶引上装置１０のチャンバ１１の下部を取り囲むように配設されている。図３Ａ、図３Ｂに磁場印加手段５１における、コイルの配置の例を示す。図３Ｂはコイル５２の配置と、チャンバ１１の関係を示す上面断面図であり、図３Ａは片方のコイルの側から見た側面図である。例えば、磁場印加手段５１は、図３Ａ、図３Ｂの例のように、一対のコイル５２を軸対称に配置して非磁性体製のリング状のケースに組み込んだ物でもよい。それぞれのコイルは、半円弧にそって変形してケースに収納されている。各コイルは、長円形、長方形、楕円形等の形状に変形した後、長軸をケースの円弧に沿って変形して、ケース内で対向配置するように組み込まれる。このような磁場印加手段５１は、側面ヒータ４１、保温材１９、チャンバ１１を介してルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２に水平磁場Ｌを印加する。こうした磁場印加の詳細は後ほど述べる。

ルツボ駆動手段１７は、ルツボ１３を回転させる第１回転用モータ（図示略）と、ルツボ１３を昇降させる昇降用モータ（図示略）とを有し、これらのモータにより、ルツボ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能に構成されている。ルツボ駆動手段は、種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン融液１２の液面１２ａを上述した所定位置に維持するため、シリコン融液１２の減少量に応じて昇降用モータによりルツボ１３を上昇させるように構成されている。

チャンバ１１の上面にはチャンバ１１より小径の円筒状のケーシング２１が設けられている。このケーシング２１の上端部には水平状態で旋回可能に引上げヘッド２２が設けられ、ヘッド２２からはワイヤケーブル２３が石英ルツボ１３の回転中心に向って垂下される。
図示しないが、ヘッド２２にはヘッド２２を回転させる第２回転用モータと、ワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータが内蔵される。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶インゴット２５を引上げるための種結晶２４がホルダ２３ａを介して取付けられる。

チャンバ１１にはこのチャンバ１１の上部からＡｒガスのような不活性ガスを供給し、かつ上記不活性ガスをチャンバ１１の下部から排出するガス給排手段２８が接続されている。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され、他端が図示しない不活性ガスのタンクに接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され、他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられている。

次に、こうした構成のシリコン単結晶引上装置１０におけるシリコン単結晶の引上手順と、本発明の作用を説明する。本実施形態のシリコン単結晶引上装置１０を用いてシリコン単結晶を引上げるにあたっては、まず、原料となる多結晶シリコン塊をルツボ１３に入れ、側面ヒータ４１によって融解してシリコン融液１２を形成する。そして、シリコン融液１２の融液面１２ａの直上に種結晶２４をホルダ２３ａを介してワイヤケーブル２３に吊り下げる。

次に、第１及び第２流量調整弁３１，３２を開くことにより、供給パイプ２９から不活性ガスをケーシング２１内に供給してシリコン融液１２の表面から蒸発したＳｉＯx ガスをこの不活性ガスとともに排出パイプ３０から排出させる。この状態で、引上げヘッド２２の図示しない引上げ用モータによりワイヤ２３を繰出して種結晶２４を降下させ、種結晶２４の先端部を融液１２に接触させる。

種結晶２４の先端部をシリコン融液１２に接触させると、熱応力によりこの先端部にスリップ転位が導入されるため、その後、種結晶２４を徐々に引上げて直径が約３ｍｍの種絞り部２５ａを形成する。種絞り部２５ａを形成することにより、種結晶２４に導入された転位は消滅する。その後、更に種結晶２４を引上げることにより種絞り部２５ａの下部に無転位のシリコン単結晶インゴット２５を育成させる。

このようにシリコン単結晶インゴット２５を育成する際には、シリコン融液１２は側面ヒータ４１により加熱されており、磁場印加手段５１により磁場が印加されている。このとき、上記昇降用モータは、種結晶２４の引上げとともに減少する融液１２の量に応じてルツボ１３を上昇させ、シリコン融液１２の表面12aを所定位置に維持する。

本実施形態のシリコン単結晶引上装置では、チャンバ１１の外側に円環状に設けられた磁場印加手段５１によって、シリコン融液１２に印加される水平磁場が形成される。磁場印加手段５１は、チャンバ１１を取り囲むリング状のケースにマグネットコイルを組み込んだ、水平磁場マグネットであり、こうした形状の磁場印加手段５１によって、ルツボ１３内のシリコン融液１２に印加される磁場は、ループ状の等磁場線を形成する。

図４は、磁場印加手段５１によって、ルツボ１３内に形成される磁場の分布を等磁場線などで示したものである。磁場印加手段５１は、リング状のケースにマグネットコイルを組み込んだ、水平磁場マグネットである。図中、実線Ｒで示されたものがルツボであり、細かい矢印は、それぞれの位置における磁力線の方向を示す。また、ルツボの中心付近には引き上げた単結晶インゴットＳが示される。そして、ルツボを取り囲むように等磁場線Ｍが示される。図４に示されるように、ルツボには磁場印加手段５１で印加される水平磁場によって略同心円状（同心のループ状）に等磁場線が形成される。

一方、磁場印加手段５１は、ルツボ１３に貯留されたシリコン融液１２の融液面から前記ルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように水平磁場を印加する。図５は、こうした磁場強度とルツボに貯留されたシリコン融液との関係を示した説明図である。図５によれば、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して磁場強度Ｂｙの最も高い位置を中心Ｏとし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させる。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏに合わせてルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定する。

このように磁場強度の分布とシリコン融液１２の融液面１２ａの位置とを設定することによって、シリコン融液１２には融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するように磁場印加手段５１から水平磁場が印加されることになる。こうした磁場強度の漸減割合は、シリコン融液１２の融液面１２ａ位置に加わる磁場の磁場強度Ｂｙを１とすると、ルツボ１３の底部１３ａ位置（シリコン融液１２中、融液面１２ａ位置から最も離間した下側となる位置）に加わる磁場強度Ｂｙが０．６〜０．９になるように（即ち、最強磁場強度の０．６倍〜０．９倍）設定されれば良い。

以上、説明したように、磁場印加手段５１としてリング状のケースにマグネットコイルを組み込んだ水平磁場マグネットを用い、シリコン融液の融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度が漸減するように、磁場印加手段５１から水平磁場を印加することによって、図４に示すように、シリコン融液１２には同心状の等磁場線が形成されると共に、磁場強度分布と磁場設定位置に関係する、シリコン融液中の不安定領域の発生が防止される。シリコン融液の不安定な領域の発生を解消することにより、シリコン単結晶内で不純物濃度が不安定に変動する不均一分布の発生を防止し、シリコン単結晶の成長方向における不純物分布の均一化、あるいは短調化を達成することが可能になる。

また、リング状のケースにマグネットコイルを組み込んだ水平磁場マグネットを磁場印加手段５１として用いることによって、従来のヘルムホルツ型のマグネットを用いた場合と比較して、磁場印加手段を有するシリコン単結晶引上装置のサイズを大幅に小型、軽量化することが可能になる。

ルツボ１３のシリコン融液１２に印加される磁場は、図５に示したようなルツボの融液面からルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に減少するような配分にする以外にも、ルツボの融液面からルツボの底面に向けて、磁場強度が一方的に増加するように水平磁場を印加してもよい。図６によれば、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対してルツボ１３の底部１３ａの磁場強度Ｂｙを最も高くし、このルツボ１３の底部１３ａから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させる。

このように磁場強度の分布とシリコン融液１２の融液面１２ａの位置とを設定することによって、磁場印加手段５１から、ルツボ１３の底部１３ａからシリコン融液１２の融液面１２ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するように水平磁場が印加されることになる。こうした磁場強度の漸減割合は、ルツボ１３の底部１３ａ位置に加わる磁場の磁場強度を１とすると、シリコン融液１２の融液面１２ａ位置に加わる磁場強度Ｂｙが０．６〜０．９になるように（即ち、最強磁場強度の０．６倍〜０．９倍）設定されれば良い。シリコン融液１２に対する磁場強度の分布をこのように設定することで、シリコン単結晶内で不純物濃度が不安定に変動する不均一分布の発生を防止し、シリコン単結晶の成長方向における不純物分布の均一化、あるいは短調化を達成することが可能になる。

本出願人は、本発明の作用および効果を検証した。検証に当たっては、直径２４インチの石英ルツボを準備し、この石英ルツボに、原料として、１６０ｋｇの多結晶シリコンを仕込んだ。そして、ヒータにより、原料を仕込んだ石英ルツボを加熱して、シリコン融液を形成し、直径２００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを引上げた。引き上げにあたって、石英ルツボ内のシリコン融液に、シリコン単結晶引上装置のチャンバを取り囲むように配設されたリング状のケースにマグネットコイルを変形させて組み込んだ省スペース型の水平磁場マグネット（磁場印加手段）を用い、水平磁場を印加した。

シリコン融液に水平磁場を印加するにあたって、本発明例として、３つの実施例を用意した。

第１の実施例としては、図７に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して、磁場強度Ｂｙの最も高い位置を中心Ｏとし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏに合わせてルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定し、融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル１）。なお、ここで磁場強度Ｂｙとは、ルツボの軸線上における磁場強度のＹ成分（引き上げ軸に垂直で、水平磁場の磁力線に平行な成分）を示す。

本発明の第２の実施例としては、図８に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対して、磁場強度Ｂｙの最も高い位置を中心Ｏとし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏよりも距離ａだけ下側にルツボ１３のシリコン融液１２の融液面１２ａが位置するように設定し、融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル２）。

本発明の第３の実施例としては、図９に示すように、磁場印加手段５１は引上げ方向Ｚに対してルツボ１３の底部１３ａの磁場強度Ｂｙを最も高くし、このルツボ１３の底部１３ａから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。これによりルツボ１３の底部１３ａからシリコン融液１２の融液面１２ａに向かって磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル３）。

なお、本発明と対比させる比較例（従来例）として、図１０に示すように、磁場印加手段６１は引上げ方向Ｚに対して、磁場強度Ｂｙの最も高い位置を中心Ｏとし、この中心Ｏから上下方向にそれぞれ磁場強度Ｂｙが漸減するように磁界を発生させた。そして、この磁場強度Ｂｙの最も高い中心Ｏをルツボ１３のシリコン融液１２の中ほどに位置するように設定した。これにより、シリコン融液１２の融液面１２ａ（ｚ＝−ａ位置）からルツボ１３の底部１３ａに向かって、融液の中ほどまで磁場強度Ｂｙが漸増し、この中ほどを過ぎると一転して磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加してシリコン単結晶インゴットを引上げた（サンプル４）。

以上、説明した本発明の実施例１〜３（サンプル１〜３）と、比較例（従来例：サンプル４）によって引上げられたシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと酸素濃度Ｏｉとの関係を図１１Ａに示す。

図１１Ａに示すように、シリコン融液１２の融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かう全域において、磁場強度Ｂｙを単調に漸増、または漸減させた状態を引き上げ長の全長にわたって維持した場合には、引上げたシリコン単結晶インゴットの酸素濃度Ｏｉは、長さＸＬの全域にわたって一定の割合で減少し、不安定な領域は見られない。一方、シリコン融液１２の融液面１２ａからルツボ１３の底部１３ａに向かって、融液の中ほどまで磁場強度Ｂｙが漸増し、この中ほどを過ぎると一転して磁場強度Ｂｙが漸減するようにシリコン融液１２に水平磁場を印加した場合には、この磁場強度Ｂｙが漸増から漸減に転じる付近において、不安定部が生じる。

このような不安定部ではシリコン融液対流が不安定なため、図１１Ｂに二つの例を実線および破線で示すように、シリコン単結晶インゴットの断面（成長方向に垂直な断面）に置ける酸素濃度Ｏｉの面内分布が微小な範囲で大きく揺らいでいる。このように酸素濃度の面内分布が大きく揺らぐと、デバイス工程において、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となり、デバイスの特性および収率を低下させ悪影響を及ぼす可能性がある。本発明により不純物濃度が不均一に分布することを抑制でき、酸素濃度およびドーパント濃度が微小な範囲でばらつくことを防止し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができる。

図１２Ａは、上述した実施例でのサンプル１および２における、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと、シリコン融液表面の磁場強度およびルツボ底部の磁場強度との関係を示したグラフである。このグラフによれば、シリコン融液表面の磁場強度はサンプル１および２ともシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの全域に渡って一定であり、また、ルツボ底部の磁場強度は、シリコン融液表面の磁場強度よりも低い範囲で緩やかに漸増している。

このような磁場強度の分布によって、図１２Ｂに示すように、サンプル１および２の双方でシリコン単結晶インゴットの酸素濃度Ｏｉは、長さＸＬの全域にわたって一定の割合で減少する。これにより、図１２Ｃに示すように、シリコン単結晶インゴットの断面における酸素濃度Ｏｉの面内分布は揺らぐことなく、安定した分布を示す。

図１３Ａは、上述した比較例（従来例）でのサンプル４における、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬと、シリコン融液表面の磁場強度およびルツボ底部の磁場強度との関係を示したグラフである。このグラフによれば、シリコン融液表面の磁場強度はシリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの全域に渡って一定であるのに対して、ルツボ底部の磁場強度は、シリコン単結晶インゴットの成長方向の長さＸＬの中ほどを過ぎた付近でシリコン融液表面の磁場強度を上回り、更にその後減少に転じている。

このような磁場強度の分布になると、融液対流の変動が生じて図１３Ｂに示すように不安定部が出来てしまい、結果的に、図１１Ｂに示すように、酸素濃度の面内分布が大きく揺らぎ、結晶欠陥の密度差による重金属不純物のゲッタリング不足の原因となる。

以上のような検証結果から、本発明によって、シリコン融液に平面的には略同心円状の等磁場線を形成し、かつ高さ方向には磁場強度が単一的（単調的）に増加または減少する磁場を印加し、この磁場状態を引き上げ長の全長にわたって維持しながら単結晶を引き上げることにより、結晶内での不純物濃度分布の揺らぎを抑制できることが確認された。これにより、本発明によれば、酸素濃度およびドーパント濃度の微小な範囲でのばらつきを防止し、酸素濃度及び抵抗率の面内および軸方向の不均一分布の発生を低減し、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保てることが確認された。

本発明によれば、シリコン単結晶引き上げ時にシリコン融液の不安定な対流を抑制し、シリコン単結晶の酸素濃度およびドーパント濃度の微小な範囲でのばらつきを防止することができる。このようなシリコン単結晶より得られたシリコンウェーハをデバイス製造に用いれば、ゲッタリング能のばらつき、抵抗値の面内分布のばらつき等を防止でき、デバイス工程においてデバイス特性および収率を良好に保つことができる。

Claims (2)

1. シリコン単結晶引上装置であって、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有し、
   前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿って、一対のコイルを軸対称に配置してなり、それぞれの前記コイルは、前記チャンバを取り巻くように半円弧にそって形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされるとともに、前記ルツボの中心軸に対し略同心円状の等磁場線を形成可能とされてなることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
2. シリコン単結晶引上装置であって、シリコン融液を貯溜するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを回転及び／又は昇降させるルツボ駆動手段と、前記ルツボおよびヒータを収容するチャンバと、前記チャンバの外側に設けられて該チャンバに磁場を印加する磁場印加手段とを有し、
   前記磁場印加手段は、前記チャンバの外周面に沿って、一対のコイルを軸対称に配置してなり、それぞれの前記コイルは、前記チャンバを取り巻くように半円弧にそって形成され、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて磁場強度が一方的に増加するか、あるいは磁場強度が一方的に減少するように磁場を印加可能とされてなり、前記ルツボに貯留されたシリコン融液の融液面から前記ルツボの底部に向けて一方的に磁場強度が増加または減少する際の磁場強度の変動範囲は、前記磁場印加手段によって前記チャンバ内に印加される磁場の最強強度の０．６倍〜０．９倍の範囲に設定されることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。

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